互为基准法预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法技术

本发明专利技术公开了互为基准法预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法，属于机械加工中的材料性能测试及精密与超精密加工领域，先将硬脆试件进行背衬，采用互为基准法对该试件和背衬进行处理，达到测试所需的表面质量与平行度要求；试件以指定转速旋转，顶端固接有单颗磨粒的工具头以指定切深径向进给划擦，在试件端面形成螺旋形划痕，划擦过程中工具头与试件瞬间脱离，实现单磨粒划擦过程中磨粒和试件接触状态的“冻结”，通过三维形貌测量和显微观察，可以更好的了解磨粒去除材料过程中的材料变形、已加工表面形成、界面摩擦等相关机理，进而为磨削等磨粒加工过程材料去除机理的深入研究提供手段。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械加工中的材料性能测试及精密与超精密加工领域，具体涉及一种互为基准法预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法。
技术介绍
快停测试方法也叫快速落刀测试方法，是指利用外力使刀具或磨粒迅速离开切削或磨削区域，从而“冻结”在刀具或磨粒退出瞬时与试件的接触状态，保持试件材料变形瞬间的状态被记录下来，并且不被后续的加工过程破坏。这个变形瞬间可以通过后续的金相制样和显微观察进行更深入的分析。这种方法可以深入研究切削或磨削过程中的材料去除机理，在金属切削领域已有多种快停装置被开发出来，相应的测试结果也在相关论文中有报道，但是在磨削领域中，用于单颗磨粒划擦的快停测试方法还未见报道。
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，提供了一种互为基准法预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法，通过使安装磨粒的工具头迅速脱离磨粒和试件的接触区域，实现单磨粒划擦过程中磨粒和试件接触状态的“冻结”，通过显微观察，可以更好的了解磨粒去除材料过程中的材料变形、已加工表面形成、界面摩擦等相关机理，进而为磨削等磨粒加工过程材料去除机理的深入研究提供手段。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种互为基准法预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法，包括：1)将硬脆试件与有色金属背衬固接在一起；2)对试件端面进行研磨抛光，使其平面度达到IT1级，表面粗糙度Ra优于10nm；3)将试件与背衬固定在电主轴上且背衬向上，试件与背衬可通过电主轴旋转；对试件与背衬进行在线动平衡；4)采用金刚石单点刀具对该背衬进行修盘，以在背衬表面形成端面跳动量优于IT1级，表面平均粗糙度Ra优于10nm的修盘区域，且背衬表面修盘区域与试件端面的平行度在IT1级以内，具体步骤如下：4-1)聚晶金刚石单点车刀修盘：立式车削模式，修盘时背衬的转速范围为2000～10000rpm，聚晶金刚石单点车刀从背衬外侧以10～50μm的切深沿背衬径向进给，进给速度范围为0.4～1.2mm/s，进给距离为背衬直径的1/4～1/2；4-2)单晶金刚石单点车刀修盘：立式车削模式，修盘时背衬的转速范围为2000～10000rpm，单晶金刚石单点车刀从背衬外侧以2～10μm的切深沿背衬径向进给，进给速度范围为0.1～0.3mm/s，进给距离为背衬直径的1/4～1/2；5)取下试件与背衬，翻转，再次将试件与背衬固定在电主轴上且试件向上，试件与背衬可通过电主轴旋转；对试件与背衬进行在线动平衡；6)金刚石单点刀具触碰对刀仪，确定试件端面与对刀仪对刀平面的高度差h0；将金刚石单点刀具更换为顶端固接有单颗磨粒的工具头，工具头顶端的磨粒触碰对刀仪，再将工具头沿试件与背衬旋转的轴向方向上移h0+δ，以使工具头顶端的磨粒位于试件端面上方δ处，完成对刀；7)将工具头水平移至试件端面的划擦点正上方，并下移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，通过计算试件与背衬的设定转速n；试件与背衬按照设定转速n转动，且工具头沿径向进给，以使磨粒在试件端面划擦形成螺旋形划痕，划擦过程中工具头瞬间与试件脱离，脱离瞬间工具头顶端的瞬时线速度高于试件转动线速度，以“冻结”脱离瞬间磨粒与试件的接触状态；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。