CN105717002B - 一种单颗磨粒高速连续划擦干涉行为测试机及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单颗磨粒高速连续划擦干涉行为测试机及其应用，主要包括固定座，工作台，电主轴，试件，X向进给装置，Z向进给装置，夹紧装置，工具头，修盘装置，测量系统，对刀仪等；通过修盘装置对试件表面修盘后，电主轴带动试件旋转通过修盘装置对试件表面修盘后，电主轴带动试件旋转，通过Z向进给装置和X向进给装置带动工具头以一定切深沿试件径向进给，磨粒在试件表面划擦形成预定干涉程度的划痕，测量系统在此过程中采集数据。本发明可以在高速条件下准确测得单颗磨粒划擦力，测试精度较高，能够模拟高速磨削过程磨粒间的干涉行为，相关测试结果可用于磨削机理的深入研究以及磨削参数的优化。
Description
技术领域
本发明属于机械加工中的材料测试及精密与超精密加工领域，具体涉及一种单颗磨粒高速连续划擦干涉行为测试机及其应用。
背景技术
磨削过程可以看作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，来探讨一些本质的问题。构成砂轮的细小磨粒的切削作用是磨削加工的基础，单颗磨粒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。实际磨削过程中，砂轮等磨具上的磨粒在已加工表面的同一位置上发生干涉，使磨粒去除材料的形式复杂化，因此磨粒加工中已加工表面的形成往往是同一位置上多颗磨粒切削、耕犁或划擦作用的结果，因此研究多颗磨粒在表面上的干涉作用对分析磨削过程中的力、温度、材料的成屑机理以及工件加工表面质量具有重要的指导意义。
许多学者在单颗磨粒划擦实验上做了大量的工作，发展了相关的试验方法及其装置，但是由于试验手段和试验装置的欠缺，都没有考虑多颗磨粒相互干涉的影响，多颗磨粒相互干涉的研究还大多停留在仿真阶段，如利用布尔运算仿真磨粒干涉过程的材料去除，或利用数值仿真方法对多颗磨粒的干涉过程进行建模分析。也有少量研究多颗磨粒相互干涉影响的装置，如将多颗磨粒以一定的相对角度和径向间距排列，划擦的时候产生干涉的效果，但是多颗磨粒在径向间距上的排列误差较大(分辨率10μm)，因此多颗磨粒发生干涉时，实际干涉量的控制精度不高于10μm，因此只能进行一些大尺寸(大于100μm)磨粒的干涉测试，同时设备结构复杂，调整过程很大程度上依赖于操作者的经验，没有实现自动化调整及位置反馈控制，因而难以实现高精度的干涉行为测试。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种单颗磨粒高速连续划擦干涉行为测试机及其应用，可以实现通过单颗磨粒做出多颗磨粒的划擦干涉行为，且设备结构简单，磨粒干涉量的控制精度高；相关测试结果可以用于磨削加工机理和磨削表面形成过程的深入研究，从而优化磨削加工参数，提高产品质量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
一种单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机，包括：
固定座；
水平布置的工作台，固接在固定座顶部；
垂直布置的电主轴，固接在固定座，且电主轴向上穿出工作台；
试件，固接在电主轴顶部且与电主轴同轴，通过电主轴带动试件旋转；
X向进给装置，装接在工作台，且进给方向垂直于电主轴回转轴线并沿试件径向进给；
Z向进给装置，装接在X向进给装置，且进给方向平行于电主轴回转轴线；
夹紧装置，可装拆地装接在Z向进给装置；
工具头，可装拆地装接在夹紧装置；工具头顶端固接有磨粒；
用于对试件表面进行修盘的修盘装置，可装拆地装接在Z向进给装置；
用于采集划擦过程数据的测量系统，与工具头相连；
对刀仪，固接在工作台，该对刀仪上设有用于调节对刀仪的Z轴设定器；
通过修盘装置对试件表面修盘后，电主轴带动试件旋转，通过Z向进给装置和X向进给装置带动工具头以一定切深沿试件径向进给，磨粒在试件表面划擦形成预定干涉程度的划痕，测量系统在此过程中采集数据。
一实施例中：所述固定座包括上下固接的床身与底座；所述工作台固接在床身顶部；所述电主轴固接在床身；
所述工作台与固定座之间设有一能调平和支撑工作台的调整装置；
