一种单颗磨粒高速连续划擦试验机及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种单颗磨粒高速连续划擦试验机及其应用，主要包括固定座，工作台，电主轴，试件，X向进给装置，微分头，夹紧装置，工具头，修盘装置，测量系统，对刀仪等；通过修盘装置对试件表面修盘后，电主轴带动试件旋转，通过微分头和X向进给装置带动工具头以一定切深沿试件径向进给，磨粒在试件表面划擦形成螺旋形划痕，测量系统在此过程中采集数据。本发明专利技术可以在高速条件下准确测得单颗磨粒划擦力，测试精度较高，测试结果可以用于磨削加工机理的深入研究，从而优化磨削加工参数，提高产品质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械加工中的材料测试及精密与超精密加工领域，具体涉及一种单颗磨粒高速连续划擦试验机及其应用。
技术介绍
磨削过程可以看做是磨具表面大量排列参差不齐，分布不规则的形状各异的磨粒共同完成的切削过程。在科学研究中，常把复杂现象抽象成一种简化的模式，来探讨一些最本质的问题。构成砂轮的细小磨粒的切削作用是磨削加工的基础，单颗磨粒切削作为磨削加工的基本模式，成为认识复杂磨削作用的一种重要手段。OhbuchiY.与MatsuoT.最早进行了单颗磨粒划擦实验。随后众多学者在单颗磨粒划擦实验上做了大量的工作，为研究单颗磨粒划擦提供了有力的指导。但现有的实验设备仍然存在着一些不足之处，例如现有的划擦设备中的单摆式划擦(工具头随转动、工件不动)只能达到磨削速度100m/s，而一般的平面划擦方式(工具头不动，工件转动)由于转速低、不容易动平衡，实际划擦速度只有磨削速度的1/10，造成测试时单颗磨粒划擦速度远低于实际磨削过程中的速度，得到的测试结果并不能够准确反映实际的磨削过程。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种单颗磨粒高速连续划擦试验机及其应用，可以在高速条件下准确测得磨削力，测试精度较高，测试结果可以用于磨削加工机理的深入研究，从而优化磨削加工参数，提高产品质量。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案之一是：一种单颗磨粒连续划擦试验机，包括：固定座；水平布置的工作台，固接在固定座顶部；垂直布置的电主轴，固接在固定座，且电主轴向上穿出工作台；试件，固接在电主轴顶部且与电主轴同轴，通过电主轴带动试件旋转；X向进给装置，装接在工作台，且进给方向垂直于电主轴回转轴线并沿试件径向进给；夹紧装置，装接在X向进给装置；工具头，可装拆地装接在夹紧装置；工具头顶端固接有磨粒；用于使工具头沿平行于电主轴回转轴线方向进给的微分头，固接在夹紧装置；用于对试件表面进行修盘的修盘装置，可装拆地装接在夹紧装置；用于采集划擦过程数据的测量系统，与工具头相连；对刀仪，固接在工作台，该对刀仪上设有用于调节对刀仪的Z轴设定器；通过修盘装置对试件表面修盘后，电主轴带动试件旋转，通过微分头和X向进给装置带动工具头以一定切深沿试件径向进给，磨粒在试件表面划擦形成螺旋形划痕，测量系统在此过程中采集数据。一实施例中：所述固定座包括上下固接的床身与底座；所述工作台固接在床身顶部；所述电主轴固接在床身；所述工作台与固定座之间设有一能调平和支撑工作台的调整装置；所述工作台上固接有支撑架，该支撑架包括对称设置的长度不等的两个支撑臂，较短的支撑臂与工作台之间设有一能调整较短支撑臂高度的微调装置；所述X向进给装置固定在该两个支撑臂顶部；通过微调装置调整较短支撑臂高度以调节X向进给装置进给方向；所述微调装置的最小位移分辨率优于10nm。