CN105571971B

CN105571971B - 金刚石刀具预修有色金属试件的磨粒连续划擦测试方法

Info

Publication number: CN105571971B
Application number: CN201610077924.0A
Authority: CN
Inventors: 姜峰; 张涛; 言兰; 徐西鹏
Original assignee: Huaqiao University
Current assignee: Huaqiao University
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2016-02-04
Publication date: 2019-01-25
Anticipated expiration: 2036-02-04
Also published as: CN105571971A

Abstract

本发明公开了金刚石刀具预修有色金属试件的磨粒连续划擦测试方法，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，通过将有色金属试件固定在电主轴上，对该试件进行在线动平衡；然后采用金刚石刀具对该试件进行修盘，达到测试所需的端面跳动以及粗糙度要求；随后换装顶端固接有单颗磨粒的工具头，并在更换过程中进行对刀；最后进入划擦测试，试件以指定转速旋转，工具头下切至指定切深，工具头径向进给，在试件端面形成螺旋形划痕，测量系统在此过程中采集划擦力、声发射信号等物理量。本发明能够保证磨粒和试件之间在较长划擦距离上的稳定接触，实现了高速高精度划擦，相关测试结果可用于摩擦磨损过程及磨削加工中材料去除机理的研究。

Description

金刚石刀具预修有色金属试件的磨粒连续划擦测试方法

技术领域

本发明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，具体涉及金刚石刀具预修有色金属试件的磨粒连续划擦测试方法。

背景技术

磨粒加工过程可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。细小磨粒的切削作用是磨削加工的基础，单颗磨粒的划擦、耕犁、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。

单颗磨粒的划擦、耕犁、切削行为的测试手段主要有四种形式：直线划擦、楔面划擦、球盘划擦和单摆划擦。对已有的大量文献和公开专利分析发现，四种测试方法存在相应的不足：直线划擦和楔面划擦测试的划擦速度不足(最高线速度仅4m/s)，难以很好的模拟磨粒加工过程(最高线速度可达200m/s)；球盘划擦测试方法实际上是一种典型的摩擦学测试方法，球盘摩擦过程中的材料去除方式与磨粒加工过程中的材料去除方式有很大不同，当达到稳定摩擦阶段，甚至没有材料去除，同时对摩擦盘的形状精度和表面光洁度要求非常高；单摆划擦测试被认为是最接近磨粒去除材料过程的一种测试手段，但是测试稳定性差，由于过短的磨粒-工件接触时间，切削力等材料去除过程物理量的采集成为一个难题。

一些公开的专利提出了单磨粒测试的改进方法，将单摆划擦测试方法进行改进，改变传统的工件静止、磨粒转动方式为磨粒静止、工件转动方式，从而获得更长的划痕，因此有更长的时间采集切削力等物理量，但是并未检索到这些专利相关的论文和产品，主要是因为这些专利方法的具体实施存在以下问题：由于划痕长度增加，对磨粒和工件相对运动精度要求大幅度提高，而上述方法均无法保持磨粒与工件间始终处于高精度的稳定接触状态，因此难以实现稳定划擦，更无法实现小粒度磨粒的高速高精度划擦测试。上述问题极大地制约了单颗磨粒划擦试验技术的进步。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了金刚石刀具预修有色金属试件的磨粒连续划擦测试方法，能够保证磨粒和试件之间在较长划擦距离上的稳定接触，实现了小粒度磨粒的高速高精度划擦，从而可以稳定、精确的采集单颗磨粒划擦过程中的切削力、切屑变形等物理量，相关测试结果可用于摩擦磨损过程及磨削加工中材料去除机理的研究。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

金刚石刀具预修有色金属试件的磨粒连续划擦测试方法，包括：

1)将有色金属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)采用金刚石单点刀具对该试件进行修盘，以在试件表面形成端面跳动量优于IT1级，表面平均粗糙度Ra优于5nm的修盘区域，具体步骤如下：

2-1)聚晶金刚石单点车刀修盘：立式车削模式，修盘时试件的转速范围为2000～10000rpm，聚晶金刚石单点车刀从试件外侧以10～50μm的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.4～ 1.2mm/s，进给距离为试件直径的1/4～1/2；

2-2)单晶金刚石单点车刀修盘：立式车削模式，修盘时试件的转速范围为2000～10000rpm，单晶金刚石单点车刀从试件外侧以2～10μm的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.1～0.3 mm/s，进给距离为试件直径的1/4～1/2；

3)金刚石单点刀具触碰对刀仪，确定修盘区域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修盘区域上方δ处，完成对刀；

4)将工具头水平移至修盘区域的划擦点正上方，并下移δ+a_p以使划擦深度为a_p；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。

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：所述试件为圆盘形。

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：所述步骤2)中，所述步骤2)中，修盘时金刚石单点刀具的进给距离小于试件半径，所述修盘区域为圆环形。。

