CN108225962A - 单颗磨粒钟摆式划擦试验装备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了单颗磨粒钟摆式划擦试验装备，该X向直线运动机构带动Z向直线运动机构、转接板、角度微调装置、夹具和试件沿X向直线运动；该Z向直线运动机构带动转接板、角度微调装置、夹具和试件沿Z向直线运动；该角度微调装置带动夹具和试件沿Y向旋转；该主轴电机带动回转盘绕Z向转动，该工具头固设在回转盘的回转周壁上，该工具头装接有单颗磨粒。X向控制划擦深度，角度微调装置调整试件划擦表面与Z向进给方向平行，Z向的进给速度与单颗磨粒的转速控制划痕的间距，当划痕间距较小时，划痕间相互重合，该试验装备可用于单颗磨粒的干涉划擦与非干涉划擦。
Description
技术领域
本发明涉及一种试验装备，尤其涉及一种单颗磨粒钟摆式划擦试验装备。
背景技术
磨削过程是磨具表面大量排列参差不齐，分布不规则的形状各异的硬磨料颗粒共同完成的切削过程。由于磨粒数量多、几何形状不规则、磨削速度高，每颗磨粒的磨削切深小且不一致等，因此磨削是一种多变量的复杂物理过程。而在科学研究中，把复杂现象抽象成一种简化的模式来进行理论分析和试验，进而探讨一些最本质的问题，是一种常用的方法。因此以构成砂轮细小磨粒的切削作用作为磨削中金属去除的基础，将单颗磨粒切削作为磨削的一种基本模式，成为认识复杂磨削作用的一种重要方法。
检索相关专利发现：
申请号为201210038994.7的发明申请公开了一种单颗磨粒超高速磨削试验方法，该发明所公布的方法是在磨床的基础上完成的，且磨削深度为0.01～ 10μm，磨床的定位精度通常大于1μm，由此可知在最大磨削深度时的相对误差最小约为10％，当磨削深度减小时相对误差急剧增加，特别是磨削深度小于1μm 时，磨削深度不再具有可控性。同时该方法在实施过程中并未进行动平衡，在高速时由于振动将会引起更大的试验误差。
申请号为201410738832.3的发明申请公开了一种单颗磨粒多级速度条件下的磨削试验方案，申请号为201410818100.5的发明申请公开了一种可控速控温的单颗磨粒磨削试验装置，申请号为201410818100.5的发明申请公开了一种超声振动辅助下单颗磨粒磨削试验装置及方法。上述3个申请公开的方法或装置有一个共同特点，划擦是在工件的圆周面上进行的，且划痕的深度是恒定的。实际磨削过程磨粒具有切入和切出工件的过程，磨粒的划擦深度是变化的，因此上述公开的三种试验方法或装置，并不能用于模拟真实的磨削过程。
申请号为201511015483.3的发明申请和申请号为201521125261.2的实用新型专利同时公开了一种新型超声振动辅助单颗磨粒刻线试验装置及方法。上述试验装置及方法在实施过程中将超声振动附件在工件和测力仪之间，同时超声装置并没有固定在测力仪上而是与外界相连。根据基本的力学分析可得，测力仪测得的力是单颗磨粒作用在工件上的力与变幅杆作用在工装上的力的合理，并不是真实的划擦力，因此该试验装置及方法存在原理性错误。
发明内容
本发明提供了单颗磨粒钟摆式划擦试验装备，其克服了背景技术中划擦试验装备所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：
单颗磨粒钟摆式划擦试验装备，包括床身(1)、夹具(7)、试件(8)、工具头(9)、X向直线运动机构(2)、Z向直线运动机构(3)、转接板(5)、角度微调装置(6)、回转盘(10)和主轴电机(12)；
该X向直线运动机构(2)装设在床身(1)和Z向直线运动机构(3)之间以使Z向直线运动机构(3)沿X向直线运动；该Z向直线运动机构(3)装设在X 向直线运动机构(2)和转接板(5)之间以使转接板(5)沿Z向直线运动；该角度微调装置(6)装设在转接板(5)和夹具(7)之间以使夹具(7)沿Y轴转动，该夹具(7)夹接有试件(8)，该试件(8)具有划擦表面，通过角度微调装置(6) 使划擦表面平行Z向；其中：该X向直线运动机构(2)带动Z向直线运动机构(3)、转接板(5)、角度微调装置(6)、夹具(7)和试件(8)沿X向直线运动；该Z 向直线运动机构(3)带动转接板(5)、角度微调装置(6)、夹具(7)和试件(8) 沿Z向直线运动；该角度微调装置(6)带动夹具(7)和试件(8)沿Y向旋转；