一实施例中：所述电主轴旋转的端面跳动量和径向跳动量均小于1μm，且其最大转速不低于5000rpm。一实施例中：所述试件为有色金属、黑色金属或脆硬材料制成的圆盘状结构；试件通过试件夹具固接在电主轴顶部；所述试件夹具为真空吸盘、磁吸盘或机械式夹具；电主轴、试件夹具与试件三者同轴；所述磨粒为金刚石，CBN，氧化物陶瓷或氮化物陶瓷；磨粒的形状为球形、锥形；该磨粒通过压头、钎焊、电镀固接在工具头顶端。一实施例中：X向进给装置的进位精度优于0.1μm；微分头的最小分度值不大于0.5μm；Z轴设定器的定位精度优于0.1μm。一实施例中：所述测量系统为测力仪与声发射系统，包括相互信号连接的测力仪、声发射系统、数据采集卡和信号放大器；所述工具头与测力仪和声发射系统相连接；所述测力仪的固有频率高于4KHz，测力精度优于0.01N；所述数据采集卡的采样速度高于2M/s。一实施例中：所述夹紧装置包括上夹具体、下夹具体和刀杆；上夹具体与下夹具体上下装接在一起，且二者内设有上下贯通且相互连通的圆孔，该圆孔下部开口处向内缩口形成台阶结构；刀杆适配滑动装接在圆孔内且可在圆孔内上下移动，刀杆上部具有凸环结构，凸环结构外回转面与下夹具体内圆孔侧壁形成间隙配合；刀杆下部伸出下夹具体；所述工具头可装拆地螺接在刀杆下部；所述微分头装接在上夹具体，微分头的心轴向下伸入圆孔内且可分离地顶抵在刀杆上；通过微分头旋转且心轴向下顶抵刀杆以使刀杆向下移动；凸环结构与台阶结构之间还设有用于使刀杆向上复位的弹性件。一实施例中：所述修盘装置与工具头及刀杆替换装接在夹紧装置，包括装接在一起的修盘刀具和修盘刀杆，修盘刀杆适配滑动装接在夹紧装置之圆孔内且可在圆孔内上下移动；修盘刀具固接在修盘刀杆下端；或，所述修盘装置包括装接在一起的动力头和单点磨头。一实施例中：所述修盘刀具为金刚石车刀、CBN车刀。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案之二是：上述的单颗磨粒连续划擦试验机的试验方法，包括：1)将试件固定在电主轴上，试件可通过电主轴旋转；对该试件进行在线动平衡；2)电主轴带动试件旋转，采用修盘装置在微分头带动下以一定切深并在X向进给装置带动下沿试件径向进给，从试件外侧沿径向切入试件对该试件表面进行修盘，以在试件表面形成修盘区域；3)记修盘时微分头的读数为z1，控制X向进给装置和微分头进给，使修盘装置触碰Z轴设定器，记此时微分头的读数为z2，则修盘后试件表面修盘区域与对刀仪的对刀平面的高度差h0＝z1-z2；换装工具头，同上触碰Z轴设定器，并控制微分头上移h0+δ即可保证工具头顶端位于试件圆环形修盘区域平面上δ处，完成对刀；4)通过X向进给装置将工具头水平移至修盘区域的划擦点正上方，并通过微分头下移δ+ap以使划擦深度为ap；根据需测试的划擦速度v和划擦点所在的划擦半径R，通过计算试件的设定转速n；试件按照设定转速n转动，且工具头通过X向进给装置沿径向进给，以使磨粒在修盘区域划擦形成螺旋形划痕，此过程中通过与工具头相连的测量系统采集划擦过程中的数据。本技术方案与
技术介绍
相比，它具有如下优点：本专利技术的单颗磨粒高速连续划擦试验机，采用修盘刀具控制试件表面质量，使得划擦过程中磨粒和试件能稳定地接触，达到更小的稳定划痕深度，保证划擦过程的高精度；并采用高速电主轴带动试件旋转而工具头沿径向进给的划擦方式，实现高速度划擦；从而实现了高速度、高精度的单颗磨粒连续划擦测试；同时，本专利技术的单颗磨粒高速连续划擦试验机可以提供稳态划擦过程，比单摆式划擦试验方法更容易准确采集切削力、声发射信号等划痕过程的物理量；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单颗磨粒连续划擦试验机，其特