所述工作台上固接有支撑架，该支撑架包括对称设置的长度不等的两个支撑臂，较短的支撑臂与工作台之间设有一能调整较短支撑臂高度的微调装置；所述X向进给装置固定在该两个支撑臂顶部；通过微调装置调整较短支撑臂高度以调节X向进给装置进给方向；所述微调装置的最小位移分辨率优于10nm。
一实施例中：所述电主轴旋转的端面跳动量和径向跳动量均小于1μm，且其最大转速不低于5000rpm。
一实施例中：所述试件为有色金属、黑色金属或脆硬材料制成的圆盘状结构；试件通过试件夹具固接在电主轴顶部；所述试件夹具为真空吸盘、磁吸盘或机械式夹具；电主轴、试件夹具与试件三者同轴；
所述磨粒为金刚石，CBN，氧化物陶瓷或氮化物陶瓷；磨粒的形状为球形、锥形；该磨粒通过压头、钎焊、电镀固接在工具头顶端。
一实施例中：X向进给装置的进位精度优于0.1μm；Z向进给装置的进位精度优于0.1μm；Z轴设定器的定位精度优于0.1μm。
一实施例中：所述测量系统为测力仪与声发射系统，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；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：所述夹紧装置包括：
夹具体，固接在Z向进给装置；该夹具体内设有上下布置且相互连通的沉头孔与锥孔；
拉杆，装接在夹具体沉头孔内且拉杆伸出夹具体上表面之外；该拉杆上设有至少两个止推轴承；所述止推轴承均位于夹具之沉头孔内，且上方的止推轴承的座圈上端面略高于夹具体上表面；
端盖，固接在夹具体上表面；该端盖上设有通孔，拉杆从该通孔伸出；通过端盖将止推轴承与轴环限制在夹具体的沉头孔；
手轮，适配装接在拉杆顶端；
刀杆，该刀杆具有与锥孔适配的锥体结构，该锥体结构位于锥孔内以使刀杆与夹具体形成锥连接；刀杆适配装接在拉杆下且刀杆下部伸出夹具体下表面之外；所述工具头可装拆地螺接在刀杆下部。
一实施例中：所述修盘装置与工具头及刀杆替换装接在夹紧装置，包括装接在一起的修盘刀具和修盘刀杆，修盘刀杆具有与夹具体锥孔适配的锥体结构，该修盘刀杆可装拆地装接在拉杆；或，
所述修盘装置与夹紧装置替换装接在Z向进给装置，包括装接在一起的动力头和单点磨头。
一实施例中：所述修盘刀具为金刚石车刀、CBN车刀。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：
上述的单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机的试验方法，包括：
1)将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)电主轴带动试件旋转，采用修盘装置在Z向进给装置带动下以一定切深并在X向进给装置带动下沿试件径向进给，从试件外侧沿径向切入试件对该试件表面进行修盘，以在试件表面形成修盘区域；
3)记修盘时Z向进给装置的坐标值为z1，控制X向进给装置和Z向进给装置进给，使修盘装置触碰Z轴设定器，记此时Z轴设定器的坐标值记为z2，则修盘后试件表面修盘区域与对刀仪的对刀平面的高度差h0＝z1-z2；换装工具头，同上触碰Z轴设定器，并控制Z向进给装置上移h0+δ即可保证工具头顶端位于试件圆环形修盘区域平面上δ处，完成对刀；
4)通过X向进给装置将工具头水平移至修盘区域的划擦点正上方，并通过Z向进给装置下移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，通过计算试件的设定转速n；根据需测试的干涉比率ρ，单颗磨粒的圆弧半径r，划擦深度ap，通过计算工具头的径向进给速度s；试件按照设定转速n转动，且工具头通过X向进给装置按照径向进给速度s沿试件径向进给，以使磨粒在修盘区域划擦形成预定干涉程度的划痕，划痕圈数大于2个；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。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
本发明的单颗磨粒高速连续划擦干涉行为测试机，采用修盘刀具控制试件表面质量，使得划擦过程中磨粒和试件能稳定地接触，达到更小的稳定划痕深度，保证划擦过程的高精度；并采用高速电主轴带动试件旋转而工具头沿径向进给的划擦方式，实现高速度划擦；从而实现了高速度、高精度的单颗磨粒连续划擦测试，测试过程中可以准确稳定的采集到数据。同时，本发明的单颗磨粒高速连续划擦干涉行为测试机结合超精密加工修盘和精密运动反馈控制，利用单颗磨粒即可做出多颗磨粒的划擦干涉行为，且可用于研究不同划擦速度、不同划擦深度、不同干涉程度下干涉行为；设备结构简单，磨粒干涉量的控制精度高；相关测试结果可以用于磨削加工机理和磨削表面形成过程的深入研究，从而优化磨削加工参数，提高产品质量。
