CN104568628A - 一种单颗磨粒多级速度条件下的磨削实验方法 - Google Patents

Abstract

一种单颗磨粒多级速度条件下的磨削实验方法，涉及材料测试和精密加工技术领域；本发明首先制备单颗磨粒刀具，通过显微镜获取磨粒表面信息，然后将圆盘状工件安装在数控机床电主轴刀柄上，磨抛工件以达到圆柱度和粗糙度要求，并通过电主轴转速与工件尺寸的选取获得不同的切削线速度，随后将单颗磨粒刀具固定在数控机床工作台上，通过精密测力仪和工业相机完成对刀，根据测试要求设定数控参数并完成切削后，使用显微镜对磨粒和工件进行测量，结合力信号计算磨削比、磨削功率等参数，从而分析不同工艺参数下的磨削机理；本发明能够有效模拟单颗磨粒与工件在不同速度条件下发生的实际切削作用，尤其为高速/超高速条件下的磨削表面创成机理研究提供了实验平台。

Description

一种单颗磨粒多级速度条件下的磨削实验方法

技术领域

本发明属于材料测试和精密加工技术领域，具体涉及一种单颗磨粒多级速度条件下的磨削实验方法。

背景技术

磨削机理的研究是精密及超精密加工研究中的难点。砂轮是磨削加工中的关键执行元件，其表面形貌特征及力学特性对工件表面质量有重要作用。砂轮表面由大量形状无规则、随机分布的磨粒组成，因此磨削过程究其本质是这些磨粒共同完成的微量切削过程的集合，将单颗磨粒切削行为作为磨削加工的基本模式，是探索复杂磨削机理的一种有效方法。

在实验装置上，目前应用于单颗磨粒磨削实验的成熟设备主要是划痕仪，如美国MTS公司的Nano Indenter XP划痕仪，美国HYSITRON公司的TriboIndenter划痕仪，美国NANOVEA公司的SMT划痕仪和和瑞士CSM公司的NST划痕仪等。这些专业的划痕设备具有精度高、稳定性好、可实时监控等优势，但是这些装置价格较高，且实验速度远远低于实际磨削加工过程中的砂轮线速度，对于研究高速及超高速磨削机理更是困难。近年来，国内外学者自行开发设计了一些用于研究单颗磨粒磨削机理的实验装置，这些装置可以达到磨削时砂轮的实际线速度，甚至可以模拟高速及超高速磨削，如MoyseAllan H在专利申请号US7302831B2中公开了一种Scratch Testing device和姚振强在专利申请号201010300985.1中公开了一种光学玻璃划擦测试装置，均是通过调节主轴转速来获得不同的划擦速度，为以后的研究者来设计实验平台提供了借鉴依据。

在实验方法上，根据磨粒与工件相对运动轨迹可分为钟摆实验法和划擦实验法。基于钟摆式的单颗磨粒磨削实验方法，Brecker和Shaw对单颗磨粒的耕犁作用和尺寸效应进行了研究；Matsuo和Toyoura用不同形状的超硬磨料研究了磨粒形状对切削力的影响；Ohbuchi和Matsuo分别对单颗CBN和金刚石磨削的磨削力和磨屑形成机理进行了研究；Vingsbo和Hogmark研究了磨粒的磨损情况；黄奇和任敬心研究了CBN、碳化钨和碳化硅三种磨料磨削钛合金的磨削特性。基于划擦式的单颗磨粒磨削实验方法，韦秋宁对单晶硅磨削过程中的脆性-延性转变和临界切削深度进行了研究；Kato研究了磨削过程中材料的去除率；Matsuo采用粒度为14/20的CBN和金刚石磨粒对钢和氧化铝进行了微观切削试验；Brinksmeier研究了低速条件下磨削速度和磨屑厚度对淬火钢磨屑形成机理的影响。上述实验为深入研究单颗磨粒的磨削行为提供了基础，但是这些方法为使实验便于操作，所使用的磨粒粒度均较大，回避了小粒度磨粒对刀较难的问题，并且实验速度也较低，与实际砂轮上单颗磨粒的磨削过程有一定差距，更无法开展高速及超高速磨削实验。为此，设计并完善可适用于高速/超高速条件下的具有高仿真性的单颗磨粒磨削实验装置及方法极为必要。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种单颗磨粒多级速度条件下的磨削实验方法，能够有效模拟在实际磨削过程中砂轮上的单颗磨粒与工件发生的相互作用，可用于单颗磨粒在多种速度下的磨削机理研究，尤其是在高速/超高速条件下的表面创成机理的研究。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种单颗磨粒多级速度条件下的磨削实验方法，包括如下步骤：

