CN108387474B - 超声辅助单颗磨粒钟摆式划擦试验装备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了超声辅助单颗磨粒钟摆式划擦试验装备，X向直线运动机构装设在床身和Z向直线运动机构之间，Z向直线运动机构装设在X向直线运动机构和转接板之间，角度微调装置装设在转接板和支架之间，超声换能器与变幅杆连接在一起并固定在支架上，试件与变幅杆一起做高频周期振动；主轴电机带动回转盘绕Z向转动，回转盘外回转周壁上固设有工具头，该工具头上固设有单颗磨粒。它具有如下优点：X向进给用于控制划擦深度，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向进给用于在试件表面形成若干个等切深等长度的划痕，可以实现单颗磨粒的干涉划擦与非干涉划擦，可以用于研究超声辅助单颗磨粒划擦过程的材料去除机理。
Description
技术领域
本发明涉及一种划擦试验装备，尤其涉及一种超声辅助单颗磨粒钟摆式划擦试验装备。
背景技术
随着科技的发展对硬脆性材料、难加工材料和新型先进材料的需求日益增多，对关键零件的加工效率、加工质量和加工精度提出了更高的要求。传统磨削方法因不可避免的产生较大的磨削力以及磨削热，引起试件表面、亚表面损伤以及砂轮寿命低等一系列问题。尤其在精密与超精密加工领域，这些加工缺陷的存在严重制约着零件加工精度及加工效率的提高。为解决这些问题，超声振动被引入到磨削加工中。国内外广泛研究证实超声振动磨削在提高材料去除率、提高加工表面质量与加工精度、降低试件表面损伤以及延长砂轮寿命等方面具有显著优势。磨削过程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。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。因此有必要开展超声辅助条件下单颗磨粒划擦过程材料的去除机理。
检索相关专利发现：
申请号为201410241159.2的发明申请公开了一种超声振动辅助下磨削试验装置及方法，该方法所形成的划痕是在试件的圆周面，划痕的深度是不变的。砂轮磨削过程磨粒切入试件然后切出，在这个过程磨粒的划擦深度是变化的。
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试件和测力仪之间，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试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。
同时上述公开的试验装置及方法是在精密磨床上的基础上实现的，而精密磨床的各方面精度远不能满足研究超声辅助条件下单颗磨粒划擦过程的材料去除机理。
发明内容
本发明提供了超声辅助单颗磨粒钟摆式划擦试验装备，其克服了背景技术中精密磨床所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：
超声辅助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)、转接板(5)、角度微调装置(6)、支架(7)、超声换能器(8)、变幅杆(9)、试件(10)、工具头(11)、回转盘(12)和主轴电机(14)；
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，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)能沿Z向直线运动，该角度微调装置(6)装设在转接板(5)和支架(7)之间以使支架(7)能沿Y轴转动，该超声换能器(8)与变幅杆(9)连接在一起并固定在支架(7)上，该试件(10)装夹在变幅杆(9)上并与变幅杆(9)一起做高频周期振动；
该主轴电机(14)装设在床身(1)上，该主轴电机(14)传动连接回转盘(12)以带动回转盘(12)绕Z向转动，该回转盘(12)外回转周壁上固设有工具头(11)，该工具头(11)上固设有单颗磨粒。
还包括测力仪(4)，该测力仪(4)装接在转接板(5)和角度微调装置(6)之间。
还包括主轴(13)，该主轴(13)传动连接主轴电机(14)和回转盘(12)且主轴(13)轴线沿Z向布置。
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(14)。
该工具头(11)个数包含有两个，该两个工具头(11)质量相等且轴向对称地固设在该回转盘(12)的回转周壁上，该两个工具头(11)上有且只有一个工具头(11)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：
上述的超声辅助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(10)装夹在变幅杆(9)上；
步骤2，通过调整角度微调装置(6)使试件(10)的划擦表面与Z向进给方向平行；
步骤3，主轴电机(14)带动回转盘(12)转动，带动工具头(11)做圆周运动；
步骤4，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)、支架(7)、超声换能器(8)、变幅杆(9)和试件(10)沿X正方向移动，带动支架(7)及该支架(7)上的超声换能器(8)、变幅杆(9)和试件(10)沿X正方向移动，直至对刀完成；