该主轴电机(12)装设在床身(1)且传动连接回转盘(10)以带动回转盘(10) 绕Z向转动，该工具头(9)固设在该回转盘(10)的回转周壁上，该工具头(9) 装接有单颗磨粒。
还包括测力仪(4)，该测力仪(4)装设在Z向直线运动机构(3)和转接板 (5)之间。
还包括主轴(11)，该主轴(11)轴线沿Z向布置，该主轴(11)连接在回转盘(10)和主轴电机(12)之间。
还包括控制系统，该控制系统连接X向直线运动机构(2)、Z向直线运动机构(3)、角度微调装置(6)和主轴电机(12)。
该工具头(9)个数包含有两个，该两个工具头(9)质量相等且轴向对称地固设在该回转盘(10)的回转周壁上，该两个工具头(9)上有且只有一个工具头 (9)上装接有单颗磨粒。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：
上述的单颗磨粒钟摆式划擦试验装备的试验方法，包括：
步骤1，将试件(8)装夹在夹具(7)上；
步骤2，通过调整角度微调装置(6)使试件(8)的划擦表面与Z向进给方向平行；
步骤3，主轴电机(12)带动回转盘(10)转动，带动工具头(9)做圆周运动；
步骤4，通过X向直线运动机构(2)使夹具(7)及试件(8)沿X正方向移动，以实现对刀；
步骤5，通过X向直线运动机构(2)继续使夹具(7)及试件(8)沿X正方向进给，以实现进给；
步骤6，设定Z向直线运动机构(3)的Z向运动的进给速度及进给距离，并驱动Z向直线运动机构(3)进给，使单颗磨粒在试件(8)的划擦表面上划擦；
步骤7，通过X向直线运动机构(2)使夹具(7)及试件(8)沿X负方向进给，使工具头(9)退出试件。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之三是：
上述的单颗磨粒钟摆式划擦试验装备的试验方法，包括：
步骤1，将试件(8)装夹在夹具(7)上；
步骤2，通过调整角度微调装置(6)使试件(8)的划擦表面与Z向进给方向平行；
步骤3，主轴电机(12)带动回转盘(10)转动，带动工具头(9)做圆周运动；
步骤4，通过X向直线运动机构(2)使夹具(7)及试件(8)沿X正方向移动，以实现对刀，进一步的，该步骤4包括：
快速进给；
当工具头(9)顶端接近于试件(8)划擦表面时，改为点动进给，直至工具头(9)与试件(8)划擦表面接触为止，接触与否则通过测力仪(4)是否有力信号判断，当有力信号出现时对刀完成；
步骤5，通过X向直线运动机构(2)继续使夹具(7)及试件(8)沿X正方向进给，以实现进给；
步骤6，设定Z向直线运动机构(3)的Z向运动的进给速度及进给距离，并驱动Z向直线运动机构(3)进给，使单颗磨粒在试件(8)的划擦表面上划擦；
步骤7，通过X向直线运动机构(2)使夹具(7)及试件(8)沿X负方向进给，使得工具头(9)退出试件。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
单颗磨粒钟摆式划擦试验装备还包括X向直线运动机构、Z向直线运动机构、转接板、角度微调装置、回转盘和主轴电机，因此能克服背景技术所存在的不足且产生如下技术效果：其一，X向用于控制划擦深度，角度微调装置用于调整试件划擦表面与Z向进给方向平行，Z向的进给速度与工具头(单颗磨粒)的转速可以控制划痕的间距，当划痕间距较小时，划痕间相互重合，因此该试验装备可以用于单颗磨粒的干涉划擦与非干涉划擦；其二，可较为真实的模拟磨粒切入和切出的过程且划擦深度是变化的；其三，配备了角度微调装置，使得一次试验所得到的多个划痕的深度和长度具有较高的统一性。
还包括测力仪，通过测力仪能控制对刀是否完成，加快试验速度和准确性。
附图说明
下面结合附图和本具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本具体实施方式的单颗磨粒钟摆式划擦试验装备的结构示意图。
图2为本具体实施方式的单颗磨粒钟摆式划擦试验装备的划痕形貌图。
具体实施方式
请查阅图1，单颗磨粒钟摆式划擦试验装备,包括床身1、X向直线运动机构2、 Z向直线运动机构3、测力仪4、转接板5、角度微调装置6、夹具7、试件8、工具头9、回转盘10、主轴11、主轴电机12以及控制系统。