步骤1：单颗磨粒刀具制备及观测：制备单颗磨粒刀具，并根据实验要求，将不同种类、不同粒度的磨料镶嵌在单颗磨粒刀具基体顶部，并保证磨粒具有足够的把持力和出刃高度；通过显微镜获取磨粒表面形貌图像信息和体积、出刃高度数据信息，便于磨削前后对照；

步骤2：实验前工件准备：将圆盘状工件安装在数控机床电主轴刀柄上，先粗车再精磨，保证工件圆周表面粗糙度Ra低于2μm，便于对刀；若所需工件转速较高，需对刀柄-工件整体调试动平衡；

步骤3：将单颗磨粒刀具固定在数控机床工作台上，单颗磨粒刀具下面安装有精密测力仪，精密测力仪将采集到的力信号依次通过放大器、数据采集卡，显示在数据处理PC机上，用于控制对刀及记录磨削过程的力信号；调整工业相机机架的角度与高度，使单颗磨粒刀具顶部磨粒出现在相机镜头视野里；

步骤4：移动电主轴使工件与磨粒缓慢靠近，当在工业相机图像中观察到工件与磨粒接触且精密测力仪有较大力信号峰值显示时则对刀完成；

步骤5：沿Z轴方向移动工件使之与磨粒分开，设定测试要求的工件转速、切削深度、进给速度、进给距离参数，启动数控程序，使工件以设定转速自转的同时以一定的进给速度沿Z轴运动，磨粒在工件表面以螺旋线轨迹进行恒定线速度、恒定切深或变切深的磨削，留下螺旋线划痕，精密测力仪记录磨削过程的力信号，同时在工业相机采集到的图像中能够直接观察到磨粒在磨削前后的变化；在切削过程中通过数控程序改变工件沿刀具轴线方向位移实现变切深切削，并借助工业相机对磨粒切削深度的变化量进行控制和查看；

步骤6：实验后观测：通过显微镜获取磨削后磨粒表面形貌及体积、出刃高度信息，使用快速成型的固化树脂复刻工件表面螺旋线轨迹形貌，对复刻件进行形貌观测，并结合力信号计算磨削比、磨削功率、磨削力比参数，进一步分析磨削机理。

所述工件为中间带孔的圆盘状，套装在刀柄前端圆柱轴上，通过真空或是磁吸附方式安装在数控机床电主轴上，通过电主轴转速与工件直径尺寸的组合获得不同线速度，获得高速或是超高速条件；当所述工件尺寸确定时，工件转速通过公式计算，其中v为测试要求的工件外圆周面线速度，d为圆盘状工件直径，n为电主轴即工件转速。

所述工业相机使用高帧率、高分辨率且带有变焦和录像功能的工业相机。

所述制备的单颗磨粒刀具包括刀头1和刀身2，其中刀头1为锥形，在刀头前端平面上可通过电镀的方式镶嵌一颗磨粒，刀身2为四棱柱形，在其侧面加工有两个沉头孔3，便于安装和定位，可通过两个螺栓将刀具固定在精密测力仪上。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

本发明实验方法，可有效模拟实际砂轮表面单颗磨粒与工件相互作用的微去除过程，用于研究不同种类与粒度的磨料在不同线速度、不同切深等条件下与不同工件的磨削机理，尤其为高速及超高速条件下磨削机理的研究提供了实验平台，为实际磨削加工过程中磨粒的选择提供实验依据。工业相机的使用既保证了对刀的精准性，解决了小粒度磨粒对刀较难的问题，又可在线观察磨粒在磨削前后的表面形貌变化，了解磨粒与工件之间的磨削作用；精密测力仪记录单颗磨粒在磨削过程中与工件相互作用的力信号，可用于进一步计算磨削功率、磨削力比等参数；通过测量磨削后磨粒的体积变化及工件圆周表面的磨削痕迹，可分析比较不同条件下的磨削比、材料去除率，为砂轮的磨料选择与磨削的参数优化提供实验依据；采用快速成型的固化树脂对工件外圆周表面特征进行复刻，在不破坏工件的情况下就可对表面形貌进行观测，降低成本，提高效率。

