CN103644960B - 一种超声辅助磨削加工动态振幅测量工具及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声辅助磨削加工动态振幅测量工具及测量方法。该测量工具包括钢基体、磨削加工区及振幅测量区。磨削加工区钎焊着有序排布的金刚石磨粒，振幅测量区钎焊有单颗金刚石磨粒。在一定磨削工艺参数下，对工件连续进行非超声磨削和超声辅助磨削。根据工艺参数和磨粒排布参数计算出磨削加工区单颗磨粒切厚，以表征磨削加工负载。同时单颗金刚石磨粒在工件表面产生非超声磨削划痕及超声辅助磨削划痕，测量出该非超声磨削划痕及超声辅助磨削划痕之间的垂直距离d，即为测量工具在相应负载条件下的动态振幅A’。本发明可精确实现超声辅助磨削加工过程中动态振幅的测量，解决了现有测量方法只能实现静态振幅测量的缺陷。

Description

一种超声辅助磨削加工动态振幅测量工具及测量方法

技术领域

本发明涉及超声辅助磨削加工技术，尤其是一种超声辅助磨削加工动态振幅的测量工具及测量方法。

背景技术

超声辅助磨削加工是集磨削加工及超声波加工于一体的复合加工技术，在难加工材料加工中具有广阔的应用前景。在超声辅助磨削加工中，金刚石磨料工具在高速旋转的同时以一定振幅沿工具轴向进行超声振动，再辅以某方向的进给运动实现加工。在这一过程中，工具振幅是一项重要的性能指标，它反映了超声振动系统输出功率的大小，直接影响到超声辅助磨削加工的效率，同时也是超声辅助磨削加工机理研究的一个重要参数。因此在超声辅助磨削加工设备的研制和使用中不可避免地要遇到振幅测量问题。

近年来，国内外研究人员针对超声辅助磨削加工工具振幅测量方法开展了一些研究，取得了一定的进展。目前常用的测量方法有工具显微镜直接测量法、激光多普勒测振仪测量法、加速度计法、光电测振法等。但是以上测量方法只能实现静态下工具振幅的测量，而在加工过程中由于冷却液、机床噪声等因素的干扰，上述测量方法已不再适用。目前有关研究中，一般均假设工具静态振幅等于工作状态下的振幅。而实际上加工过程中由于频率漂移、负载阻抗的影响，工具振幅会有所衰减。这样在对结果分析时就会忽略了工具振幅变化对的超声辅助磨削加工效率、加工机理等的影响，降低了分析结果的可信度，从而无法实现对超声辅助磨削加工过程的精确控制。因此，超声辅助磨削加工过程中的动态振幅测量非常重要。如何提供一种可以实现对超声辅助磨削加工动态振幅进行测量的方法成为本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现超声辅助磨削加工动态振幅的测量工具及测量方法，运用这种工具及方法可在等同于实际磨削加工工况负载的条件下对工具超声振动振幅进行测量，从而更准确的分析振幅对超声辅助磨削加工过程的影响。

本发明所涉及的超声辅助磨削加工动态振幅测量工具，包括圆柱形的钢基体，在钢基体圆周表面沿轴向分为磨削加工区和振幅测量区两个区，其中磨削加工区由有序排布的钎焊金刚石磨粒组成，振幅测量区则钎焊单颗金刚石磨粒。

所述的磨削加工区与振幅测量区之间的轴向距离为D,D>2A，其中A为超声辅助磨削工具静态振幅，这样可以保证磨削加工区产生的磨削划痕不会对用于进行动态振幅测量的单颗磨粒划痕产生干扰。

本发明所涉及的超声辅助磨削加工动态振幅测量方法，包括如下步骤：

1）对测试工件表面进行抛光处理至无明显划痕，获得试验工件。

2）选定磨削工艺参数，并按照如下公式计算出该条件下磨削加工区单颗磨粒切厚：

$h_m=2L\left(\frac{v_{\mathrm{\ω}}}{v_s}\right)\sqrt{\left(\frac{a_p}{d_s}\right)}$ 公式（1）

式中：

h_m—单颗磨粒切厚；L—工具周向磨粒间距；v_w—进给速度；v_s—磨削速度；a_p—磨削深度；d_s—工具直径。

3）利用超声辅助磨削加工动态振幅测量工具对工件抛光表面进行非超声磨削，磨削长度为l时终止，获得单颗金刚石磨粒非超声磨削划痕；然后开始进行超声辅助磨削，最终获得带有单颗磨粒非超声磨削划痕及超声辅助磨削划痕的工件表面。

4）在三维视频显微镜下对所述非超声磨削划痕及超声辅助磨削划痕进行观察，分别取定该非超声磨削划痕及超声辅助磨削划痕上边界或下边界，测量出其之间的垂直距离d，即为相应负载条件下超声辅助磨削加工过程中的动态振幅A’。

