CN107966379A - 支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统及方法，它解决了现有技术中无法对单颗磨粒进行试验研究的问题，具有在不同润滑工况下进行单颗磨粒的实验研究的有益效果，其方案如下：试验系统包括可旋转的砂轮，设有至少一对磨粒；工件固定台，设于砂轮底部以便于砂轮对工件的磨削；磨削测力仪，设于工件固定台底部，且与控制机构连接；三维移动机构，支撑磨削测力仪带动工件进行X、Y、Z向的移动，三维移动机构与控制机构连接，控制机构控制三维移动机构在每个方向的进给速度、控制砂轮的载荷，并记录磨削测力仪测量的数据；喷嘴，朝向工件固定台设置。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工中的单颗磨粒实验领域，特别是涉及支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统及方法。
背景技术
目前，磨削在机械加工中占有不可估量的重要地位。磨削过程是由大量磨粒同时与被加工材料相互作用并完成材料的去除，在磨削过程中，磨削机理一直以来都是磨削研究中的难点，由于参与磨削的磨粒数量多，磨粒切削刃形状、位置的随机性、磨削速度高等多种因素相互影响，研究磨削表面的形成机理和材料的去除机理异常困难。
由于磨削本质上可以归结为砂轮表面每一颗磨粒对被加工材料进行微观切削，因此可以将极其复杂的磨削过程简化为单颗磨粒磨削，这样就可以在不受其他磨粒的影响下，研究单颗磨粒的切削行为，深入探讨磨削机理。采用单颗磨粒代替整个砂轮进行磨削试验是一种研究磨削机理的有效方法，研究单颗磨粒磨削过程对分析磨削过程中的力、温度，材料的成屑及砂轮地貌对工件加工表面质量的影响具有重要的指导意义，为磨削过程控制提供依据。为了模拟单颗磨粒切除材料的过程，由此产生了单颗磨粒磨削试验。磨削加工中比磨削能(或单位磨削力)随磨削深度或平均切屑截面积的降低而增大，这就是所谓的尺寸效应。速度效应是指保证磨削速度与工件进给速度之比以及磨削深度一定情况下，单颗磨粒切削厚度保持恒定，临界成屑厚度、单位磨削力以及磨削过程量(磨削力、比能以及磨削温度)的改变均只与磨削速度的变化有关。单颗磨粒磨削试验中的速度及尺寸效应对于研究磨削机理具有非常重要的作用，现有技术中并没有针对单颗磨粒试验的速度及尺寸效应的实验系统进行设计。
经检索，南京航空航天大学丁文峰等发明了一种磨粒位姿可控的单颗磨粒磨削试验平台及其试验方法(专利号：201510532672.1)，在磨粒位姿可控的单颗磨粒磨削砂轮上布置带有磨粒的节块，并对称地布置不带有磨粒的平衡节块，节块由压盖、芯轴、底块组成，芯轴通过90°的圆锥面定位，并由芯轴顶紧螺钉紧固在节块的阶梯孔上，在芯轴顶端设有磨粒钎焊平台；芯轴紧固之前，围绕节块母体的阶梯孔旋转，控制磨粒位姿。
经检索，湖南大学金滩等发明了一种可控制高精度磨削机理研究实验装置(专利号：CN201310554164.4)，该实验装置包括以下特征：上T形滑块和下T形滑块相对设置于基体的滑槽中，金刚石工具与下T形滑块精密间隙配合，轴向螺旋测微仪放置于上T形滑块上，与圆口夹具相互配合，使用三个径向螺旋测微仪互差120°分布在基体上，可实现可控、高精度等特性，提出单颗磨粒、双颗磨粒及多颗磨粒多角度全方位研究磨削机理，针对研究相邻磨粒与磨粒之间不同的轴向间距与径向间距对表面形成机理和材料去除机理进行研究。
经检索，河南理工大学向道辉等发明了一种超声振动辅助下单颗磨粒磨削实验装置及方法(专利号：CN201410241159.2)，将工件安装在超精密机床的气浮主轴夹具上；利用对刀系统快速准确对刀；将对刀系统拆卸，开动超精密机床及超声振动系统，测力系统对实验过程中单颗磨粒受力情况进行在线检测和记录，并将数据传输到计算机；高速摄像系统对磨削过程中磨粒的运动轨迹、微观变化过程以及材料的去除过程进行在线观测和记录，能够真实反映整个砂轮的磨削过程。
经检索，并没有一种装置或方法针对单颗磨粒试验在不同润滑条件下进行研究，更没有一种实验系统针对单颗磨粒的速度及尺寸效应进行研究。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统，该系统使用砂轮盘上的单颗磨粒磨削工件，向磨削界面提供润滑油，磨削测力仪测量磨削力，测力仪安装在三维移动机构，用来调节工件的进给，此系统可以针对单颗磨粒速度及尺寸效应进行系统性研究。
一种支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统的具体方案如下：
一种支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统，包括：
可旋转的砂轮，设有至少一对磨粒；
工件固定台，设于砂轮底部以便于砂轮对工件的磨削；
磨削测力仪，设于工件固定台底部，且与控制机构连接；
三维移动机构，支撑磨削测力仪带动工件进行X、Y、Z向的移动，三维移动机构与控制机构连接，控制机构控制三维移动机构在每个方向的进给速度、控制砂轮的载荷，并记录磨削测力仪测量的数据；
喷嘴，朝向工件固定台设置，喷嘴与不同润滑机构可拆卸连接，通过不同润滑机构向喷嘴提供不同种类的润滑油、不同种类的纳米粒子和不同质量分数的纳米粒子，实现不同润滑工况下的切削试验。
其中，砂轮与主轴固定，主轴设于电主轴箱体内，电主轴箱体固定于工件固定台表面，喷嘴与喷嘴管连接，喷嘴管通过磁性吸盘固定于电主轴箱体侧壁，砂轮由主轴带动旋转，主轴两侧设置端盖，两端盖起对轴承轴向定位、防尘和密封的作用，用螺钉及弹簧垫圈固定在电主轴箱体上。装置采用背靠背装配方式的角接触轴承。角接触轴承由端盖和主轴轴肩定位。定子绕组与电主轴箱体是一体的，电主轴电箱接通电源时，定子绕组通电产生旋转磁场，转子绕组中有电流通过并受磁场的作用而旋转，由于主轴与转子绕组是一体的，从而主轴旋转，通过调节变频器调节输入频率从而改变主轴转速。叶片通过键和挡圈固定在主轴上旋转，实现散热功能，砂轮盘通过键连接主轴旋转，通过前后压板和压板螺母实现轴向固定，带动砂轮盘上的单颗磨粒旋转从而磨削工件，喷嘴向磨削界面提供润滑油实现润滑冷却作用，电主轴通过螺钉和垫片固定在大理石工作台上，防止电主轴在工作中移动，工作台通过螺钉和垫片固定在光学平台上，实现减震吸震的作用。
进一步地，所述三维移动机构包括X向移动单元，设于X向移动单元表面的Y向移动单元和与Y向移动单元固连的Z向移动单元。