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为本发明单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机的正视示意图。
图2为本发明单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机的俯视示意图。
图3为本发明单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机的局部放大示意图，图中示出X向进给装置，Z向进给装置，夹紧装置，工具头及相关部件的连接关系。
图4为本发明的夹紧装置结构示意图。
图5为本发明的修盘装置结构示意图。
图6为本发明的干涉行为示意图，其中图6a为干涉划痕示意图，图6b为干涉行为测试原理示意图。
图7为本发明实验例中修盘前后试件表面三维形貌的对比，其中图7a为修盘前(经常规精车工艺加工)，图7b为修盘后。
图8为本发明实验例中修盘前后试件表面端面跳动量的对比，其中图8a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8b为修盘后，其端面跳动量最大值为2.9μm。
图9为本发明实验例中切削深度对切削力的影响情况示意图，图中vs即为工具头径向进给速度s。
图10为本发明实验例中切削线速度对切削力的影响情况示意图。
图11为本发明实验例中干涉比率对切削力的影响情况示意图，图中vs即为工具头径向进给速度s。
图12为本发明实验例中不同干涉比率的情况下对半径为0.1mm磨粒的切削力比的影响情况示意图。
附图标记：底座1，床身2，电主轴3，调整螺钉4，工作台5，微调装置6，支撑架7，Z轴设定器8，X向直线电机9，X向直线电机动子9a，X向直线电机定子9b，Z向直线电机10，Z向直线电机动子10a，Z向直线电机定子10b，测力仪11，夹紧装置12，夹具体12a，端盖12b，止推轴承12c，拉杆12d，手轮12e，圆头螺钉12f，内六角螺钉12g，刀杆13，工具头14，试件15，试件夹具16，修盘装置17，修盘刀杆17a，修盘刀具17b。
具体实施方式
下面通过实施例具体说明本发明的内容：
实施例
请查阅图1至图5，一种单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机，包括：
固定座，包括上下布置并用螺栓固接的床身2与底座1；床身2为铸铁结构，可以保证试验机的整体刚度，同时具备一定的吸振能力；
水平布置的工作台5，固接在床身2顶部；工作台5与床身2之间设有一调整装置，为调整螺钉4，用于调平工作台5，并对工作台5起一定的支撑作用，以增加工作台5的刚度；工作台5中部为孔结构；
垂直布置的电主轴3，固接在床身2，且电主轴3向上从工作台5的孔结构中穿出工作台5；所述电主轴3可以为电动机直联主轴或电动机经中间传动、变速装置驱动主轴，其旋转的端面跳动量和径向跳动量均小于1μm，且其最大转速不低于5000rpm；
试件15，为有色金属、黑色金属或脆硬材料制成的圆盘状结构，通过试件夹具16固接在电主轴3顶部；所述试件夹具16为真空吸盘、磁吸盘或机械式夹具；当试件15较薄或者试件15是硬脆材料时选用真空吸盘，当试件15是铁磁性材料时可选用磁吸盘；电主轴3、试件夹具16与试件15三者同轴；通过电主轴3带动试件15进行高速旋转；
X向进给装置，为进位精度优于0.1μm的X向直线电机9，通过进给控制系统控制，且该定位精度由光栅尺及其相应的位置反馈系统配合控制来保证；所述工作台5上固接有支撑架7，该支撑架7包括对称固接的长度不等的两个支撑臂，较短的支撑臂与工作台5之间设有一能调整较短支撑臂高度的微调装置6；较长的支撑臂直接固接在工作台5上；所述X向直线电机9水平固定在该两个支撑臂顶部；所述微调装置6为手动微调旋钮，最小位移分辨率至少达到10nm或更佳；通过微调装置6调整第较短支撑臂高度，从而调节X向直线电机9的进给方向，使其垂直于电主轴3回转轴线，以使X向直线电机9可沿试件15径向进给；
