一種單顆磨粒高速連續(xù)劃擦試驗機及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機械加工中的材料測試及精密與超精密加工領(lǐng)域，具體設(shè)及一種單顆 磨粒高速連續(xù)劃擦試驗機及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 磨削過程可W看做是磨具表面大量排列參差不齊，分布不規(guī)則的形狀各異的磨粒 共同完成的切削過程。在科學(xué)研究中，常把復(fù)雜現(xiàn)象抽象成一種簡化的模式，來探討一些最 本質(zhì)的問題。構(gòu)成砂輪的細(xì)小磨粒的切削作用是磨削加工的基礎(chǔ)，單顆磨粒切削作為磨削 加工的基本模式，成為認(rèn)識復(fù)雜磨削作用的一種重要手段?；痓ucM Y.與Matsuo T.最早進(jìn) 行了單顆磨粒劃擦實驗。隨后眾多學(xué)者在單顆磨粒劃擦實驗上做了大量的工作，為研究單 顆磨粒劃擦提供了有力的指導(dǎo)。但現(xiàn)有的實驗設(shè)備仍然存在著一些不足之處，例如現(xiàn)有的 劃擦設(shè)備中的單擺式劃擦(工具頭隨轉(zhuǎn)動、工件不動）只能達(dá)到磨削速度lOOm/s，而一般的 平面劃擦方式(工具頭不動，工件轉(zhuǎn)動）由于轉(zhuǎn)速低、不容易動平衡，實際劃擦速度只有磨削 速度的1/10,造成測試時單顆磨粒劃擦速度遠(yuǎn)低于實際磨削過程中的速度，得到的測試結(jié) 果并不能夠準(zhǔn)確反映實際的磨削過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供了一種單顆磨粒高速連續(xù)劃擦 試驗機及其應(yīng)用，可W在高速條件下準(zhǔn)確測得磨削力，測試精度較高，測試結(jié)果可W用于磨 削加工機理的深入研究，從而優(yōu)化磨削加工參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案之一是：
[0005] -種單顆磨粒連續(xù)劃擦試驗機，包括：
[0006] 固定座；
[0007] 水平布置的工作臺，固接在固定座頂部；
[000引垂直布置的電主軸，固接在固定座，且電主軸向上穿出工作臺；
[0009] 試件，固接在電主軸頂部且與電主軸同軸，通過電主軸帶動試件旋轉(zhuǎn)；
[0010] X向進(jìn)給裝置，裝接在工作臺，且進(jìn)給方向垂直于電主軸回轉(zhuǎn)軸線并沿試件徑向進(jìn) 給；
[0011] 夾緊裝置，裝接在X向進(jìn)給裝置；
[0012] 工具頭，可裝拆地裝接在夾緊裝置;工具頭頂端固接有磨粒；
[0013] 用于使工具頭沿平行于電主軸回轉(zhuǎn)軸線方向進(jìn)給的微分頭，固接在夾緊裝置；
[0014] 用于對試件表面進(jìn)行修盤的修盤裝置，可裝拆地裝接在夾緊裝置；
[0015] 用于采集劃擦過程數(shù)據(jù)的測量系統(tǒng)，與工具頭相連；
[0016] 對刀儀，固接在工作臺，該對刀儀上設(shè)有用于調(diào)節(jié)對刀儀的巧由設(shè)定器；
[0017] 通過修盤裝置對試件表面修盤后，電主軸帶動試件旋轉(zhuǎn)，通過微分頭和X向進(jìn)給裝 置帶動工具頭W-定切深沿試件徑向進(jìn)給，磨粒在試件表面劃擦形成螺旋形劃痕，測量系 統(tǒng)在此過程中采集數(shù)據(jù)。
[001引一實施例中：所述固定座包括上下固接的床身與底座;所述工作臺固接在床身頂 部;所述電主軸固接在床身；