进一步地，所述X向移动单元包括内设有凹槽的底座，底座内设置带丝杠螺母座的丝杠，丝杠与X向动力源连接，为了避免丝杠所承担的重量过大，避免径向力对丝杠造成磨损，丝杠两侧各设置一导轨，有效保证了三维移动机构的高精度性，每条导轨均设有两个滑块，滑块包括固定元件和设于固定元件两侧的移动元件，固定元件顶部与滑板固定。这样，丝杠与导轨水平设置，负载方向为竖直向下，径向方向所受力由导轨与滑块承担，导轨上的滑块用于承受各方向的扭矩，同时对滑板的运动方向进行导正，保证系统的高精度，丝杠螺母只作为传动部件，提供轴向驱动力，因此依靠两条导轨和滑块可以保证系统的高精度性。
进一步地，所述底座表面设置挡板，挡板表面设置与Y向移动单元连接的连接板，连接板与滑板紧固。
其中，导轨通过螺钉和垫圈固定在底座上，导轨与导轨上的滑块构成移动副，固定元件两端分别通过螺钉和垫圈与移动元件固定在一起，滑块上的固定元件通螺钉和垫圈固定在滑板上，主要起支撑作用；移动元件底部与导轨接触配合，形成滑动副，移动元件起引导进给的作用。丝杠与丝杠螺母形成回转副，通过丝杠螺母内的滚珠将回转副转化为移动副，实现轴向进给，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，从而迫使丝杠螺母轴向移动基本上是滚动摩擦，通过采用反向回珠器实现滚珠循环，用油脂枪嘴在注油口往传动腔内部加润滑油。
丝杠螺母内前后分别采用O型密封圈进行密封，防止润滑油流出和外界灰尘进入影响进给精度。丝杠螺母通过螺钉和垫圈固定在丝杠螺母座上，螺母座通过螺钉和垫圈固定在滑板上，滑板通过丝杠、丝杠螺母、滑块和导轨实现轴向进给。挡板通过螺钉固定在底座前端盖和后端盖表面，前端盖与后端盖分别设于底座的两侧，挡板主要起到防止外界灰尘进入移动单元中的作用，同时，滑板设有用于允许挡板穿过的凹槽。连接板通过螺钉及垫圈与滑板固定在一起，连接板与滑板一起移动，在X向移动单元中，连接板与Y向移动单元相连接，在Y向移动单元中，连接板与支撑板相连接，在Z向移动单元中，连接板与磨削测力仪平台相连接，X、Y、Z向移动单元连接在一起实现三向移动。丝杠通过梅花联轴器和紧定螺钉与电机连接从而旋转，联轴器外壳通过螺钉和垫圈固定在底座上，主要起连接和防尘的作用。电机通过螺钉和垫圈固定在联轴器外壳上，通过导线对电机进行供电，实现电机的旋转。
丝杠的两端由角接触轴承来支撑并保证其回转精度，支撑端通过端盖对角接触轴承起轴向定位、防尘和密封的作用，丝杠的轴肩和挡油环起轴向定位的作用，挡油环和密封圈还起到防止润滑油外泄的作用，此外密封圈还可以减少摩擦，端盖采用端盖垫片，可以调整轴承间隙、游隙，丝杠在转动过程中生热膨胀，通过垫片调整丝杠的热伸长；固定端通过挡油环和丝杠的轴肩对角接触轴承进行轴向定位，挡圈可以防止角接触轴承轴向窜动。
进一步地，所述Y向移动单元与所述X向移动单元结构相同。
进一步地，所述Y向移动单元表面设置L型支撑板，L型支撑板与所述Z向移动单元固定；
或者，所述Z向移动单元与所述X向移动单元结构相同，Z向移动单元侧部设置磨削测力仪平台，其中Z向移动单元中Z向动力源为电机，该电机更精密，实现每次0.1微米的进给。
进一步地，所述工件固定台表面开有用于放置工件的凹槽，在凹槽内设有定位块，穿过工件固定台侧壁设有螺栓或螺钉，螺栓或螺钉可旋紧并与工件接触设置；定位块用小压板螺钉和定位螺钉进行夹紧，工件受到磨削力时，测量信号经放大器放大传给力信息采集仪，最后经过导线传到控制机构并显示磨削力的大小。
或者，在工件固定台表面设有平板，平板表面设置用于从上方对工件施力的压板，压板与平板可拆卸连接；
或者，一平板设于定位块，另一平板设于工件固定台，两平板分设于工件的两侧，这样压板从两侧对工件进行固定，保证定位的准确性。
进一步地，所述试验系统还包括防护罩，防护罩设于砂轮、工件固定台、磨削测力仪和三维移动机构的外部。
防护罩的主要具有防止外界灰尘进入实验系统、防止切屑冷却液飞溅出实验系统的作用，将实验系统与周边环境隔离开，而且能够维护实验系统的正常精度，延长系统的使用寿命，防护罩侧部设置防护罩推拉门，防护罩推拉门主要便于实验人员进行实验操作，防护罩通过螺钉和垫圈固定在光学平台上，光学平台用于长期稳定的安装放置实验系统，没有固有共振，可以有效地抑制由实验中电主轴系统或三维移动平台系统产生的任何振动，阻止这些振动影响关键性的元件。支撑架通过螺钉、短横梁和长横梁固定在一起，防止移动，起到支撑作用。支撑架上的弹性垫片可以进一步起到防震吸震的作用，弹性垫片下的调节螺母可以调节光学平台的水平度，使用水平仪将光学平台调平后，将对顶螺母拧紧锁死，从而保证在水平条件下进行实验。
进一步地，所述砂轮、工件固定台、磨削测力仪和三维移动机构均设于光学平台，光学平台底部设置支撑架，实验在光学平台上进行，可以实现减震吸震的作用。
此外，带动砂轮旋转的主轴、磨削测力仪、三维移动机构、润滑机构均与控制机构连接，控制机构对测量的数据进行记录，并控制主轴的转速、工件的进给和润滑机构的供油。
一种支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)开启砂轮对工件进行磨削，调节三维移动机构中Z向移动单元，每次进给设定距离，从而增加或减少单颗磨粒最大切削厚度，磨削测力仪记录每次磨削力，研究单颗磨粒最大切削厚度与磨削力、比能的关系，即尺寸效应的影响；
2)保持速比(磨削速度与工件进给速度之比)和磨削深度为恒定值，调节砂轮的输入频率，改变砂轮的转速，从而改变磨削速度，通过磨削测力仪测量单颗磨粒的磨削力，研究单颗磨粒磨削速度对于磨削力、比能的影响，即速度效应的影响。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明通过移动元件、固定元件的设置，在X、Y方向均可实现每次1微米的进给以及Z方向每次0.1微米的进给，保证可以微量增加单颗磨粒的最大切削厚度，保证实验在高精度的条件下进行。
2)本发明可实现对砂轮转速的调整，得到单颗磨粒磨削过程中存在的现象和规律，从而可以对单颗磨粒切削厚度变化引起的尺寸效应以及磨削速度的变化引起的速度效应有充分直观的了解，从而为更进一步深入地研究难加工材料的高速磨削机理提供可靠依据，为磨削过程的尺寸效应和速度效应对磨削过程的临界成屑厚度、力、比能以及传热机制的研究具有指导性的作用。
3)本发明试验系统可实现不同的润滑工况，可以实现干切削、浇注式润滑、微量润滑、纳米流体微量润滑工况，本发明实现了可以在不同润滑工况下进行单颗磨粒的实验研究，为切削区提供冷却润滑性能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是不同润滑条件单颗磨粒速度及尺寸效应实验系统的轴侧图。
图2是电主轴机构的爆炸装配图。 图3是大理石工作台的俯视图和剖视图。
图4是电主轴的局部剖视图。 图5是电主轴的剖视图。
图6是砂轮的左视图。 图7是节块的剖视图。
图8是芯轴上的单颗磨粒工作图。 图9是磨削力测量机构的轴测图。
图10是工件定位夹紧图。 图11是磨削测力仪轴测图。