Z向进给装置，为进位精度优于0.1μm的Z向直线电机10，通过进给控制系统控制，且该定位精度由光栅尺及其相应的位置反馈系统配合控制来保证；Z向直线电机10固接在X向直线电机动子9a之上，Z向直线电机10进给方向平行于电主轴3回转轴线，即Z向直线电机10可以上下进给；
夹紧装置12，固接在Z向进给装置，该夹紧装置12能保证装夹方便快捷，且装夹后整体刚度较大，如图4所示，具体包括夹具体12a，拉杆12d，端盖12b，手轮12e，刀杆13等，其中：
夹具体12a，固接在Z向直线电机10；该夹具体12a内设有上下布置且相互连通的沉头孔与锥孔；
拉杆12d，装接在夹具体12a沉头孔内且拉杆12d伸出夹具体12a上表面之外；该拉杆12d上设有轴环，两个止推轴承12c装接在拉杆12d上且分别紧贴轴环的两个端面，该轴环的两个端面分别用于两个止推轴承12c的安装定位，两个止推轴承12c可以消除拉杆12d旋转时的摩擦力；所述轴环与两个止推轴承12c均位于夹具体12a之沉头孔内，且上方的止推轴承的座圈上端面略高于夹具体12a上表面；
端盖12b，该端盖12b上设有通孔，通过该通孔套接在拉杆12d外且拉杆12d从该通孔伸出；端盖12b上设有两个对称布置的沉头孔，两个内六角螺钉12g通过沉头孔将端盖12b固接在夹具体12a上表面；端盖12b将止推轴承12c与轴环限制在夹具体12a的沉头孔，且通过调整内六角螺钉12g的松紧程度可以调整止推轴承12c的预紧力；
手轮12e，该手轮12e圆周表面滚花，其中心具有方形孔；所述拉杆12d顶端为方形结构，方形结构的厚度略小于手轮12e厚度；手轮12e通过该方形孔与拉杆12d顶端的方形结构适配装接，并通过一圆头螺钉12f将手轮12e压紧固接在拉杆12d顶端；以及，
刀杆13，该刀杆13具有与锥孔适配的锥体结构，该锥体结构位于锥孔内以使刀杆13与夹具体12a形成锥连接；最好，所述锥孔的锥度为7:24；所述锥体结构的锥度为7:24；锥体结构上端面设有螺纹孔，所述拉杆12d下段具有外螺纹结构，通过该外螺纹结构与锥体结构上端面的螺纹孔相配合装拆螺接，以使拉杆12d拉紧刀杆13，且刀杆13下部伸出夹具体12a下表面之外；刀杆13下端面设有另一螺纹孔；
本发明的单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机还包括：工具头14，顶端固接有磨粒；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；磨粒的形状可以为球形、锥形，圆锥形，多棱锥形；该磨粒通过压头、钎焊、电镀固接在工具头14顶端；所述工具头14尾部为另一外螺纹结构，通过该另一外螺纹结构与刀杆13的另一螺纹孔相配以使工具头14可装拆地螺接在刀杆13下部；
另设有与工具头14及刀杆13替换的可装拆地装接在夹紧装置12的修盘装置17，如图5所示，该修盘装置17包括装接在一起的修盘刀具17b和修盘刀杆17a，修盘刀杆17a具有与夹具体12a锥孔适配的锥体结构，该修盘刀杆17a可与刀杆13替换装接在拉杆12d；所述修盘刀具17b为金刚石车刀、CBN车刀；当试件15为黑色金属时优选使用CBN车刀，当试件15为有色金属时优选金刚石车刀；或者，修盘装置也可以为与夹紧装置12替换装接于Z向进给装置的带有单点磨头的动力头，用于对黑色金属及硬脆材料制成的试件修盘；还包括，
用于采集划擦过程数据的测量系统，为测力仪与声发射系统，包括相互信号连接的测力仪11、声发射系统、数据采集卡和信号放大器；测力仪11固定在Z向直线电机动子10a上；所述夹紧装置可以固接在测力仪11上；所述工具头14与测力仪11和声发射系统相连接；所述测力仪11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；
对刀仪，固接在工作台，该对刀仪上设有用于调节对刀仪的Z轴设定器8，Z轴设定器的定位精度优于0.1μm。
上述单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机的试验方法，包括：
1)将试件15固定在电主轴3上，试件15可通过电主轴3旋转；对该试件15进行在线动平衡，以减少试件15在高速旋转时的振动，从而保证划擦过程中磨粒和试件15能稳定地接触；
2)电主轴3带动试件15旋转，修盘装置17在Z向直线电机10带动下以一定切深并在X向直线电机9带动下沿试件15径向进给，从试件15外侧沿径向切入试件15对该试件15表面进行修盘，以在试件表面形成圆环形修盘区域；修盘可以降低试件15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15能稳定地接触：试件修盘区域的表面质量最好达到轴向跳动量优于IT1级，表面平均粗糙度Ra优于3nm；