附图说明

图1为本发明实验方法原理示意图。

图2a为本发明中单颗磨粒刀具立体图，图2b为本发明中单颗磨粒刀具剖视图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明一种单颗磨粒多级速度条件下的磨削实验方法，包括如下步骤：

步骤1：单颗磨粒刀具制备及观测：按照图2所示外观制备单颗磨粒刀具，并根据实验要求，将不同种类、不同粒度的磨料镶嵌在单颗磨粒刀具刀头1前端的平面上。若以电镀或是化学镀方式对磨料进行镶嵌，磨料被覆埋部分比例可选为60％左右，该比例可同时保证磨粒具有足够的把持力和有效的出刃高度；对刀头1前端镶嵌面的加工应保证较高的平面度与平行度要求，同时对其尺寸选择，应尽可能降低电镀或化学镀工艺中的边缘效应对磨粒在切削及测量过程中的影响。刀具制备完成后，通过显微镜获取磨粒表面形貌图像信息和体积、出刃高度数据信息，便于磨削前后对照；

步骤2：实验前工件准备：将中间加工有圆孔的圆盘状工件安装在数控机床电主轴刀柄的圆柱轴上，并用刀柄螺母加以固定，先用车刀粗加工，再用油石条或是小磨轮精加工，保证工件外圆周表面粗糙度Ra低于2μm，便于切削对刀；当需要较高的工件转速以实现较高的切削线速度时，需对刀柄-工件整体调试动平衡。工件转速可依据工件尺寸及实验要求的线速度通过公式计算，其中v为工件外圆周面线速度，d为圆盘状工件直径，n为电主轴即工件转速；

步骤3：将单颗磨粒刀具固定在数控机床工作台上，单颗磨粒刀具下面安装有精密测力仪，精密测力仪将采集到的力信号依次通过电荷放大器、数据采集卡传送到数据处理PC机上，用于监控对刀信号以及记录磨削过程中的力信号；调整工业相机机架的角度与高度，使单颗磨粒刀具前端的磨粒出现在相机镜头视野里，调节工业相机工作参数及安装在镜头前端的照明光源，使图像足够清晰与明亮。若实验所用磨粒的粒度较小，可选用具有变焦功能的相机，先使用低倍率镜头找到磨粒并确定好磨粒在视野中的相对位置，再切换到高倍率镜头，使磨粒的物像更易被观察，方便精准对刀。

步骤4：通过数控机床发出的数控指令控制电主轴移动，使工件与磨粒缓慢靠近，当在工业相机图像中观察到工件与磨粒接触且精密测力仪有较大力信号峰值显示时，则表明对刀完成；

步骤5：沿Z轴方向移动电主轴，使工件与磨粒在Z轴方向分开，根据测试要求，在数控机床的数控系统中设定电主轴转速、切削深度、沿Z轴的进给速度和进给距离等参数，之后启动数控程序，使工件以设定转速自转的同时按照设置的切削深度和进给速度沿Z轴运动，磨粒则在工件表面以螺旋线轨迹进行恒定线速度的切削，留下螺旋线划痕，精密测力仪记录磨削过程的力信号，同时在工业相机采集到的图像中能够直接观察到磨粒与工件的切削状态及磨粒在磨削前后的形貌变化。若在切削过程中通过数控程序改变工件沿刀具轴线方向的位移，即改变切削深度时，则可实现变切深切削，借助工业相机控制并查看切削深度变化。

步骤6：实验后观测：通过显微镜获取磨削后磨粒表面形貌及体积、出刃高度信息，观测工件表面螺旋线轨迹形貌，结合力信号可分别计算磨削比、磨削功率、磨削力比等参数，进一步分析磨削机理。其中，对于工件表面的测量不必采用常规的切样-镶嵌-观测的模式，而是可以使用快速成型的固化树脂将工件外圆周表面的形貌特征复刻下来，然后再对其进行测量，从而反推工件形貌特征，这样，工件没有被破坏，其外圆周表面被重新修整磨抛之后可以被重复利用，降低了测试成本，提高了测试效率。