图12是三维移动平台系统的爆炸装配图。图13是X(Y)向移动单元的爆炸装配图。
图14是X(Y)向移动单元的右视图。 图15是X(Y)向移动单元的剖视图。
图16是X(Y)向移动单元的剖视图。 图17是X(Y)向移动单元的剖视图。
图18是X(Y)向移动单元的剖视图。 图19是滚珠螺母安装的爆炸装配图。
图20是导轨滑块的爆炸装配图。 图21是光学平台系统的爆炸装配图。
图22是润滑系统的爆炸装配图。 图23是单颗磨粒切削厚度图。
图24是磨削过程系统模型图。 图25是单颗磨粒切削模型图。
图26是单颗磨粒粘结模型图。
其中：电主轴机构 I 磨削力测量机构 II 三维移动机构 III
光学平台机构 IV 润滑机构 V
主轴 I-1 压板螺母 I-2 砂轮盘前压板 I-3
节块螺钉 I-4 砂轮 I-5 节块 I-6
电主轴前盖螺钉 I-7 砂轮盘后压板 I-8 键 I-9
电主轴前盖 I-10 电主轴箱体 I-11 电主轴电箱 I-12
电主轴电箱螺钉 I-13 导线 I-14 电主轴后盖 I-15
电主轴后盖螺钉 I-16 磁性吸盘 I-17 磁性吸盘螺钉 I-18
喷嘴接头 I-19 工作台 I-20 喷嘴管 I-21
工作台固定螺钉 I-22 电主轴固定螺钉 I-23 喷嘴 I-24
单颗磨粒 I-25 芯轴 I-26 芯轴对顶螺钉 I-27
端盖螺钉 I-28 角接触轴承 I-29 电主轴定子绕组 I-30
电主轴转子绕组 I-31 挡油环 I-32 端盖垫片 I-33
电主轴后端盖 I-34 电主轴叶片 I-35 密封圈 I-36
键 I-37 电主轴前端盖 I-38 砂轮盘凹槽 I-39
节块螺钉垫圈 I-40 前盖螺钉垫圈 I-41 电箱螺钉垫圈 I-42
后盖螺钉垫圈 I-43 工作台螺钉垫圈 I-44 电主轴固定螺钉垫圈 I-45
弹性垫圈 I-46 角接触轴承 I-47 变频器 I-48
挡圈 I-49
计算机 II-1 导线 II-2 力信息采集仪 II-3
放大器 II-4 压板 II-5 圆柱垫片 II-6
压板螺母 II-7 压板螺钉 II-8 工件 II-9
平板螺钉 II-10 小压板螺钉 II-11 定位螺钉 II-12
工件夹具 II-13 定位块 II-14 磨削测力仪 II-15
螺钉 II-16 夹具螺钉 II-17 平板 II-18
平板 II-19
测力仪平台螺钉 III-1 磨削测力仪平台 III-2 Z向移动单元 III-3
支撑板 III-4 支撑板螺钉 III-5-1 支撑板螺钉 III-5-2
导线 III-6 导线 III-7 计算机主机 III-8
计算机 III-9 导线 III-10 X向移动单元 III-11
移动平台固定螺钉 III-12 Y向移动单元 III-13 固定螺钉 III-14
固定螺钉 III-15 连接板 III-16 滑块固定螺钉 III-17
挡板螺钉 III-18 挡板 III-19 梅花联轴器 III-20
联轴器外壳 III-21 固定螺钉 III-22 电机 III-23
电机固定螺钉 III-24 手动进给旋钮 III-25 导线 III-26
前端盖固定螺钉 III-27 底座前端盖 III-28 底座 III-29
丝杠 III-30 丝杠螺母座 III-31 丝杠螺母 III-32
丝杠螺母固定螺钉 III-33 底座后端盖 III-34 后端盖固定螺钉 III-35
导轨 III-36 导轨固定螺钉 III-37 滑块 III-38
移动元件 III-38-1 固定元件 III-38-2 移动元件 III-38-3
滑板 III-39 螺母座固定螺钉 III-40 挡油环 III-41
角接触轴承 III-42 挡圈 III-43 注油口 III-44
O型密封圈 III-45 紧定螺钉 III-46 垫圈 III-47
滚珠 III-48 挡油环 III-49 角接触轴承 III-50
端盖 III-51 导线接口 III-52 密封圈 III-53
弹性体 III-54 角接触轴承 III-55 电动机盖 III-56
电机转子绕组 III-57 电机定子绕组 III-58 电机底座 III-59
端盖螺钉 III-60 端盖螺钉垫圈 III-61 前端盖固定螺钉垫圈 III-62
滑块连接螺钉垫圈 III-63 滑块连接螺钉 III-64 电机轴 III-65
垫圈 III-66 后端盖固定螺钉垫圈 III-67 垫圈 III-68
滑块固定螺钉垫圈 III-69 电机固定螺钉垫圈 III-70 支撑板螺钉垫圈 III-71
固定螺钉垫圈 III-72 测力仪平台螺钉垫圈 III-73 螺母座固定螺钉垫圈 III-74
端盖垫片 III-75 导轨固定螺钉垫圈 III-76 反向回珠器 III-77
防护罩推拉门 IV-1 防护罩 IV-2 防护罩固定螺钉 IV-3
光学平台 IV-4 弹性垫片 IV-5 调节螺母 IV-6
对顶螺母 IV-7 固定螺钉 IV-8 短横梁 IV-9
长横梁 IV-10 支撑架 IV-11 防护罩固定螺钉垫圈 IV-11
箱体 V-1 油杯接头 V-2 油杯 V-3
固定螺钉 V-4 垫圈 V-5 固定螺钉 V-6
润滑泵固定盖 V-7 精密微量润滑泵 V-8 气量调节旋钮 V-9
三通 V-10 电磁阀 V-11 气源处理器 V-12
进气接口 V-13 双向接头 V-14 频率发生器 V-15
管道 V-16 管道 V-17 管道 V-18
油量调节旋钮 V-19 润滑泵出口接头 V-2
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统及方法。
如图1所示，本发明一种支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统包括电主轴机构I、磨削力测量机构II、三维移动机构III、光学平台机构IV、润滑机构V。电主轴机构I主要实现磨削功能，三维移动机构III实现工件的进给，润滑机构V为磨削提供润滑油进行冷却润滑，磨削力测量机构II用来测量磨削中的磨削力，光学平台机构IV主要提供防护实验系统的作用。
图2是电主轴机构的爆炸装配图，图3是大理石工作台的俯视图和剖视图。图4是电主轴的局部剖视图。
由图2、3、4所示，图中包括：主轴I-1、压板螺母I-2、砂轮盘前压板I-3、节块螺钉I-4、砂轮盘I-5、节块I-6、电主轴前盖螺钉I-7、砂轮盘后压板I-8、键I-9、电主轴前盖I-10、电主轴箱体I-11、电主轴电箱I-12、电主轴电箱螺钉I-13、导线I-14、电主轴后盖I-15、电主轴后盖螺钉I-16、磁性吸盘I-17、磁性吸盘螺钉I-18、喷嘴接头I-19、工作台I-20、喷嘴管I-21、工作台固定螺钉I-22、电主轴固定螺钉I-23、喷嘴I-24、单颗磨粒I-25、芯轴I-26、芯轴对顶螺钉I-27、节块螺钉垫圈I-40、前盖螺钉垫圈I-41、电箱螺钉垫圈I-42、工作台螺钉垫圈I-44、电主轴固定螺钉垫圈I-45、变频器I-48。