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：所述的划痕为连续螺旋形划痕，划痕圈数大于3个。

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，本发明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。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1.本发明对主轴-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，利用单点金刚石超精密加工技术对试件进行在线加工，同时提高了试件的形状精度和表面光洁度，提升了试件回转精度和磨粒运动精度，从而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。

2.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；由于本发明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。

3.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，由于本发明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，进一步拓展了本发明的应用范围，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发明作进一步说明。

图1为本发明的测试方法原理示意图。

图2为本发明的修盘过程原理示意图。

图3为本发明实施例中修盘前后试件表面三维形貌的对比，其中图3a为修盘前(经常规精车工艺加工)，图3b为修盘后。

图4为本发明实施例中修盘前后试件表面端面跳动量的对比，其中图4a为修盘前(经常规精车工艺加工)，其端面跳动量最大值可达17.7μm；图4b为修盘后，其端面跳动量最大值为2.9μm。

图5为本发明实施例中划痕的三维形貌及其截面形状图(划擦深度20μm)，其中图5a为划痕的三维形貌示意图，图5b为划痕的截面形状图。

图6为本发明实施例中在不同划擦速度下的切削力变化示意图，其中图6a为法向切削力，图6b为切向切削力。

图7为本发明对比例中修盘区域和未修盘区域的单颗磨粒连续划擦测试结果示意图。

附图标记：试件1，工具头2，修盘区域3，对刀仪4，金刚石车刀5。

具体实施方式

下面通过实施例具体说明本发明的内容：

一种金刚石刀具预修有色金属试件的单颗磨粒连续划擦测试方法，所采用的装置包括：

机床，圆盘形有色金属试件1装接在机床的电主轴上，且试件1可通过电主轴旋转；

动平衡仪，用于对试件1进行在线动平衡；

金刚石单点刀具，为金刚石车刀5，具体是聚晶金刚石(PCD)单点车刀和单晶金刚石(ND) 单点车刀，用于对试件1端面进行修盘；该金刚石车刀5可装拆地装接在支架，并通过支架可移动地装接在机床；

工具头2，用于进行划擦测试；该工具头2顶端固接有单颗的磨粒；该工具头2可与金刚石单点刀具相替换装拆地装接在支架，并通过支架可移动地装接在机床；工具头2轴线平行于试件1旋转轴线，工具头2可以在试件1旋转的轴向方向和径向方向上移动，且在两个方向的定位精度均优于0.1μm；

对刀仪4，用于对金刚石单点刀具和工具头2进行对刀，定位精度优于0.1μm；装接在机床，并与试件1间的相对位置保持固定；

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；该工具头2与测力仪和声发射系统相连接；数据采集卡信号连接计算机。

具体测试方法如下：

1)将直径400mm、厚度20mm的铝合金圆盘形试件1用螺钉等机械夹具等方式固定在机床的电主轴上，试件1可通过电主轴旋转；用动平衡仪对该试件1进行在线动平衡，以减少试件1在高速旋转时的振动，从而保证划擦过程中磨粒和试件1能稳定地接触；

2)采用金刚石车刀5对该试件1进行修盘，先用聚晶金刚石单点车刀修盘，再用单晶金刚石单点车刀修盘，在试件1表面形成端面跳动量2.8μm，表面平均粗糙度Ra 3nm的圆环形修盘区域3，以降低试件1端面跳动量，提高表面质量，进一步保证划擦过程中磨粒和试件1 能稳定地接触，具体步骤为：

2-1)聚晶金刚石单点车刀修盘：立式超精密车削模式，修盘时试件1的转速为3000rpm，聚晶金刚石单点车刀从试件1外侧以10μm的切深沿试件1径向进给，进给速度范围为0.4～ 1.2mm/s，进给距离为100mm；

2-2)单晶金刚石单点车刀修盘：立式超精密车削模式，修盘时试件1的转速为3000rpm，单晶金刚石单点车刀从试件1外侧以2μm的切深沿试件1径向进给，进给速度范围为0.1～0.3 mm/s，进给距离为100mm；

修盘前后试件1表面三维形貌和端面跳动量的对比分别见图3和图4；

3)金刚石车刀5触碰对刀仪4，确定修盘区域3与对刀仪4对刀平面的高度差h₀；将金刚石车刀5从支架上取下，更换为顶端电镀固接有单颗半径为20μm的球形磨粒的工具头2，工具头2顶端逐渐靠近对刀仪4，当测量系统数据产生突变时表示工具头2顶端的磨粒刚好触碰对刀仪4对刀平面，再将工具头2沿试件旋转的轴向方向上移h₀+δ，以使工具头2顶端的磨粒位于试件1修盘区域3上方δ处，完成对刀，从而保证后续测试时能够准确控制划擦深度；