3)记修盘时Z向直线电机10的坐标值为z1，控制X向直线电机9和Z向直线电机10进给，使修盘装置17触碰Z轴设定器8，记此时Z轴设定器8的坐标值为z2，则修盘后试件15表面修盘区域与对刀仪的对刀平面的高度差h0＝z1-z2；换装工具头14，同上触碰Z轴设定器8，并控制Z向直线电机10上移h0+δ即可保证工具头14顶端磨粒位于试件15圆环形修盘区域平面上δ处，完成对刀；
4)根据需测试的划擦速度v(m/s)和划擦点所在的划擦半径R(mm)，通过计算试件15的设定转速n；
干涉程度一般用干涉比率ρ(mm/r2)表征，干涉比率的定义为：
其中，s(mm/r)为工具头每转沿试件径向的进给量，用于表征工具头的径向进给速度；L(mm)为划擦宽度；r(mm)为单颗磨粒的圆弧半径，圆弧半径为磨粒的二维截面的圆弧的半径，当磨粒为球形时圆弧半径与磨粒半径相等，当磨粒为锥形时圆弧半径即为锥形磨粒的圆头半径；ap(mm)为划擦深度；
根据需测试的干涉比率ρ，单颗磨粒的圆弧半径r和划擦深度ap，利用上述干涉比率的定义公式，通过计算得到工具头14的径向进给速度s；
根据需要，在划擦过程中，可以调整工具头14使其在径向进给同时在试件15旋转的轴线方向上进给，使划擦深度ap发生变化，相邻两圈划痕的划擦深度ap之差计为h，从而可以研究单颗磨粒在不同划擦深度下的干涉行为。
通过X向直线电机9将工具头14水平移至试件15端面修盘区域的设定划擦点正上方，并通过Z向直线电机10下移δ+ap以达到设定划擦深度ap；试件15按照上述设定转速转动，且工具头14通过X向直线电机9按照设定的径向进给速度s沿试件15径向进给，结合试件15的转动，以使磨粒在修盘区域划擦形成干涉比率为ρ的连续螺旋形划痕，划痕圈数大于2个且不宜过多；划擦过程中通过与工具头14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，用于研究上述各种条件下的干涉行为。
实验例
利用本发明实施例的单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机进行具体测试：
1)将直径400mm的无氧铜圆盘形试件15用螺钉或真空吸盘等方式固定在电主轴3上，试件15可通过电主轴3旋转；用动平衡仪对该试件15进行在线动平衡，以减少试件15在高速旋转时的振动，从而保证划擦过程中磨粒和试件15能稳定地接触；
2)电主轴3带动试件15旋转，修盘刀具17b为金刚石车刀，在Z向直线电机10带动下以一定切深并在X向直线电机9带动下沿试件15径向进给，从试件15外侧沿径向切入试件15对该试件15表面进行修盘，具体地，可以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3μm，表面平均粗糙度Ra 4nm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15能稳定地接触：
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15的转速为3000rpm，聚晶金刚石单点车刀从试件15外侧以10μm的切深沿试件15径向进给，进给速度范围为0.4～1.2mm/s，进给距离为160mm；
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15的转速为3000rpm，单晶金刚石单点车刀从试件15外侧以2μm的切深沿试件15径向进给，进给速度范围为0.1～0.3mm/s，进给距离为160mm；
修盘前后试件15表面三维形貌和端面跳动量的对比分别见图7和图8；
3)记修盘时Z向直线电机10的坐标值为z1，控制X向直线电机9和Z向直线电机10进给，使金刚石车刀触碰Z轴设定器8，记此时Z轴设定器8的坐标值为z2，则修盘后试件15表面修盘区域与对刀仪的对刀平面的高度差h0＝z1-z2；换装顶端固接有球形金刚石磨粒的工具头14，同上触碰Z轴设定器8，并控制Z向直线电机10上移h0+δ即可保证工具头14顶端磨粒位于试件15圆环形修盘区域平面上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)先计算各项测试参数：