结合图2、3、4进行说明，电主轴前盖I-10通过4个电主轴前盖螺钉I-7及前盖螺钉垫圈I-41固定在电主轴箱体I-11上，电主轴后盖I-15通过4个电主轴后盖螺钉I-16及后盖螺钉垫圈I-43固定在电主轴箱体I-11上，防止外界灰尘进入电主轴箱体I-11，电主轴电箱I-12通过4个电主轴电箱螺钉I-13及电箱螺钉垫圈I-42固定在电主轴箱体I-11上，电主轴通过变频器I-48连接导线I-14接电，变频器I-48用来调节输入频率从而改变主轴的转速，砂轮盘后压板I-8通过键I-9进行周向固定，与主轴I-1保持旋转，砂轮盘I-5通过砂轮盘前压板I-3、砂轮盘后压板I-8和压板螺母I-2夹紧，使砂轮盘I-5与主轴I-1一起旋转，两个节块I-6分别通过两个节块螺钉I-4和2个节块螺钉垫圈I-40固定在砂轮盘I-5上，单颗磨粒I-25通过钎焊工艺焊接在芯轴I-26上，芯轴I-26装在一端的节块I-6里，并通过芯轴对顶螺钉I-27固定。电主轴通过6个电主轴固定螺钉I-23和电主轴固定螺钉垫圈I-45固定在工作台I-20上，工作台I-20通过8个工作台固定螺钉I-22和工作台螺钉垫圈I-44固定在光学平台IV-4上，防止电主轴在工作过程中发生移动，喷嘴I-24固定侧有外螺纹，通过螺纹拧紧固定在喷嘴管I-21上，喷嘴管I-21可以调节喷嘴I-24的方向，喷嘴管I-21通过磁性吸盘螺钉I-18固定在磁性吸盘I-17上，磁性吸盘I-17吸在电主轴箱体I-11上，防止在工作过程中移动，润滑系统V通过喷嘴接头I-19向喷嘴I-24供给微量润滑油。
图5是电主轴的剖视图。如图5所示，电主轴前端盖I-38和电主轴后端盖I-34起对轴承起轴向定位、防尘和密封的作用，前后端盖分别用相同型号的端盖螺钉I-28及弹簧垫圈I-46固定在电主轴前盖I-10和电主轴箱体I-11上。系统采用角接触轴承I-29及I-47，使用背靠背的装配方式，角接触轴承I-29由电主轴前端盖I-38和主轴I-1轴肩定位，角接触轴承I-47由主轴I-1轴肩、挡油环I-32和电主轴后端盖I-34定位。电主轴前端盖I-38和电主轴后端盖I-34采用相同型号密封圈I-36密封以防止润滑油外泄，同时还能防止外界灰尘进入电主轴中，此外密封圈I-36还可以减少摩擦。前后端盖采用相同垫片I-33，可以调整轴承间隙、游隙，主轴I-1在转动过程中生热膨胀，通过垫片调整主轴的热伸长。电主轴定子绕组I-30与电主轴箱体I-11是一体的，电源通过变频器I-48和导线I-14进入电主轴电箱I-12，电主轴定子绕组I-30通电产生旋转磁场，电主轴转子绕组I-31中有电流通过并受磁场的作用而旋转，由于主轴I-1与电主轴转子绕组I-31是一体的，从而主轴I-1旋转，变频器I-48通过改变频率从而改变主轴I-1的转速。主轴I-1通过键I-9带动砂轮盘后压板I-8旋转，主轴I-1前端有外螺纹，砂轮盘前压板I-3及砂轮盘I-5通过压板螺母I-2拧紧，与砂轮盘后压板I-8夹紧后，砂轮盘I-5旋转。主轴I-1通过键I-37带动电主轴叶片I-35旋转，实现散热功能，通过主轴I-1轴肩和挡圈I-49实现轴向定位。
图6是砂轮的左视图。如图6所示，设计两个节块是为了确保砂轮盘高速回转时的动平衡，同时，由于砂轮盘I-5一端的节块I-6内有芯轴I-26、芯轴对顶螺母I-27及单颗磨粒I-25，所以砂轮盘I-5另一端需要一个砂轮盘凹槽I-39进行平衡，从而保证实验的精度。
图7是节块的剖视图，图8是芯轴上的单颗磨粒工作图。如图7所示，节块孔后端有内螺纹，芯轴I-26通过节块上的孔装进节块I-6后，通过芯轴上的轴肩与芯轴对顶螺母I-27固定，单颗磨粒I-25采用钎焊工艺与芯轴顶端固定。单颗磨粒I-25材料采用金刚石。
图9是磨削力测量机构的轴测图。图10是工件定位夹紧图。图11是磨削测力仪轴测图。结合图9-11进行说明，磨削测力仪II-15用螺钉II-16紧固在磨削测力仪平台III-2上。工件夹具II-13固定在磨削测力仪II-15的工作台上，将工件II-9放在磨削测力仪II-15的工作台上，工件II-9的六个自由度通过工件夹具II-13和磨削测力仪II-15的工作台便可实现完全定位。工件II-9的X轴方向使用两个定位螺钉II-12进行夹紧，在工件的Y方向，使用工件夹具螺钉II-17对工件II-9进行夹紧。定位块II-14一面与工件II-9侧面接触，一面与两个定位螺钉II-12接触，拧紧定位螺钉II-12使定位块II-14在工件II-9的X方向上进行夹紧。工件II-9在Z方向上采用三个压板II-5夹紧，三个压板II-5借助平板II-18、平板II-19、圆柱垫片II-6和压板螺钉II-8、压板螺母II-7构成自调节压板，当工件II-9长宽高三个尺寸发生变化时，可通过两个夹具螺钉II-17、两个定位螺钉II-12和三个压板II-5实现装备可调，满足工件II-9的尺寸变化要求。定位块II-14用小压板螺钉II-11和定位螺钉II-12进行夹紧。工件II-9受到磨削力时，测量信号经放大器II-4放大传给力信息采集仪II-3，最后经过导线II-2传到计算机II-1并显示磨削力的大小。
图12是三维移动机构的爆炸装配图。如图12所示，三维移动机构包括测力仪平台螺钉III-1、磨削测力仪平台III-2、Z向移动单元III-3、支撑板III-4、支撑板螺钉III-5-1、支撑板螺钉III-5-2、导线III-6、导线III-7、计算机主机III-8、计算机III-9、导线III-10、X向移动单元III-11、移动平台固定螺钉III-12、Y向移动单元III-13、固定螺钉III-14、支撑板螺钉垫圈III-71、固定螺钉垫圈III-72、测力仪平台螺钉垫圈III-73。
磨削测力仪II-15用螺钉II-16紧固在磨削测力仪平台III-2上，使磨削测力仪II-15上的工件II-9随着三维移动平台系统移动，实现工件II-9在X、Y、Z向的移动。磨削测力仪平台III-2通过测力仪平台螺钉III-1紧固在Z向移动单元III-3上，Z向移动单元的电机可以实现每次0.1微米的Z向进给，支撑板III-4通过支撑板螺钉III-5-2、支撑板螺钉III-5-1和支撑板螺钉垫圈III-71将Z向移动单元III-3和Y向移动单元III-13固定在一起，Y向移动单元III-13通过固定螺钉III-14固定在X向移动单元III-11上，X向移动单元III-11通过三维移动平台固定螺钉III-12和固定螺钉垫圈III-72固定在光学平台IV-4上，其中，X向移动单元III-11和Y向移动单元III-13可以实现每次1微米的进给，X向移动单元III-11、Y向移动单元III-13、Z向移动单元III-3分别通过导线III-10、III-7、III-6与计算机主机III-7连接，计算机III-9通过计算机主机III-8控制三维移动平台X、Y、Z向的移动。其中，Z向移动单元与X(Y)向移动单元区别在于电机不同以及没有手动调节旋钮III-25，Z向移动单元的电机更加精密，可以实现每次0.1微米的进给，而X(Y)向移动单元可以实现每次1微米的进给。