该X向直线运动机构2装设在床身1和Z向直线运动机构3之间以使Z向直线运动机构3能沿X向直线运动，具体结构中：该X向直线运动机构2如包括设在床身1上的X向直线电机及该X向直线电机配设的X向动子，受X向直线电机驱动该X向动子能沿X向直线运动，该Z向直线运动机构3装设在X向动子上，因此Z向直线运动机构3能沿X向直线运动。
该Z向直线运动机构3装设在X向直线运动机构2和测力仪4之间以使测力仪4能沿Z向直线运动，具体结构中：该Z向直线运动机构3如包括设在X向动子上的Z向直线电机及该Z向直线电机配设的Z向动子，受Z向直线电机驱动该 Z向动子能沿Z向直线运动，该测力仪4装设在Z向动子上，因此测力仪4能沿Z 向直线运动。
该转接板5固定在测力仪4上；该角度微调装置6装设在转接板5和夹具7 之间以使夹具7能沿Y轴转动，具体结构中：该角度微调装置6如包括装设在转接板5的Y轴旋转电机及该Y轴旋转电机配设的Y轴旋转动子，该Y轴旋转动子受Y轴旋转电机作用能沿Y轴旋转，该夹具7装设在Y轴旋转动子上，因此夹具 7能沿Y轴转动。该试件8装夹在该夹具7上。
通过该X向直线运动机构2、Z向直线运动机构3能控制夹具7及该夹具7 上的试件8沿X向、Z向直线运动，通过该角度微调装置6能控制夹具7绕Y轴旋转，使夹具7和试件8沿图1中所示方向(绕Y轴旋转)做微动偏摆，呈钟摆式运动，使试件8的划擦表面平行于Z向进给方向。
该主轴电机12固定在床身1上，该主轴电机12通过联轴器传动连接主轴11 下端以带动主轴11转动，该主轴11轴线沿Z向布置，该主轴11上端与回转盘 10相连，以使回转盘10绕Z向转动。
该回转盘10的外回转周壁上固设有两个工具头9，该两个工具头9质量相等且两个工具头9相对外回转周壁的轴线对称布置，设两个工具头9能起到平衡偏心质量的作用。该两个工具头9中有一个工具头9上固设有单颗磨粒，另一个不设单颗磨粒，则回转盘10转动实现划擦时只有工具头9上的单颗磨粒与试件接触。
本具体实施方式之中：1、为保证试验的精度，该主轴11的径向跳动最好优于1微米，进一步的可优于0.5μm，优选配备液体静压轴承的主轴；主轴电机12 转速应具备较高的稳定性，如转速误差小于设定值的0.5％；X和Z向进给的定位误差最好优于1微米，进一步的可优于0.5μm，优选高精度直线电机；角度微调装置应具备较高的分辨率，如分辨率优于0.1°；2、试件划擦表面与Z向进给方向平行度误差最好小于0.5μm/10mm；3、一次试验所形成的划痕数目最好不小于 5；4、试件划擦面的表面粗糙度Ra最好优于0.1；且划擦面的平面度最好优于 0.5μm/10mm。
单颗磨粒钟摆式划擦试验装备的试验方法，包括：
步骤1，将试件8装夹在夹具7上，该试件8材料如为不锈钢；
步骤2，通过调整角度微调装置6使试件8的划擦表面(图中试件8的右侧面)与Z向进给方向具有较高的平行度，如平行度误差优于0.2μm/10mm；
步骤3，通过控制系统驱动主轴11带动工具头9做圆周运动，该主轴11转速为600～700rpm，如为682rpm，该工具头9顶端的回转半径(相对主轴11轴线的间距)为120～160mm，如为140mm，当选682rpm及140mm时划擦线速度为5m/s；
步骤4，通过控制系统驱动X向直线运动机构2使“Z向直线运动机构3、测力仪4、转接板5、角度微调装置6、夹具7、试件8”沿X正方向移动，带动“夹具7及该夹具7上的试件8”沿X正方向移动；该移动进一步的如包括：
先快速进给，进给速度如为1.5～5.5mm/s，如选2mm/s；
当工具头9顶端极限接近于试件8划擦表面时，改为点动进给，每次进给 0.1～0.3μm，如选0.2μm，直至工具头与试件8划擦表面接触为止，接触与否则通过测力仪4是否有力信号判断，当有力信号出现时对刀完成。
步骤5，通过控制系统驱动X向直线运动机构继续沿X正方向进给，进给距离为25～30μm，如选30μm，认定该次试验的划擦深度为25μm，且划擦深度误差小于0.2μm。
步骤6，设定Z向直线运动机构3的进给速度为5～6m/s，进给距离为1.5～ 2.5mm，如选5.68m/s，进给距离为2mm，并驱动Z向直线运动机构进给，此时形成了5个理论间距为0.5mm的等切深等长度的划痕，如图2所示。划痕的理论长度为3.872mm，中间3条划痕的长度分别为3.805mm、3.815mm和3.798mm。
步骤7，通过控制系统驱动X向直线运动机构2沿X负方向进给，使得工具头退出试件。
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 (7)