根据需测试的划擦速度v(m/s)和划擦点所在的划擦半径R(mm)，通过计算试件15的设定转速n；
本实施例之中，所需测试的划擦速度v取20～60m/s，圆环形修盘区域的半径范围为40～200mm，在该修盘区域内进行划擦测试的半径范围也设为40～200mm，以此划擦速度和半径范围计算试件的转速范围并取一个适当的中间值4000rpm作为转速n；在此条件下，20m/s的划擦速度对应的划擦半径R为47.7mm，60m/s的划擦速度对应的划擦半径R为143.2mm；
根据需测试的干涉比率ρ，单颗磨粒的圆弧半径r和划擦深度ap，通过计算得到工具头的径向进给速度s；
本实施例之中，所需测试的干涉比率ρ分别设为25％、50％、75％；单颗球形磨粒的圆弧半径r分别选为0.1mm和0.2mm；划擦深度ap分别设为10μm、20μm、30μm、40μm、50μm，分别计算相应的s值；本实施例中，h＝0。
将工具头14水平移至试件15端面修盘区域的设定划擦点正上方，并下移δ+ap以达到设定划擦深度ap；试件15按照上述设定转速n＝5000rpm转动，且工具头14按照设定的径向进给速度s和划擦深度ap沿试件15径向进给，结合试件15的转动，以使磨粒在修盘区域划擦形成干涉比率为ρ的连续螺旋形划痕，划痕圈数大于3个；划擦过程中通过与工具头14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，用于研究上述各种条件下的干涉行为。
结果显示：
(1)固定干涉距离切削条件下，也即随着切削深度的增加，s为固定值，切削深度对切削力的影响情况，相关实验结果如图9所示；
(2)固定干涉距离切削条件下，切削线速度对切削力的影响情况，相关实验结果如图10所示；
(3)干涉比率对切削力的影响，相关实验结果如图11所示；
(4)不同干涉比率对半径为0.1mm磨粒的切削力比的影响情况，相关实验结果如图12所示。
针对上述单颗磨粒干涉实验结果，得出以下结论：
1、对无氧铜材料进行了单颗磨粒高速固定干涉距离切削试验，在这种条件下，单颗磨粒切削力随着切削速度的增加而减小，随着切削深度的增加而增大，其增大趋势逐渐减缓。
2、对无氧铜材料进行了单颗磨粒高速不同干涉比率切削试验，在这种条件下，单颗磨粒切削力随着干涉比率的增大而增大；切削力比随着干涉比率的增大而减小，波动性逐渐减小，切削稳定性逐渐增强。
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 (9)
1.一种单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机，其特征在于：包括：
固定座；
水平布置的工作台，固接在固定座顶部；
垂直布置的电主轴，固接在固定座，且电主轴向上穿出工作台；
试件，固接在电主轴顶部且与电主轴同轴，通过电主轴带动试件旋转；
X向进给装置，装接在工作台，且进给方向垂直于电主轴回转轴线并沿试件径向进给；
Z向进给装置，装接在X向进给装置，且进给方向平行于电主轴回转轴线；
夹紧装置，可装拆地装接在Z向进给装置；
工具头，可装拆地装接在夹紧装置；工具头顶端固接有磨粒；
用于对试件表面进行修盘的修盘装置，可装拆地装接在Z向进给装置；
用于采集划擦过程数据的测量系统，与工具头相连；
对刀仪，固接在工作台，该对刀仪上设有用于调节对刀仪的Z轴设定器；
通过修盘装置对试件表面修盘后，电主轴带动试件旋转，通过Z向进给装置和X向进给装置带动工具头以一定切深沿试件径向进给，磨粒在试件表面划擦形成预定干涉程度的划痕，测量系统在此过程中采集数据；所述固定座包括上下固接的床身与底座；所述工作台固接在床身顶部；所述电主轴固接在床身；
所述工作台与固定座之间设有一能调平和支撑工作台的调整装置；
所述工作台上固接有支撑架，该支撑架包括对称设置的长度不等的两个支撑臂，较短的支撑臂与工作台之间设有一能调整较短支撑臂高度的微调装置；所述X向进给装置固定在该两个支撑臂顶部；通过微调装置调整较短支撑臂高度以调节X向进给装置进给方向；所述微调装置的最小位移分辨率优于10nm。
2.根据权利要求1所述的一种单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机，其特征在于：所述电主轴旋转的端面跳动量和径向跳动量均小于1μm，且其最大转速不低于5000rpm。