图13是X(Y)向移动单元的爆炸装配图。图14是X(Y)向移动单元的右视图，图15、16、17、18是X(Y)向移动单元的剖视图，图19是滚珠螺母安装的爆炸装配图，图20是导轨滑块的爆炸装配图。
如图13-20所示，图13中包括固定螺钉III-15、连接板III-16、滑块固定螺钉III-17、挡板螺钉III-18、挡板III-19、梅花联轴器III-20、联轴器外壳III-21、固定螺钉III-22、电机III-23、电机固定螺钉III-24、手动进给旋钮III-25、导线III-26、前端盖固定螺钉III-27、底座前端盖III-28、底座III-29、丝杠III-30、丝杠螺母座III-31、丝杠螺母III-32、丝杠螺母固定螺钉III-33、底座后端盖III-34、后端盖固定螺钉III-35、导轨III-36、导轨固定螺钉III-37、滑块III-38、滑板III-39、螺母座固定螺钉III-40、紧定螺钉III-46、前端盖固定螺钉垫圈III-62、垫圈III-66、后端盖固定螺钉垫圈III-67、垫圈III-68、滑块固定螺钉垫圈III-69、电机固定螺钉垫圈III-70、螺母座固定螺钉垫圈III-74、导轨固定螺钉垫圈III-76。
图15-18中包括移动元件III-38-1、固定元件III-38-2、移动元件III-38-3、挡油环III-41、角接触轴承III-42、挡圈III-43、注油口III-44、O型密封圈III-45、垫圈III-47、滚珠III-48、挡油环III-49、角接触轴承III-50、端盖III-51、导线接口III-52、密封圈III-53、弹性体III-54、轴承III-55、电动机盖III-56、电机转子III-57、电机定子III-58、电机底座III-59、端盖螺钉III-60、端盖螺钉垫圈III-61、滑块连接螺钉垫圈III-63、滑块连接螺钉III-64、电机轴III-65、支撑板螺钉垫圈III-71、固定螺钉垫圈III-72、测力仪平台螺钉垫圈III-73、端盖垫片III-75、反向回珠器III-77。
结合图13-20进行说明，底座后端盖III-34通过4个后端盖固定螺钉III-35和后端盖固定螺钉垫圈III-67固定在底座III-29上，底座前端盖III-28通过4个前端盖固定螺钉III-27和前端盖固定螺钉垫圈III-62固定在底座III-29上，2个导轨III-36通过8个导轨固定螺钉III-37和导轨固定螺钉垫圈III-76固定在底座III-29上，每条导轨III-36与导轨上的2个滑块III-38接触配合，构成移动副，滑块III-38分为移动元件III-38-1、固定元件III-38-2和移动元件III-38-3，固定元件III-38-2通过两个滑块连接螺钉垫圈III-63和滑块连接螺钉III-64与移动元件III-38-1和移动元件III-38-3连接，固定元件III-38-2通过16个滑块固定螺钉III-17和滑块固定螺钉垫圈III-69固定在滑板III-39上，主要起支撑作用，移动元件III-38-1和移动元件III-38-3起引导进给的作用。
同时，如图15所示，丝杠III-30与丝杠螺母III-32形成回转副，通过丝杠螺母III-32内的滚珠III-48将回转副转化为移动副，实现轴向进给，当丝杠III-30旋转时，滚珠III-48在滚道内既自转又沿滚道循环转动，从而迫使丝杠螺母III-32轴向移动基本上是滚动摩擦，通过采用反向回珠器III-77实现滚珠循环，用油脂枪嘴在注油口III-44往传动腔内部加润滑油，同时，前后分别采用O型密封圈III-45进行密封，防止润滑油流出和外界灰尘进入影响进给精度。丝杠螺母III-32通过5个丝杠螺母固定螺钉III-33和垫圈III-47固定在丝杠螺母座III-31上，进一步，丝杠螺母座III-31通过4个螺母座固定螺钉III-40和螺母座固定螺钉垫圈III-74固定在滑板III-39上，滑板III-39通过丝杠III-30、丝杠螺母III-32、滑块III-38和导轨III-36实现轴向进给。挡板III-19的上端(+X、-Y方向)通过2个挡板螺钉III-18固定在底座前端盖III-28上，下端(-X、+Y方向)通过2个挡板螺钉III-18固定在底座后端盖III-34上，挡板III-19主要起到防止外界灰尘进入X(Y)向移动单元中的作用，同时，滑板III-39上有凹槽可以允许挡板III-19穿过。
连接板III-16通过6个固定螺钉III-15及垫圈III-66与滑板III-39固定在一起，连接板III-16可以与滑板III-39一起移动，在X向移动单元III-11中，连接板III-16与Y向移动单元III-13相连接，在Y向移动单元III-13中，连接板III-16与支撑板III-4相连接，在Z向移动单元III-3中，连接板III-16与磨削测力仪平台III-2相连接，X、Y、Z向移动单元连接在一起实现三向移动。丝杠III-30通过梅花联轴器III-20和2个紧定螺钉III-46与电机III-23连接从而旋转，联轴器外壳III-21通过4个固定螺钉III-22和垫圈III-68固定在底座III-29上，主要起连接和防尘的作用。电机III-23通过4个电机固定螺钉III-24和电机固定螺钉垫圈III-70固定在联轴器外壳III-21上，通过导线III-26对电机进行供电，实现电机的旋转。
装置采用两个角接触轴承III-55来支撑电机轴III-65并保证其回转精度，电动机盖III-56、电机底座III-59和电机轴III-65上的轴肩对角接触轴承III-55起轴向定位的作用，电机定子III-58与电机III-23是一体的，电源通过导线III-26进行通电，电机定子III-58通电产生旋转磁场，电机转子III-57中有电流通过并受磁场的作用而旋转，由于电机轴III-65与电机转子III-57是一体的，从而电机轴III-65旋转。电机轴III-65通过梅花联轴器III-20和2个紧定螺钉III-46与丝杠III-30连接从而旋转，梅花联轴器III-20内的弹性体III-54主要起到补偿两轴间的相对位移，起到缓冲吸振的作用，手动进给旋钮III-25通过螺纹与电机轴III-65连接在一起，可以通过手动进给旋钮III-25来实现手动进给。