征在于：包括：固定座；水平布置的工作台，固接在固定座顶部；垂直布置的电主轴，固接在固定座，且电主轴向上穿出工作台；试件，固接在电主轴顶部且与电主轴同轴，通过电主轴带动试件旋转；X向进给装置，装接在工作台，且进给方向垂直于电主轴回转轴线并沿试件径向进给；夹紧装置，装接在X向进给装置；工具头，可装拆地装接在夹紧装置；工具头顶端固接有磨粒；用于使工具头沿平行于电主轴回转轴线方向进给的微分头，固接在夹紧装置；用于对试件表面进行修盘的修盘装置，可装拆地装接在夹紧装置；用于采集划擦过程数据的测量系统，与工具头相连；对刀仪，固接在工作台，该对刀仪上设有用于调节对刀仪的Z轴设定器；通过修盘装置对试件表面修盘后，电主轴带动试件旋转，通过微分头和X向进给装置带动工具头以一定切深沿试件径向进给，磨粒在试件表面划擦形成螺旋形划痕，测量系统在此过程中采集数据。

【技术特征摘要】
1.一种单颗磨粒连续划擦试验机，其特征在于：包括：
固定座；
水平布置的工作台，固接在固定座顶部；
垂直布置的电主轴，固接在固定座，且电主轴向上穿出工作台；
试件，固接在电主轴顶部且与电主轴同轴，通过电主轴带动试件旋转；
X向进给装置，装接在工作台，且进给方向垂直于电主轴回转轴线并沿试件径向进给；
夹紧装置，装接在X向进给装置；
工具头，可装拆地装接在夹紧装置；工具头顶端固接有磨粒；
用于使工具头沿平行于电主轴回转轴线方向进给的微分头，固接在夹紧装置；
用于对试件表面进行修盘的修盘装置，可装拆地装接在夹紧装置；
用于采集划擦过程数据的测量系统，与工具头相连；
对刀仪，固接在工作台，该对刀仪上设有用于调节对刀仪的Z轴设定器；
通过修盘装置对试件表面修盘后，电主轴带动试件旋转，通过微分头和X向进给装置带
动工具头以一定切深沿试件径向进给，磨粒在试件表面划擦形成螺旋形划痕，测量系统在此
过程中采集数据。
2.根据权利要求1所述的一种单颗磨粒连续划擦试验机，其特征在于：所述固定座包
括上下固接的床身与底座；所述工作台固接在床身顶部；所述电主轴固接在床身；
所述工作台与固定座之间设有一能调平和支撑工作台的调整装置；
所述工作台上固接有支撑架，该支撑架包括对称设置的长度不等的两个支撑臂，较短的
支撑臂与工作台之间设有一能调整较短支撑臂高度的微调装置；所述X向进给装置固定在该
两个支撑臂顶部；通过微调装置调整较短支撑臂高度以调节X向进给装置进给方向；所述微
调装置的最小位移分辨率优于10nm。
3.根据权利要求1所述的一种单颗磨粒连续划擦试验机，其特征在于：所述电主轴旋

\t转的端面跳动量和径向跳动量均小于1μm，且其最大转速不低于5000rpm。
4.根据权利要求1所述的一种单颗磨粒连续划擦试验机，其特征在于：所述试件为有
色金属、黑色金属或脆硬材料制成的圆盘状结构；试件通过试件夹具固接在电主轴顶部；所
述试件夹具为真空吸盘、磁吸盘或机械式夹具；电主轴、试件夹具与试件三者同轴；
所述磨粒为金刚石，CBN，氧化物陶瓷或氮化物陶瓷；磨粒的形状为球形、锥形；该磨
粒通过压头、钎焊、电镀固接在工具头顶端。
5.根据权利要求1所述的一种单颗磨粒连续划擦试验机，其特征在于：X向进给装置
的进位精度优于0.1μm；微分头的最小分度值不大于0.5μm；Z轴设定器的定位精度优于0.1
μm。
6.根据权利要求1所述的一种单颗磨粒连续划擦试验机，其特征在于：所述测量系统
为测力仪与声发射系统，包括相互信号连接的测力仪、声发射系统、数据采集...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜峰，张涛，言兰，徐西鹏，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建;35