一实施例中：所述磨粒为金刚石、CBN、氧化物陶瓷或氮化物陶瓷，磨粒形状为球形、圆锥形或多棱锥形；该磨粒通过机械夹持、电镀或钎焊固接在工具头顶端；所述工具头为压头。一实施例中：所述背衬为圆盘形，试件与背衬叠置固接在一起，且试件周缘不超出背衬边缘之外。一实施例中：所述背衬或试件通过真空吸盘与电主轴相连。一实施例中：所述测量系统为测力和声发射系统，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。一实施例中：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：所述工具头在沿试件旋转的轴向方向和径向方向的定位精度均优于0.1μm。一实施例中：所述对刀仪的定位精度优于0.1μm。一实施例中：所述步骤7)中，工具头通过高刚度弹簧或气动冲头瞬间与试件脱离。一实施例中：所述工具头轴线平行于试件旋转轴线。除有说明外，本专利技术所涉及的各装置的单一处理过程以及各装置间的连接方式均为本领域常规技术，在此不加以详细描述。本技术方案与
技术介绍
相比，它具有如下优点：1.本专利技术的单颗磨粒划擦快停测试方法，在划擦过程中，使安装磨粒的工具头迅速脱离磨粒和试件的接触区域，实现单磨粒划擦过程中脱离瞬间磨粒和试件接触状态的“冻结”，通过显微观察，可以更好的了解磨粒去除材料过程中的材料变形、已加工表面形成、界面摩擦等相关机理，进而为磨削等磨粒加工过程材料去除机理的深入研究提供手段。2.本专利技术对主轴-试件系统进行在线动平衡，避免了高速旋转过程中的大幅端面跳动或径向跳动，从而保持磨粒和试件间的稳定接触状态；同时，由于蓝宝石等硬脆材料的难加工特性，直接对硬脆材料进行在线修盘，会造成加工时间和加工质量的下降，因此采用互为基准的方法，在预先保证了蓝宝石等硬脆材料表面粗糙度后，将蓝宝石等硬脆材料与一个容易加工材料的背衬粘接在一起，利用单点金刚石超精密加工技术对试件的背衬进行在线加工修盘，可以保证端面跳动有足够的精度，最终同时保证表面粗糙度和端面跳动，提高相对位置精度，从而解决了直接在线加工蓝宝石等硬脆材料造成的时间过长和加工质量较差的问题，保证了磨粒和试件间的相对运动精度，配合动平衡，进一步保证了磨粒和试件之间在较长划擦距离上能够持续稳定接触，从而实现磨粒的高速高精度划擦测试，进而保证快停测试的准确性。3.按照本领域的常识，试件的已加工表面质量必须优于相关磨削工艺得到的表面质量，最好高出一个数量级，得到的划痕测试结果才能用于磨削过程去除机理的分析；由于本专利技术大大提升了试件表面的质量，因此能够满足磨削过程去除机理等高精度分析的要求，可用于摩擦磨损过程及磨削加工中材料去除机理的研究。4.磨粒划擦深度大于试件表面起伏程度的5倍以上才能保证划擦的稳定性，由于本专利技术大大提升了试件表面的质量，试件表面精度和光洁度好，即使是小粒度的磨粒也能实现稳定高精度划擦，因此可以用于小粒度磨粒的单颗磨粒划擦测试，进一步拓展了本专利技术的应用范围，也是对本行业单颗磨粒划擦试验技术的极大促进。