由于滚珠丝杠结构会产生轴向力，所以丝杠III-30的两端由角接触轴承III-50和角接触轴承III-42来支撑并保证其回转精度，支撑端通过端盖III-51对角接触轴承III-50起轴向定位、防尘和密封的作用，丝杠III-30的轴肩和挡油环III-49起轴向定位的作用，挡油环III-49和密封圈III-53还起到防止润滑油外泄的作用，此外密封圈III-53还可以减少摩擦，端盖III-51采用端盖垫片III-75，可以调整轴承间隙、游隙，丝杠III-30在转动过程中生热膨胀，通过垫片调整丝杠的热伸长；固定端通过挡油环III-41和丝杠III-30的轴肩对角接触轴承III-42进行轴向定位，挡圈III-43可以防止角接触轴承III-42轴向窜动。
试验前，先进行对刀过程，通过三维移动机构III的控制机构控制磨削测力仪平台III-2，从而控制工件II-9在XY和XZ平面内移动。具体而言，先使工件II-9的XY方向上的零点与芯轴I-26的轴线方向重合，然后沿该方向(芯轴I-26的轴线方向)缓慢地移动工件II-9，使工件II-9逐渐地与芯轴I-26前端的单颗磨粒I-25相接触。然后，通过调节三维移动机构III的控制机构控制工件II-9沿Z轴移动，增加磨削深度，与芯轴I-26前端的单颗磨粒I-25发生相互切削作用，进行切削试验，启动数控程序，工件II-9将以设定的进给速度沿Y向移动，工件II-9固定在磨削测力仪II-15上方的夹具II-13上，通过磨削测力仪II-15测量磨削中产生的磨削力，实时记录并且保存该切削过程中的力信号，可供后续分析。
图21是光学平台机构的爆炸装配图。如图21所示，光学平台机构包括防护罩推拉门IV-1、防护罩IV-2、护罩固定螺钉IV-3、光学平台IV-4、弹性垫片IV-5、调节螺母IV-6、对顶螺母IV-7、固定螺钉IV-8、短横梁IV-9、长横梁IV-10、支撑架IV-11、防护罩固定螺钉垫圈IV-11。
防护罩IV-2的主要具有防止外界灰尘进入实验系统、防止切屑冷却液飞溅出实验系统的作用，将实验系统与周边环境隔离开，而且能够维护实验系统的正常精度，延长系统的使用寿命，防护罩推拉门IV-1主要便于实验人员进行实验操作，防护罩IV-2通过4个护罩固定螺钉IV-3和防护罩固定螺钉垫圈IV-11固定在光学平台IV-4上，光学平台IV-4用于长期稳定的安装放置实验系统，没有固有共振，可以有效地抑制由实验中电主轴系统I或三维移动平台系统III产生的任何振动，阻止这些振动影响关键性的元件。4个支撑架IV-11通过固定螺钉IV-8、短横梁IV-9和长横梁IV-10固定在一起，防止移动，起到支撑作用。支撑架IV-11上的弹性垫片IV-5可以进一步起到防震吸震的作用，弹性垫片IV-5下的调节螺母IV-6可以调节光学平台IV-4的水平度，使用水平仪将光学平台IV-4调平后，将对顶螺母IV-7拧紧锁死，从而保证在水平条件下进行实验。
图22是润滑机构的爆炸装配图。如图22所示，润滑机构包括箱体V-1、油杯接头V-2、油杯V-3、固定螺钉V-4、垫圈V-5、固定螺钉V-6、润滑泵固定盖V-7、精密微量润滑泵V-8、气量调节旋钮V-9、三通V-10、电磁阀V-11、气源处理器V-12、进气接口V-13、双向接头V-14、频率发生器V-15、管道V-16、管道V-17、管道V-18、油量调节旋钮V-19、润滑泵出口接头V-20，油杯可更换，实现不同液体的存放，满足使用需求。
进气接口V-13固定于气源处理器V-12上，高压气体由进气接口V-13进入气源处理器V-12过滤，为润滑系统提供高压气体，气源处理器V-12通过双向接头V-14接在电磁阀V-11上，控制气体的进入，电磁阀V-11出口处接一个三通V-10，高压气体通过三通V-10的一个出口管道V-16进入频率发生器V-15，通过频率发生器V-15来控制气体的输入频率，高压气体从频率发生器V-15出来后通过管道V-17进入精密微量润滑泵V-8；另外，高压气体通过三通V-10的另一个出口管道V-18进入精密微量润滑泵V-8，油杯接头V-2一端通过螺纹连接V-2，另一端通过螺纹连接润滑泵固定盖V-7，润滑泵固定盖V-7通过2个固定螺钉V-6连接精密微量润滑泵V-8，润滑泵固定盖V-7通过2个固定螺钉V-4和垫圈V-5固定在箱体V-1上，通过调节气量调节旋钮V-9来调节高压气体的气量，通过调节油量调节旋钮V-19调节润滑油的油量，最后通过润滑泵出口接头V-20连接喷嘴接头I-19向电主轴系统I提供润滑油，通过向油杯V-3中加入不同种类的润滑油、不同种类的纳米粒子和不同质量分数的纳米粒子，实现不同润滑工况下的切削试验。
图23是单颗磨粒切削厚度图。
通常的单颗磨粒划擦试验，磨粒切除的磨屑最大厚度等于砂轮的磨削深度，磨屑长度是磨削弧长的2倍。而在实际的砂轮磨削过程中，相比于磨削深度，单颗磨粒的切削厚度很小，因此单颗磨粒的划擦实验相当于放大了实际磨粒所受的载荷。在如此大的载荷作用下，磨粒在磨削时产生的力、温度以及材料的去除机理都可能与实际的砂轮磨削相背离。因此，在进行单颗磨粒磨削试验时，只有当vw和vs满足公式(1)时，才能使获得的试验结论更加接近实际，可以保证单颗磨粒磨削试验中磨粒的运动轨迹符合砂轮磨削时磨粒的运动轨迹。
式中，vs为磨削速度，vw为工件进给速度，ap为磨削深度，ds为砂轮外圆直径。
在实际磨削中，单颗磨粒最大切削厚度与磨削深度是两个不同的概念。磨削深度相对于整个砂轮而言，是指砂轮的径向进给量。而单颗磨粒最大切削厚度是指每一个磨粒去除的单个磨屑的厚度，单颗磨粒最大切削厚度是磨削中重要的物理量，对磨削力、磨削温度有直接的影响关系，是影响砂轮磨损、磨削加工质量的决定性因素，通常情况下，单颗磨粒最大切削厚度可以表示为：
式中，agmax为单颗磨粒最大切削厚度，λ为砂轮圆周方向的磨粒间距(在本发明中即为砂轮外圆周长πds)。
其中，砂轮外圆直径ds＝200mm，电主轴转速n最大可达到18000r/min，即最大磨削速度为vsmax≈188.5m/s，磨削速度vs＝100m/s，磨削深度ap＝10μm(不超过磨粒露出高度的2/3)，由公式(1)计算出vw≤13504mm/min，所以令工件进给速度vw＝100mm/min。可以计算出单颗磨粒最大切削厚度agmax＝8.89μm。
图24是磨削过程系统模型图。
如图24，可以更加直观的看出尺寸效应与速度效应对于磨削机理重要作用。磨削力、磨削比能以及磨削温度是表征磨削过程的最重要的物理要素(或称过程量)。研究磨削过程的力-热本质对于更好的认识磨削过程具有重要意义，因为它们不仅是磨床设计的基础，也是涉及控制磨削精度和表面完整性的重要指标。磨削过程还包括众多的表征磨削条件的物理要素(或称输入量因素)，如磨削用量组合或单颗磨粒最大切厚、砂轮地貌特征以及材料特性、机床刚度及磨削液的选取等。在磨削过程中，磨削输入量因素在某种程度上决定了磨削过程的发展方向，最终引起了过程量的变化。譬如在磨削过程中，只提高磨削速度必然引起单颗磨粒最大切削厚度的下降，进而使得磨削力减小。