4)将工具头2水平移至修盘区域3的划擦点正上方，并下移δ+a_p以使划擦深度为a_p；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1的设定转速n；本实施例之中，n＝10000rpm，划擦速度v为157m/s(对应R＝150mm位置)～209m/s(对应 R＝200mm位置)，划擦深度a_p分别设定为5μm或20μm；试件1按照上述设定转速n转动，且工具头2沿径向以2m/s的速度进给，以使磨粒在修盘区域3划擦形成间距为200μm的连续螺旋形划痕，划痕圈数大于3个；划痕的三维形貌及其截面形状图如图5所示，可以看到多道划痕之间的深度方向误差小于1μm/1mm；

5)划擦过程中通过与工具头2相连的测力仪和声发射系统采集划擦过程中的数据，并通过信号放大器传输至数据采集卡，再传输至计算机进行计算，可得到划擦力、声发射信号等物理量，图6给出了不同划擦速度下的切削力变化情况，从图中可以看出单颗磨粒高速划擦过程中的法向力和切向力随着划擦速度的增大而减小。

本实施例之中，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。

根据需要，所述磨粒可以为金刚石、CBN(立方氮化硼)、氧化物陶瓷或氮化物陶瓷；磨粒形状还可以为圆锥形或多棱锥形；该磨粒通过机械夹持、电镀或钎焊固接在工具头顶端；所述工具头可以为压头或其他的固结磨粒形式。

根据需要，修盘的参数在如下范围内调整并进行一次或多次修盘，可在试件表面形成端面跳动量优于IT1级，表面平均粗糙度Ra优于5nm的修盘区域：

2-1)聚晶金刚石单点车刀修盘：立式车削模式，修盘时试件的转速范围为2000～10000rpm，聚晶金刚石单点车刀从试件外侧以10～50μm的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.4～ 1.2mm/s，进给距离为试件直径的1/4～1/2；或：

2-2)单晶金刚石单点车刀修盘：立式车削模式，修盘时试件的转速范围为2000～10000rpm，单晶金刚石单点车刀从试件外侧以2～10μm的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.1～0.3 mm/s，进给距离为试件直径的1/4～1/2。

对比例

取有色金属试件，经常规精车工艺加工后，将试件表面分为两个区域，其中一个区域按照本发明的修盘步骤进行修盘，使其表面质量达到端面跳动量优于IT1级，表面平均粗糙度Ra 优于5nm，记为修盘区域；另一区域不进行修盘，记为未修盘区域。

将上述试件采用本发明的测试方法进行单颗磨粒连续划擦测试，在相同测试参数下在修盘区域和未修盘区域上形成划痕，划痕深度很小，可达到微米级，其对比结果如图7所示，可以看出，在划痕深度很小的情况下，修盘区域的划痕形成连贯的螺旋形，呈均匀间隔分布，检测其深度方向误差小于1μm/1mm，表明磨粒和试件在修盘区域内的较长划擦距离上均能持续稳定接触，从而可以实现磨粒的高速高精度划擦测试；而未修盘区域的划痕不能形成连贯螺旋形，划痕间隔不一，划痕深浅、划痕宽度均具有肉眼可见的差异性，表明磨粒和试件之间无法持续稳定接触，难以实现磨粒的高速高精度划擦测试。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims

1.金刚石刀具预修有色金属试件的磨粒连续划擦测试方法，其特征在于：包括：

2-1)聚晶金刚石单点车刀修盘：立式车削模式，修盘时试件的转速范围为2000～10000rpm，聚晶金刚石单点车刀从试件外侧以10～50μm的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.4～1.2mm/s，进给距离为试件直径的1/4～1/2；

2-2)单晶金刚石单点车刀修盘：立式车削模式，修盘时试件的转速范围为2000～10000rpm，单晶金刚石单点车刀从试件外侧以2～10μm的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.1～0.3mm/s，进给距离为试件直径的1/4～1/2；

3)金刚石单点刀具触碰对刀仪，所述对刀仪的定位精度优于0.1μm；确定修盘区域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修盘区域上方δ处，完成对刀；

2.根据权利要求1所述的金刚石刀具预修有色金属试件的磨粒连续划擦测试方法，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的金刚石刀具预修有色金属试件的磨粒连续划擦测试方法，其特征在于：所述试件为圆盘形。

4.根据权利要求1所述的金刚石刀具预修有色金属试件的磨粒连续划擦测试方法，其特征在于：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。

5.根据权利要求4所述的金刚石刀具预修有色金属试件的磨粒连续划擦测试方法，其特征在于：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。

6.根据权利要求3所述的金刚石刀具预修有色金属试件的磨粒连续划擦测试方法，其特征在于：所述步骤2)中，修盘时金刚石单点刀具的进给距离小于试件半径，所述修盘区域为圆环形。

7.根据权利要求1所述的金刚石刀具预修有色金属试件的磨粒连续划擦测试方法，其特征在于：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。

8.根据权利要求1所述的金刚石刀具预修有色金属试件的磨粒连续划擦测试方法，其特征在于：所述的划痕为连续螺旋形划痕，划痕圈数大于3个。

9.根据权利要求1所述的金刚石刀具预修有色金属试件的磨粒连续划擦测试方法，其特征在于：所述工具头轴线平行于试件旋转轴线。