[0019] 所述工作臺與固定座之間設(shè)有一能調(diào)平和支撐工作臺的調(diào)整裝置；
[0020] 所述工作臺上固接有支撐架，該支撐架包括對稱設(shè)置的長度不等的兩個支撐臂， 較短的支撐臂與工作臺之間設(shè)有一能調(diào)整較短支撐臂高度的微調(diào)裝置;所述X向進(jìn)給裝置 固定在該兩個支撐臂頂部;通過微調(diào)裝置調(diào)整較短支撐臂高度W調(diào)節(jié)X向進(jìn)給裝置進(jìn)給方 向；所述微調(diào)裝置的最小位移分辨率優(yōu)于lOnm。
[0021] -實施例中：所述電主軸旋轉(zhuǎn)的端面跳動量和徑向跳動量均小于Iwn，且其最大轉(zhuǎn) 速不低于5000巧m。
[0022] -實施例中：所述試件為有色金屬、黑色金屬或脆硬材料制成的圓盤狀結(jié)構(gòu);試件 通過試件夾具固接在電主軸頂部;所述試件夾具為真空吸盤、磁吸盤或機械式夾具；電主 軸、試件夾具與試件=者同軸；
[0023] 所述磨粒為金剛石，CBN，氧化物陶瓷或氮化物陶瓷;磨粒的形狀為球形、錐形；該 磨粒通過壓頭、針焊、電鍛固接在工具頭頂端。
[0024] -實施例中：X向進(jìn)給裝置的進(jìn)位精度優(yōu)于0.1皿;微分頭的最小分度值不大于0.5 皿;Z軸設(shè)定器的定位精度優(yōu)于0.1皿。
[0025] 一實施例中：所述測量系統(tǒng)為測力儀與聲發(fā)射系統(tǒng)，包括相互信號連接的測力儀、 聲發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡和信號放大器;所述工具頭與測力儀和聲發(fā)射系統(tǒng)相連接;所述測 力儀的固有頻率高于4Ifflz，測力精度優(yōu)于0.01N;所述數(shù)據(jù)采集卡的采樣速度高于2M/S。
[0026] -實施例中：所述夾緊裝置包括上夾具體、下夾具體和刀桿;上夾具體與下夾具體 上下裝接在一起，且二者內(nèi)設(shè)有上下貫通且相互連通的圓孔，該圓孔下部開口處向內(nèi)縮口 形成臺階結(jié)構(gòu)；刀桿適配滑動裝接在圓孔內(nèi)且可在圓孔內(nèi)上下移動，刀桿上部具有凸環(huán)結(jié) 構(gòu)，凸環(huán)結(jié)構(gòu)外回轉(zhuǎn)面與下夾具體內(nèi)圓孔側(cè)壁形成間隙配合;刀桿下部伸出下夾具體;所述 工具頭可裝拆地螺接在刀桿下部；
[0027] 所述微分頭裝接在上夾具體，微分頭的屯、軸向下伸入圓孔內(nèi)且可分離地頂?shù)衷诘?桿上;通過微分頭旋轉(zhuǎn)且屯、軸向下頂?shù)值稐UW使刀桿向下移動；凸環(huán)結(jié)構(gòu)與臺階結(jié)構(gòu)之間 還設(shè)有用于使刀桿向上復(fù)位的彈性件。
[0028] -實施例中：所述修盤裝置與工具頭及刀桿替換裝接在夾緊裝置，包括裝接在一 起的修盤刀具和修盤刀桿，修盤刀桿適配滑動裝接在夾緊裝置之圓孔內(nèi)且可在圓孔內(nèi)上下 移動;修盤刀具固接在修盤刀桿下端；
[0029] 或，
[0030] 所述修盤裝置包括裝接在一起的動力頭和單點磨頭。
[0031] -實施例中：所述修盤刀具為金剛石車刀、CBN車刀。
[0032] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案之二是：
[0033] 上述的單顆磨粒連續(xù)劃擦試驗機的試驗方法，包括：
[0034] 1)將試件固定在電主軸上，試件可通過電主軸旋轉(zhuǎn);對該試件進(jìn)行在線動平衡；