1.单颗磨粒钟摆式划擦试验装备，包括床身(1)、夹具(7)、试件(8)和工具头(9)，其特征在于：还包括X向直线运动机构(2)、Z向直线运动机构(3)、转接板(5)、角度微调装置(6)、回转盘(10)和主轴电机(12)；
该X向直线运动机构(2)装设在床身(1)和Z向直线运动机构(3)之间以使Z向直线运动机构(3)沿X向直线运动；该Z向直线运动机构(3)装设在X向直线运动机构(2)和转接板(5)之间以使转接板(5)沿Z向直线运动；该角度微调装置(6)装设在转接板(5)和夹具(7)之间以使夹具(7)沿Y轴转动，该夹具(7)夹接有试件(8)，该试件(8)具有划擦表面，通过角度微调装置(6)使划擦表面平行Z向；其中：该X向直线运动机构(2)带动Z向直线运动机构(3)、转接板(5)、角度微调装置(6)、夹具(7)和试件(8)沿X向直线运动；该Z向直线运动机构(3)带动转接板(5)、角度微调装置(6)、夹具(7)和试件(8)沿Z向直线运动；该角度微调装置(6)带动夹具(7)和试件(8)沿Y向旋转；
该主轴电机(12)装设在床身(1)且传动连接回转盘(10)以带动回转盘(10)绕Z向转动，该工具头(9)固设在该回转盘(10)的回转周壁上，该工具头(9)装接有单颗磨粒。
2.根据权利要求1所述的单颗磨粒钟摆式划擦试验装备，其特征在于：还包括测力仪(4)，该测力仪(4)装设在Z向直线运动机构(3)和转接板(5)之间。
3.根据权利要求1所述的单颗磨粒钟摆式划擦试验装备，其特征在于：还包括主轴(11)，该主轴(11)轴线沿Z向布置，该主轴(11)连接在回转盘(10)和主轴电机(12)之间。
4.根据权利要求1所述的单颗磨粒钟摆式划擦试验装备，其特征在于：还包括控制系统，该控制系统连接X向直线运动机构(2)、Z向直线运动机构(3)、角度微调装置(6)和主轴电机(12)。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的单颗磨粒钟摆式划擦试验装备，其特征在于：该工具头(9)个数包含有两个，该两个工具头(9)质量相等且轴向对称地固设在该回转盘(10)的回转周壁上，该两个工具头(9)上有且只有一个工具头(9)上装接有单颗磨粒。
6.根据权利要求1所述的单颗磨粒钟摆式划擦试验装备的试验方法，其特征在于：包括：
步骤1，将试件(8)装夹在夹具(7)上；
步骤2，通过调整角度微调装置(6)使试件(8)的划擦表面与Z向进给方向平行；
步骤3，主轴电机(12)带动回转盘(10)转动，带动工具头(9)做圆周运动；
步骤4，通过X向直线运动机构(2)使夹具(7)及试件(8)沿X正方向移动，以实现对刀；
步骤5，通过X向直线运动机构(2)继续使夹具(7)及试件(8)沿X正方向进给，以实现进给；
步骤6，设定Z向直线运动机构(3)的Z向运动的进给速度及进给距离，并驱动Z向直线运动机构(3)进给，使单颗磨粒在试件(8)的划擦表面上划擦；
步骤7，通过X向直线运动机构(2)使夹具(7)及试件(8)沿X负方向进给，使工具头(9)退出试件。
7.根据权利要求2所述的单颗磨粒钟摆式划擦试验装备的试验方法，其特征在于：包括：
步骤1，将试件(8)装夹在夹具(7)上；
步骤2，通过调整角度微调装置(6)使试件(8)的划擦表面与Z向进给方向平行；
步骤3，主轴电机(12)带动回转盘(10)转动，带动工具头(9)做圆周运动；
步骤4，通过X向直线运动机构(2)使夹具(7)及试件(8)沿X正方向移动，以实现对刀，进一步的，该步骤4包括：
快速进给；
当工具头(9)顶端接近于试件(8)划擦表面时，改为点动进给，直至工具头(9)与试件(8)划擦表面接触为止，接触与否则通过测力仪(4)是否有力信号判断，当有力信号出现时对刀完成；
步骤5，通过X向直线运动机构(2)继续使夹具(7)及试件(8)沿X正方向进给，以实现进给；
步骤6，设定Z向直线运动机构(3)的Z向运动的进给速度及进给距离，并驱动Z向直线运动机构(3)进给，使单颗磨粒在试件(8)的划擦表面上划擦；
步骤7，通过X向直线运动机构(2)使夹具(7)及试件(8)沿X负方向进给，使工具头(9)退出试件。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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