同时，磨削过程也是一个动态过程，磨削速度的提高通过应变率强化使得材料特性变形抗力增加，通过尺寸效应与速度效应引起了磨削力增大，磨削比能通过进一步的热比例分配与传热机制使得磨削温度上升，而磨削温度的上升使得热软化作用增强，因此材料变形抗力又有所减小，最终引起磨削力与磨削温度的减小，循环往复，最终达到新的力-热耦合状态。然而尽管磨削过程是动态的，但是决定过程量与输入量之间必然关系的磨削机制，尺寸效应机制与速度效应机制是不变的，并显著作用于磨削的整个过程。
图25是单颗磨粒切削模型图。
磨削力分为切屑变形力和摩擦力两项，单颗磨粒的磨削力可以写成一下形式：
式中，Ftg、Fng为单颗磨粒法向和切向磨削力；Ftcg、Fncg是由于切削变形引起的切向力和法向力；Ftsg、Fnsg是由于滑擦引起的切向力和法向力；q为系数，与单颗磨粒顶锥半角θ有关，Fp为单位面积磨削力；Am为磨削截面积；s为磨粒的顶面积；p为磨粒顶面与工件接触压强；μ为摩擦系数。
当磨粒切削工件时，受切削抗力作用，将磨粒简化为锥形，单颗磨粒以磨削深度ap切削工件时的受力情况如图25，不考虑摩擦，切削力dFx垂直且平均作用于磨粒锥面上，其分布范围图中阴影所示，其中作用力可以分解为法向磨削力dFnx和切向磨削力dFtx。从图25中可以知道，切向磨削力可以相互抵消，而法向磨削力则叠加起来，也就是说在划擦、耕犁、切削状态下磨粒所受到的法向磨削力都要大于切向磨削力，这一特征也是磨削与切削的特征区别，因为一般切削加工中是切向力大于法向力。截面X-X内，磨粒上的切削力表达式为：
dFx＝FpdAcosθcosψ (4)
式中，dA为磨粒与工件接触面积；ψ为切削力方向与X方向夹角。
如图25(c)中阴影所示为dFx的分布范围，假设磨粒为具有一定锥角的圆锥，且圆锥轴线沿砂轮的半径方向，设圆锥母线长为ρ，则磨粒与工件的接触面积：
将公式(5)带入公式(4)得：
因为
将公式(6)带入公式(7)得：
则单颗磨粒上的主要磨削力为：
由图25(a)可知，磨削深度ap＝ρcosθ，带入公式(9)得：
单位面积磨削力Fp可以表达为即：
式中，ε为剪切应变；为剪切区应变率；R1为剪切区内热量比例分配系数；γ0为磨粒前角，通常为负值；φ为磨粒剪切角；Δs1为磨屑宽度，a为工件材料的导温系数。如果失稳；非失稳。
单颗磨粒去除材料过程中可分为滑擦、耕犁、成屑3个阶段，因此，单位面积磨削力Fp也分为三个阶段：
滑擦阶段：该阶段材料只发生弹性变形，且由于磨粒与材料刚接触，因此温度较低，热软化作用也比较弱，单位面积磨削力可以改写为:Fp1＝f(ε1)，且此时应变硬化起主要作用，Fp1与材料的弹性模量有很大关系。
耕梨阶段：随着磨粒的进一步切入，由于材料被去除的体积增多，变形抗力提高，单颗磨粒磨削力增加的同时，应力也在增加，直至超过材料的屈服极限，发生塑性变形，但此时材料并不成屑而是堆积在磨粒前端与两侧，从而形成隆起，单位磨削力上升的同时热量聚集也使得温度上升，因此热软化作用逐渐增强，但由于此阶段不成屑，材料未发生绝热剪切失稳，应变硬化与应变率强化作用显著，引起材料变形抗力的增加，该阶段
成屑阶段：当磨粒切入深度等于某一临界值时，此时应变硬化与应变率强化引起的应力升高速率等于热软化引起的应力下降，即自此开始材料发生失稳，该临界值即临界成屑切厚aglim。随着磨屑厚度的进一步增加，由公式(14)可知，单颗磨粒切削厚度增加使得剪切区内非弹性变形功转化成的热量传入工件造成温升的比例逐渐增加，因此温度效应增强，使得热软化作用增强，变形区材料发生绝热剪切滑移，从而产生了切屑，
根据公式(15)，计算出磨削比能es。
式中，es是磨削比能，eg为磨削工件所消耗的能量，Vg是单颗磨粒去除的材料体积，dg是磨粒直径。
从公式(10)、(15)可以看出，单颗磨粒最大切削厚度agmax与磨削速度vs是决定材料变形区应变率与绝热失稳水平的两个重要因素，进而直接影响单颗磨粒磨削力和比能，研究速度及尺寸效应有着重要作用。
尺寸效应：三维移动平台系统III的Z向移动单元III-3可以实现每次进给0.1μm，即磨削深度ap增加0.1μm，其他参数不变，计算可得agmax＝8.97μm；磨削深度ap增加0.2μm，agmax＝9.02μm；磨削深度ap增加0.3μm，agmax＝9.06μm；磨削深度ap增加0.4μm，agmax＝9.11μm；磨削深度ap增加0.5μm，agmax＝9.15μm。磨削深度ap的增加，单颗磨粒最大切削厚度agmax增加，根据公式(13)(14)，应变率强化作用减小，非弹性功转化为热量并传入工件的比例增加，温升加剧，热软化作用更加显著，从而变形导致应力下降的幅度ΔFp将随单颗磨粒切削厚度的增加而增加，当单颗磨粒切削厚度在成屑区时，导致单位磨削力和磨削比能的下降，随后趋于平缓，这是尺寸效应的影响。这是由于：磨削时被磨削层经受多次反复挤压变形后才被切离，磨削表面产生变质层，硬度增大，导致单位面积磨削力增大，同时，由于金属材料内部的缺陷，当磨削深度小于材料内部缺陷的平均间隔值的0.7倍时，磨削相当于在无缺陷的理想材料中进行，此时切削剪应力和单位剪切能量保持不变，当磨削深度大于此平均间隔值时，由于金属材料内部的缺陷使切削时产生应力集中，因此随着磨削深度的增大，单颗磨粒最大切削厚度增加，金属材料的剪应变效应和剪应变率效应减弱，而热软化效应增强，热软化作用则要强于应变率强化作用，从而导致了磨粒与工件接触单位面积的磨削力(简称单位磨削力)减小，耗能减小，即比磨削能下降；随着单颗磨粒最大切削厚度的减小，比磨削能呈增大的趋势，主要原因为晶格内部位错的减少，造成塑性变形需要消耗更多的能量，表现出明显的尺寸效应。
速度效应：采用不同的磨削速度vs，保持单颗磨粒最大切屑厚度一致的条件下进行单颗磨粒速度效应研究实验。保持速比(磨削速度vs与工件进给速度vw之比)为60000，磨削深度ap＝10μm，调节电主轴系统I的变频器I-48的输入频率，改变主轴I-1的转速n，从而改变磨削速度vs，使磨削速度vs分别为110,120,130,140,150,160,170,180m/s进行单颗磨粒速度效应研究，通过磨削测力仪II-15测量单颗磨粒的磨削力。根据公式(12)，随着磨削速度vs的增大，导致材料去除速率加快，剪切角增大，应变率强化作用增强，剪切区应变率和绝热水平也随之提高，根据公式(13)(14)，磨削速度的提高也会引起非弹性功转化成热量的比例增加，单位时间内磨削耗能增加，必然导致磨削温度的上升，热软化作用增强，保证速比一定、单颗磨粒最大切厚恒定条件下，尽管磨削速度的提高使得磨削温度呈缓慢上升趋势，磨削力与磨削比能却保持恒定，这充分体现了高速磨削过程的“速度效应”。同时，随着磨粒速度的提高，磨粒与工件接触界面间的温度升高，金属材料产生热软化效应，材料塑性流动增强、剪切强度降低，有利于材料向磨粒两边形成塑性隆起，有利于磨屑的形成，磨屑在极短的时间内形成并离开工件表面，加上应变率响应的温度滞后影响，使工件表面的残余应力减小因而使磨削表面粗糙度得到明显降低。保持高速磨削速比或单颗磨粒最大切削厚度为恒定优化值的条件下，在工件不烧伤、砂轮不堵塞的约束范围内，提高磨削速度，材料磨除率将成比例的增加，可成倍提高磨削效率，最终获得其优化的磨削工艺。