作为上述技术方案的进一步优化，所述步骤1）中的试验工件抛光表面粗糙度达到Ra<0.08，使得工件表面可清晰辨认磨粒磨削划痕，便于确定划痕边界。

本发明的工具主要针对超声辅助磨削加工动态振幅的测量。本发明的测量方法可实现在超声辅助磨削加工过程中获得清晰地单颗磨粒磨削划痕，并通过三维视频显微镜对普通磨削及超声辅助磨削划痕进行测量，实现实际超声辅助磨削工况条件下动态振幅的测量。本发明能有效克服现有振幅测量方法只适用于静态振幅测量的缺陷，实现超声辅助磨削加工过程中的动态振幅测量，测量结果精确，通用性强，易于实现。

附图说明

图1为超声辅助磨削加工动态振幅测量工具示意图。

图2超声辅助磨削加工过程示意图。

图3经过超声辅助磨削后的工件表面示意图。

图4测量磨削加工区与振幅测量区之间距离d的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。

如图1所示，本发明的超声辅助磨削动态振幅测量工具结构包括包括钢基体1、磨削加工区2、振幅测量区3，其中磨削加工区2分布均匀有序的金刚石磨粒，振幅测量区只有单颗金刚石磨粒，上述金刚石磨粒均是钎焊在基体上的。振幅测量区的单颗金刚石磨粒与磨削加工区的间距为D，D>2A（A为静态振幅）。

首先对工件表面进行抛光处理，为排除其他划痕对的测量过程的干扰，抛光表面粗糙度应至Ra0.08μm以下。

如图2、图3所示，采用所述的动态振幅测量工具，在一定的磨削工艺参数条件下对工件抛光表面分阶段进行非超声磨削及超声辅助磨削。在非超声磨削阶段，单颗金刚石磨粒在工件表面产生非超声磨削划痕5。而在超声辅助磨削阶段，单颗金刚石磨粒获得超声辅助磨削划痕6。同时，在超声辅助磨削加工阶段，磨削加工区可模拟实际磨削加工工况，获得正常磨削划痕7，并根据磨削工艺参数及磨粒间距按照公式（1）计算出单颗磨粒切厚h_m作为磨削加工负载的表征。

如图4所示，在三维视频显微镜下对单颗金刚石磨粒非超声磨削划痕5及超声辅助磨削划痕6进行观察，分别取定非超声磨削划痕5及超声辅助磨削划痕6上边界（或下边界），测量出其之间的垂直距离d，即为钎焊金刚石工具在超声辅助磨削加工过程中相应负载条件下的动态振幅A’。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种超声辅助磨削加工动态振幅测量工具，其特征在于：包括圆柱形的钢基体(1)，在钢基体(1)圆周表面沿轴向分为磨削加工区(2)和振幅测量区(3)两个区，其中磨削加工区(2)由有序排布的钎焊金刚石磨粒组成，振幅测量区(3)则钎焊单颗金刚石磨粒；

磨削加工区与振幅测量区之间轴向距离为D,D>2A，A为超声辅助磨削工具空载时的振幅，称为静态振幅。

2.一种采用权利要求1所述的动态振幅测量工具进行超声辅助磨削加工动态振幅测量的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)对测试工件表面进行抛光处理至无明显划痕，获得试验工件(4)；

2)选定工艺参数，并按照如下公式计算出该条件下磨削加工区单颗磨粒切厚：

$h_m=2L\left(\frac{v_{\mathrm{\&omega;}}}{v_s}\right)\sqrt{\left(\frac{a_p}{d_s}\right)}$ 公式(1)

式中：

h_m—单颗磨粒切厚；L—工具周向磨粒间距；v_w—进给速度；v_s—磨削速度；a_p—磨削深度；d_s—工具直径；

3)利用超声辅助磨削加工动态振幅测量工具对工件抛光表面进行非超声磨削，磨削长度为l时终止，获得单颗金刚石磨粒非超声磨削划痕(5)；然后开始进行超声辅助磨削，最终获得带有非超声磨削划痕(5)及超声辅助磨削划痕(6)的工件表面。

4)在三维视频显微镜下对所述非超声磨削划痕(5)及超声辅助磨削划痕(6)进行观察，分别取定该非超声磨削划痕(5)及超声辅助磨削划痕(6)上边界或下边界，测量出两划痕之间的垂直距离d，即为相应负载条件下超声辅助磨削加工过程中的动态振幅A’。

3.根据权利要求2所述的动态振幅测量工具进行超声辅助磨削加工动态振幅测量的方法，其特征在于：步骤1)中的试验工件抛光表面粗糙度Ra<0.08μm。