步骤5，开启超声换能器(8)，使试件(10)与变幅杆(9)一起做高频超声振动；
步骤6，X向直线运动机构(2)继续带动支架(7)及该支架(7)上的超声换能器(8)、变幅杆(9)和试件(10)沿X正方向进给，确定该次试验的划擦深度；
步骤7，设定Z向直线运动机构(3)的进给速度和进给距离，并驱动Z向直线运动机构(3)实现进给；
步骤8，X向直线运动机构(2)沿X向负方向进给，使工具头(11)退出试件(10)，关闭超声换能器(8)。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之三是：
上述的超声辅助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(10)装夹在变幅杆(9)上；
步骤2，通过调整角度微调装置(6)使试件(10)的划擦表面与Z向进给方向平行；
步骤3，主轴电机(14)带动回转盘(12)转动，带动工具头(11)做圆周运动；
步骤4，X向直线运动机构(2)带动Z向直线运动机构(3)、测力仪(4)、转接板(5)、角度微调装置(6)、支架(7)、超声换能器(8)、变幅杆(9)和试件(10)沿X正方向移动，带动支架(7)及该支架(7)上的超声换能器(8)、变幅杆(9)和试件(10)沿X正方向移动；该移动进一步的如包括：
先快速进给；
当工具头(11)顶端极限接近于试件(10)划擦表面时，改为点动进给，直至工具头(11)与试件(10)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，开启超声换能器(8)，使试件(10)与变幅杆(9)一起做高频超声振动；
步骤6，X向直线运动机构(2)继续带动支架(7)及该支架(7)上的超声换能器(8)、变幅杆(9)和试件(10)沿X正方向进给，确定该次试验的划擦深度；
步骤7，设定Z向直线运动机构(3)的进给速度和进给距离，并驱动Z向直线运动机构(3)实现进给；
步骤8，驱动X向直线运动机构(2)沿X向负方向进给，使工具头(11)退出试件(10)，关闭超声换能器(8)。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
X向进给用于控制划擦深度，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向进给用于在试件表面形成若干个等切深等长度的划痕，其一，通过匹配Z向进给的进给速度与回转盘(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实现单颗磨粒的干涉划擦与非干涉划擦，可以用于研究超声辅助单颗磨粒划擦过程的材料去除机理；其二，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；其三，超声换能器与变幅杆连接在一起并固定在支架上，试件装夹在变幅杆上并与变幅杆一起做高频周期振动，钟摆式划擦的磨粒与试件的相对运动与实际磨削过程中最相似，能模拟真实的磨削过程。
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超声辅助单颗磨粒钟摆式划擦试验装备的示意图。
具体实施方式
超声辅助单颗磨粒钟摆式划擦试验装备，请查阅图1，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、支架7、超声换能器8、变幅杆9、试件10、工具头11、回转盘12、主轴13、主轴电机14以及控制系统等。该超声振动可以是轴向超声振动、径向超声振动和椭圆超声振动。
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和支架7之间以使支架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，该支架7装设在Y轴旋转动子上，因此支架7能沿Y轴转动。
该超声换能器8与变幅杆9连接在一起并固定在支架7上，该试件10装夹在变幅杆9上并与变幅杆9一起做高频周期振动。
通过该X向直线运动机构2、Z向直线运动机构3能控制支架7及该支架7上的超声换能器8、变幅杆9、试件10沿X向、Z向直线运动，通过该角度微调装置6能控制支架7绕Y轴旋转，使支架7、超声换能器8、变幅杆9、试件10沿图1中所示方向(绕Y轴旋转)做微动偏摆，使试件10的划擦表面平行于Z向进给方向。
该主轴电机14固定在床身1上，该主轴电机14通过联轴器传动连接主轴13下端以带动主轴13转动，该主轴13轴线沿Z向布置，该主轴13上端与回转盘12相连，以使主轴电机14带动回转盘12绕Z向转动。
该回转盘12的外回转周壁上固设有两个工具头11，该两个工具头11质量相等且两个工具头11相对外回转周壁的轴线对称布置，设两个工具头11能起到平衡偏心质量的作用。该两个工具头11中有一个工具头11上固设有单颗磨粒，另一个不设单颗磨粒，则回转盘12转动实现划擦时只有工具头11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13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14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1μm，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、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。