图26是单颗磨粒粘结模型图。
磨削过程中，在较高的磨削温度和大的法向力作用下，磨削区的工件产生剧烈塑性变形，磨粒与工件通过物理、化学吸附作用而互相粘结，在相对滑擦的剪切力作用下，造成被磨材料向磨粒转移，从而发生磨粒粘附。随着粘附进一步增多，作用在磨粒上的磨削力增大，在磨粒拉应力作用下，最后产生磨粒破损。当磨粒相对于被磨工件移动了dL距离后，磨粒的原子与工件材料原子相遇一次时，粘走一个原子的概率Z为：
式中，dV为粘走的微体积；Ap为塑性接触面积。
由于粘结是分子或原子间相互作用的速度过程，因此有：
式中，E为磨粒与工件材料组合所决定的活性能量；R为玻耳兹曼常数(J/K)；K1为系数；θ为磨削温度。
根据磨削中磨粒与工件接触时的硬度压痕理论知磨粒与被磨工件表面的接触面积Ap为：
式中，Fgn为单颗磨粒法向磨削力；Hw为接触区的工件硬度。
将式(17)及式(18)代入式(16)，公式(16)是在工件表面没有污染的情况下导出的，而在大气中磨削时，氧的扩散会阻止粘结的发生，因此式(16)还应乘以氧的影响系数β0，即：
β0可按下式计算：
式中，ls为磨粒与工件接触长度；Km0为系数；ζ为临界氧化膜厚度；ρ为氧化膜厚度；v为磨削速度，v＝vs±vw，逆磨取“+”，顺磨取“-”；Q0为氧在被磨材料中的扩散激活能。
将公式(19)两边同除以磨粒粘附物厚度δ，并将式(20)代入后得磨粒粘附面积的变化为：
式中，Km＝Km0·K1。
将公式(21)两边从0到L积分，可得单颗磨粒接触区表面的粘附面积为：
将公式(22)两边同除以单颗磨粒与工件接触面积b·ls后，可得单颗磨粒粘附率ξ：
式中，b为磨粒宽度；L为磨削距离。
粘附率反映了磨粒特性、被磨材料物理机械性能及磨削参数等对粘附率的影响。增加磨削深度ap时，单颗磨粒法向磨削力Fgn增大，因而使单颗磨粒粘附率ξ增大。增大电主轴转速n时，使接触区温度升高，工件接触区硬度Hw降低，使粘附率ξ增大。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统，其特征在于，包括：
可旋转的砂轮，设有至少一对磨粒；
工件固定台，设于砂轮底部以便于砂轮对工件的磨削；
磨削测力仪，设于工件固定台底部，且与控制机构连接；
三维移动机构，支撑磨削测力仪带动工件进行X、Y、Z向的移动，三维移动机构与控制机构连接，控制机构控制三维移动机构在每个方向的进给速度、控制砂轮的载荷，并记录磨削测力仪测量的数据；
喷嘴，朝向工件固定台设置，喷嘴管可与不同润滑机构可拆卸连接。
2.根据权利要求1所述的一种支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统，其特征在于，所述三维移动机构包括X向移动单元，设于X向移动单元表面的Y向移动单元和与Y向移动单元固连的Z向移动单元。
3.根据权利要求2所述的一种支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统，其特征在于，所述X向移动单元包括内设有凹槽的底座，底座内设置带丝杠螺母座的丝杠，丝杠与X向动力源连接，丝杠两侧各设置一导轨，每条导轨均设有两个滑块，滑块包括固定元件和设于固定元件两侧的移动元件，固定元件顶部与滑板固定。
4.根据权利要求3所述的一种支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统，其特征在于，所述底座表面设置挡板，挡板表面设置与Y向移动单元连接的连接板，连接板与滑板紧固。
5.根据权利要求2所述的一种支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统，其特征在于，所述Y向移动单元与所述X向移动单元结构相同。
6.根据权利要求2所述的一种支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统，其特征在于，所述Y向移动单元表面设置L型支撑板，L型支撑板与所述Z向移动单元固定；
或者，所述Z向移动单元与所述X向移动单元结构相同，Z向移动单元侧部设置磨削测力仪平台。
7.根据权利要求1所述的一种支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统，其特征在于，所述工件固定台表面开有用于放置工件的凹槽，在凹槽内设有定位块，穿过工件固定台侧壁设有螺栓或螺钉，螺栓或螺钉可旋紧并与工件接触设置；
或者，在工件固定台表面设有平板，平板表面设置用于从上方对工件施力的压板，压板与平板可拆卸连接；
或者，一平板设于定位块，另一平板设于工件固定台。
8.根据权利要求1所述的支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统及方法，其特征在于，还包括防护罩，防护罩设于砂轮、工件固定台、磨削测力仪和三维移动机构的外部。
9.根据权利要求1所述的支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统及方法，其特征在于，所述砂轮、工件固定台、磨削测力仪和三维移动机构均设于光学平台，光学平台底部设置支撑架。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种支持不同润滑工况的单颗磨粒速度及尺寸效应试验系统的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)开启砂轮对工件进行磨削，调节三维移动机构中Z向移动单元，每次进给设定距离，从而增加或减少单颗磨粒最大切削厚度，磨削测力仪记录每次磨削力，研究单颗磨粒最大切削厚度与磨削力、比能的关系，即尺寸效应的影响；
2)保持速比(磨削速度与工件进给速度之比)和磨削深度为恒定值，调节砂轮的输入频率，改变砂轮的转速，从而改变磨削速度，通过磨削测力仪测量单颗磨粒的磨削力，研究单颗磨粒磨削速度对于磨削力、比能的影响，即速度效应的影响。
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