[0035] 2)電主軸帶動試件旋轉(zhuǎn)，采用修盤裝置在微分頭帶動下W-定切深并在X向進(jìn)給 裝置帶動下沿試件徑向進(jìn)給，從試件外側(cè)沿徑向切入試件對該試件表面進(jìn)行修盤，W在試 件表面形成修盤區(qū)域；
[0036] 3)記修盤時微分頭的讀數(shù)為Z1，控制X向進(jìn)給裝置和微分頭進(jìn)給，使修盤裝置觸碰 Z軸設(shè)定器，記此時微分頭的讀數(shù)為Z2,則修盤后試件表面修盤區(qū)域與對刀儀的對刀平面的 高度差ho = Z1-Z2 ;換裝工具頭，同上觸碰Z軸設(shè)定器，并控制微分頭上移ho+S即可保證工具 頭頂端位于試件圓環(huán)形修盤區(qū)域平面上S處，完成對刀；
[0037] 4)通過X向進(jìn)給裝置將工具頭水平移至修盤區(qū)域的劃擦點正上方，并通過微分頭 下移S+apW使劃擦深度為ap;根據(jù)需測試的劃擦速度V和劃擦點所在的劃擦半徑R，通過
計算試件的設(shè)定轉(zhuǎn)速n;試件按照設(shè)定轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動，且工具頭通過X向進(jìn)給裝置沿 徑向進(jìn)給，W使磨粒在修盤區(qū)域劃擦形成螺旋形劃痕，此過程中通過與工具頭相連的測量 系統(tǒng)采集劃擦過程中的數(shù)據(jù)。
[0038] 本技術(shù)方案與【背景技術(shù)】相比，它具有如下優(yōu)點：
[0039] 本發(fā)明的單顆磨粒高速連續(xù)劃擦試驗機，采用修盤刀具控制試件表面質(zhì)量，使得 劃擦過程中磨粒和試件能穩(wěn)定地接觸，達(dá)到更小的穩(wěn)定劃痕深度，保證劃擦過程的高精度； 并采用高速電主軸帶動試件旋轉(zhuǎn)而工具頭沿徑向進(jìn)給的劃擦方式，實現(xiàn)高速度劃擦;從而 實現(xiàn)了高速度、高精度的單顆磨粒連續(xù)劃擦測試;同時，本發(fā)明的單顆磨粒高速連續(xù)劃擦試 驗機可W提供穩(wěn)態(tài)劃擦過程，比單擺式劃擦試驗方法更容易準(zhǔn)確采集切削力、聲發(fā)射信號 等劃痕過程的物理量;其測試結(jié)果可W用于磨削加工機理的深入研究，從而優(yōu)化磨削加工 參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
【附圖說明】
[0040] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0041 ]圖1為本發(fā)明單顆磨粒連續(xù)劃擦試驗機的正視示意圖。
[0042] 圖2為本發(fā)明單顆磨粒連續(xù)劃擦試驗機的俯視示意圖。
[0043] 圖3為本發(fā)明單顆磨粒連續(xù)劃擦試驗機的局部放大示意圖，圖中示出X向進(jìn)給裝 置，微分頭，夾緊裝置，工具頭及相關(guān)部件的連接關(guān)系。
[0044] 圖4為本發(fā)明的夾緊裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0045] 圖5為圖4中A-A剖面示意圖。
[0046] 圖6為本發(fā)明的修盤裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0047] 圖7為本發(fā)明實驗例中修盤前后試件表面=維形貌的對比，其中圖7a為修盤前(經(jīng) 常規(guī)精車工藝加工），圖化為修盤后。
[004引圖8為本發(fā)明實驗例中修盤前后試件表面端面