3.根据权利要求1所述的一种单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机，其特征在于：所述试件为有色金属、黑色金属或脆硬材料制成的圆盘状结构；试件通过试件夹具固接在电主轴顶部；所述试件夹具为真空吸盘、磁吸盘或机械式夹具；电主轴、试件夹具与试件三者同轴；
所述磨粒为金刚石，CBN，氧化物陶瓷或氮化物陶瓷；磨粒的形状为球形、锥形；该磨粒通过压头、钎焊、电镀固接在工具头顶端。
4.根据权利要求1所述的一种单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机，其特征在于：X向进给装置的进位精度优于0.1μm；Z向进给装置的进位精度优于0.1μm；Z轴设定器的定位精度优于0.1μm。
5.根据权利要求1所述的一种单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机，其特征在于：所述测量系统为测力仪与声发射系统，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；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1所述的一种单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机，其特征在于：所述夹紧装置包括：
夹具体，固接在Z向进给装置；该夹具体内设有上下布置且相互连通的沉头孔与锥孔；
拉杆，装接在夹具体沉头孔内且拉杆伸出夹具体上表面之外；该拉杆上设有轴环，至少两个止推轴承装接在拉杆上且分别紧贴轴环的端面；所述轴环与止推轴承均位于夹具之沉头孔内，且上方的止推轴承的座圈上端面略高于夹具体上表面；
端盖，固接在夹具体上表面；该端盖上设有通孔，拉杆从该通孔伸出；通过端盖将止推轴承与轴环限制在夹具体的沉头孔；
手轮，适配装接在拉杆顶端；
刀杆，该刀杆具有与锥孔适配的锥体结构，该锥体结构位于锥孔内以使刀杆与夹具体形成锥连接；刀杆适配装接在拉杆下且刀杆下部伸出夹具体下表面之外；所述工具头可装拆地螺接在刀杆下部。
7.根据权利要求1所述的一种单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机，其特征在于：所述修盘装置与工具头及刀杆替换装接在夹紧装置，包括装接在一起的修盘刀具和修盘刀杆，修盘刀杆具有与夹具体锥孔适配的锥体结构，该修盘刀杆可装拆地装接在拉杆；或，
所述修盘装置与夹紧装置替换装接在Z向进给装置，包括装接在一起的动力头和单点磨头。
8.根据权利要求7所述的一种单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机，其特征在于：所述修盘刀具为金刚石车刀、CBN车刀。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的单颗磨粒连续划擦干涉行为测试机的试验方法，其特征在于：包括：
1)将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)电主轴带动试件旋转，采用修盘装置在Z向进给装置带动下以一定切深并在X向进给装置带动下沿试件径向进给，从试件外侧沿径向切入试件对该试件表面进行修盘，以在试件表面形成修盘区域；
3)记修盘时Z向进给装置的坐标值为z1，控制X向进给装置和Z向进给装置进给，使修盘装置触碰Z轴设定器，记此时Z轴设定器的坐标值记为z2，则修盘后试件表面修盘区域与对刀仪的对刀平面的高度差h0＝z1-z2；换装工具头，同上触碰Z轴设定器，并控制Z向进给装置上移h0+δ即可保证工具头顶端位于试件圆环形修盘区域平面上δ处，完成对刀；
4)通过X向进给装置将工具头水平移至修盘区域的划擦点正上方，并通过Z向进给装置下移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，通过计算试件的设定转速n；根据需测试的干涉比率ρ，单颗磨粒的圆弧半径r，划擦深度ap，通过计算工具头的径向进给速度s；试件按照设定转速n转动，且工具头通过X向进给装置按照径向进给速度s沿试件径向进给，以使磨粒在修盘区域划擦形成预定干涉程度的划痕，划痕圈数大于2个；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。
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