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种互为基准法预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法，其特征在于：包括：1)将硬脆试件与有色金属背衬固接在一起；2)对试件端面进行研磨抛光，使其平面度达到IT1级，表面粗糙度Ra优于10nm；3)将试件与背衬固定在电主轴上且背衬向上，试件与背衬可通过电主轴旋转；对试件与背衬进行在线动平衡；4)采用金刚石单点刀具对该背衬进行修盘，以在背衬表面形成端面跳动量优于IT1级，表面平均粗糙度Ra优于10nm的修盘区域，且背衬表面修盘区域与试件端面的平行度在IT1级以内，具体步骤如下：4‑1)聚晶金刚石单点车刀修盘：立式车削模式，修盘时背衬的转速范围为2000～10000rpm，聚晶金刚石单点车刀从背衬外侧以10～50μm的切深沿背衬径向进给，进给速度范围为0.4～1.2mm/s，进给距离为背衬直径的1/4～1/2；4‑2)单晶金刚石单点车刀修盘：立式车削模式，修盘时背衬的转速范围为2000～10000rpm，单晶金刚石单点车刀从背衬外侧以2～10μm的切深沿背衬径向进给，进给速度范围为0.1～0.3mm/s，进给距离为背衬直径的1/4～1/2；5)取下试件与背衬，翻转，再次将试件与背衬固定在电主轴上且试件向上，试件与背衬可通过电主轴旋转；对试件与背衬进行在线动平衡；6)金刚石单点刀具触碰对刀仪，确定试件端面与对刀仪对刀平面的高度差h0；将金刚石单点刀具更换为顶端固接有单颗磨粒的工具头，工具头顶端的磨粒触碰对刀仪，再将工具头沿试件与背衬旋转的轴向方向上移h0+δ，以使工具头顶端的磨粒位于试件端面上方δ处，完成对刀；7)将工具头水平移至试件端面的划擦点正上方，并下移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，通过计算试件与背衬的设定转速n；试件与背衬按照设定转速n转动，且工具头沿径向进给，以使磨粒在试件端面划擦形成螺旋形划痕，划擦过程中工具头瞬间与试件脱离，脱离瞬间工具头顶端的瞬时线速度高于试件转动线速度，以“冻结”脱离瞬间磨粒与试件的接触状态；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。...

【技术特征摘要】
1.一种互为基准法预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法，其特征在于：包括：
1)将硬脆试件与有色金属背衬固接在一起；
2)对试件端面进行研磨抛光，使其平面度达到IT1级，表面粗糙度Ra优于10nm；
3)将试件与背衬固定在电主轴上且背衬向上，试件与背衬可通过电主轴旋转；对试件
与背衬进行在线动平衡；
4)采用金刚石单点刀具对该背衬进行修盘，以在背衬表面形成端面跳动量优于IT1级，
表面平均粗糙度Ra优于10nm的修盘区域，且背衬表面修盘区域与试件端面的平行度在IT1
级以内，具体步骤如下：
4-1)聚晶金刚石单点车刀修盘：立式车削模式，修盘时背衬的转速范围为2000～10000
rpm，聚晶金刚石单点车刀从背衬外侧以10～50μm的切深沿背衬径向进给，进给速度范围
为0.4～1.2mm/s，进给距离为背衬直径的1/4～1/2；
4-2)单晶金刚石单点车刀修盘：立式车削模式，修盘时背衬的转速范围为2000～10000
rpm，单晶金刚石单点车刀从背衬外侧以2～10μm的切深沿背衬径向进给，进给速度范围为
0.1～0.3mm/s，进给距离为背衬直径的1/4～1/2；
5)取下试件与背衬，翻转，再次将试件与背衬固定在电主轴上且试件向上，试件与背
衬可通过电主轴旋转；对试件与背衬进行在线动平衡；
6)金刚石单点刀具触碰对刀仪，确定试件端面与对刀仪对刀平面的高度差h0；将金刚
石单点刀具更换为顶端固接有单颗磨粒的工具头，工具头顶端的磨粒触碰对刀仪，再将工具
头沿试件与背衬旋转的轴向方向上移h0+δ，以使工具头顶端的磨粒位于试件端面上方δ处，
完成对刀；
7)将工具头水平移至试件端面的划擦点正上方，并下移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，通过计算试件与背衬的设定转
速n；试件与背衬按照设定转速n转动，且工具头沿径向进给，以使磨粒在试件端面划擦形

\t成螺旋形划痕，划擦过程中工具头瞬间与试件脱离，脱离瞬间工具头顶端的...

【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