作为本发明的优选实施方式，所述工业相机使用高帧率、高分辨率且带有录像功能的工业相机，可清晰连续地观察并记录磨粒-工件的表面微去除过程，有助于切削前对刀，尤其可解决小粒度磨粒对刀较难的问题，并且可以在线实时观测磨粒与工件的切削状态及磨粒在切削前后的形貌变化。

如图2所示，所述制备的单颗磨粒刀具包括刀头1和刀身2，其中刀头1为锥形，在刀头前端平面上镶嵌一颗磨粒，刀身2为四棱柱形，在其侧面加工有两个沉头孔3，便于安装和定位，可通过两个螺栓将刀具固定在精密测力仪上。整个刀具类似于笔形，使得刀具前端磨粒能够更有效地与工件表面发生切削作用，避免在切削过程中发生运动干涉，且拆装方便，将刀具前端电镀层融掉后可被重复利用。

Claims (5)

1.一种单颗磨粒多级速度条件下的磨削实验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：单颗磨粒刀具制备及观测：制备单颗磨粒刀具，并根据实验要求，将不同种类、不同粒度的磨料镶嵌在单颗磨粒刀具基体顶部，并保证磨粒具有足够的把持力和出刃高度；通过显微镜获取磨粒表面形貌图像信息和体积、出刃高度数据信息，便于磨削前后对照；

步骤2：实验前工件准备：将圆盘状工件安装在数控机床电主轴刀柄上，先粗车再精磨，保证工件圆周表面粗糙度Ra低于2μm，便于对刀；若所需工件转速较高，需对刀柄-工件整体调试动平衡；

步骤3：将单颗磨粒刀具固定在数控机床工作台上，单颗磨粒刀具下面安装有精密测力仪，精密测力仪将采集到的力信号依次通过放大器、数据采集卡，显示在数据处理PC机上，用于控制对刀及记录磨削过程的力信号；调整工业相机机架的角度与高度，使单颗磨粒刀具顶部磨粒出现在相机镜头视野里；

步骤4：移动电主轴使工件与磨粒缓慢靠近，当在工业相机图像中观察到工件与磨粒接触且精密测力仪有较大力信号峰值显示时则对刀完成；

步骤5：沿Z轴方向移动工件使之与磨粒分开，设定实验要求的工件转速、切削深度、进给速度、进给距离参数，启动数控程序，使工件以设定转速自转的同时以一定的进给速度沿Z轴运动，磨粒在工件表面以螺旋线轨迹进行恒定线速度、恒定切深或变切深的磨削，留下螺旋线划痕，精密测力仪记录磨削过程的力信号，同时在工业相机采集到的图像中能够直接观察到磨粒在磨削前后的变化；

步骤6：实验后观测：通过显微镜获取磨削后磨粒表面形貌及体积、出刃高度信息，使用快速成型的固化树脂复刻工件表面螺旋线轨迹形貌，对复刻件进行形貌观测，并结合力信号计算磨削比、磨削功率、磨削力比参数，进一步分析磨削机理。

2.根据权利要求1所述的单颗磨粒多级速度条件下的磨削实验方法，其特征在于：所述工件为中间带孔的圆盘状，套装在刀柄前端圆柱轴上，通过真空或是磁吸附方式安装在数控机床电主轴上，通过电主轴转速与工件直径尺寸的组合获得不同线速度，获得高速或是超高速条件；当所述工件尺寸确定时，工件转速通过公式计算，其中v为测试要求的工件外圆周面线速度，d为圆盘状工件直径，n为电主轴即工件转速。

3.根据权利要求1所述的单颗磨粒多级速度条件下的磨削实验方法，其特征在于：所述工业相机使用高帧率、高分辨率且带有变焦和录像功能的工业相机。

4.根据权利要求1所述的单颗磨粒多级速度条件下的磨削实验方法，其特征在于：所述制备的单颗磨粒刀具包括刀头(1)和刀身(2)，其中刀头(1)为锥形，在其前端平面镶嵌一颗磨粒，刀身(2)为四棱柱形，在其侧面加工有两个沉头孔(3)，通过两个螺栓插入沉头孔(3)将刀具固定在精密测力仪上。

5.根据权利要求1所述的单颗磨粒多级速度条件下的磨削实验方法，其特征在于：所述工件在磨削后的形貌特征测量借助于快速成型的固化树脂，而非常规的切样-镶嵌-观测的测量模式，在不损坏工件的条件下对复刻件测量便可获得工件形貌信息。