超声辅助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10装夹在变幅杆9上，试件的材料如为蓝宝石；
步骤2，通过调整角度微调装置6使试件10的划擦表面(图中试件10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13带动回转盘转动，带动工具头11做圆周运动，该主轴13转速为600～700rpm，如为682rpm，该工具头11顶端的回转半径(相对主轴13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、支架7、超声换能器8、变幅杆9和试件10”沿X正方向移动，带动“支架7及该支架7上的超声换能器8、变幅杆9和试件10”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11顶端极限接近于试件10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11与试件10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，开启超声换能器，使试件10与变幅杆9一起做高频超声振动，振动的频率如为25～30kHz，进一步如27kHz。
步骤6，通过控制系统驱动X向直线运动机构继续带动“支架7及该支架7上的超声换能器8、变幅杆9和试件10”沿X正方向进给，进给距离为8～12μm，如选10μm，确认该次试验的划擦深度为10μm，且划擦深度误差小于0.2μm。
步骤7，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2.5～3.5mm，如选5.68m/s，进给距离为3mm，并驱动Z向直线运动机构实现进给，此时形成了7个理论间距0.5mm的等切深等长度的划痕。
步骤8，通过控制系统驱动X向直线运动机构2沿X向负方向进给，使工具头退出试件，关闭超声换能器。
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 (5)
1.超声辅助单颗磨粒钟摆式划擦试验装备，其特征在于：
包括床身（1）、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）、支架（7）、超声换能器（8）、变幅杆（9）、试件（10）、工具头（11）、回转盘（12）、主轴电机（14）和测力仪（4）；
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，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）能沿Z向直线运动，该角度微调装置（6）装设在转接板（5）和支架（7）之间以使支架（7）能沿Y轴转动，该超声换能器（8）与变幅杆（9）连接在一起并固定在支架（7）上，该试件（10）装夹在变幅杆（9）上并与变幅杆（9）一起做高频周期振动；该测力仪（4）装接在Z向直线运动机构（3）和角度微调装置（6）之间；
该主轴电机（14）装设在床身（1）上，该主轴电机（14）传动连接回转盘（12）以带动回转盘（12）绕Z向转动，该回转盘（12）外回转周壁上固设有工具头（11），该工具头（11）上固设有单颗磨粒；
还包括主轴（13），该主轴（13）传动连接主轴电机（14）和回转盘（12）且主轴（13）轴线沿Z向布置。
2.根据权利要求1所述的超声辅助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（14）。
3.根据权利要求1或2所述的超声辅助单颗磨粒钟摆式划擦试验装备，其特征在于：该工具头（11）个数包含有两个，该两个工具头（11）质量相等且轴向对称地固设在该回转盘（12）的回转周壁上，该两个工具头（11）上有且只有一个工具头（11）上装接有单颗磨粒。
4.根据权利要求1所述的超声辅助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（10）装夹在变幅杆（9）上；
步骤2，通过调整角度微调装置（6）使试件（10）的划擦表面与Z向进给方向平行；
步骤3，主轴电机（14）带动回转盘（12）转动，带动工具头（11）做圆周运动；
步骤4，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）、支架（7）、超声换能器（8）、变幅杆（9）和试件（10）沿X正方向移动，带动支架（7）及该支架（7）上的超声换能器（8）、变幅杆（9）和试件（10）沿X正方向移动，直至对刀完成；
步骤5，开启超声换能器（8），使试件（10）与变幅杆（9）一起做高频超声振动；
步骤6，X向直线运动机构（2）继续带动支架（7）及该支架（7）上的超声换能器（8）、变幅杆（9）和试件（10）沿X正方向进给，确定该次试验的划擦深度；
步骤7，设定Z向直线运动机构（3）的进给速度和进给距离，并驱动Z向直线运动机构（3）实现进给；
步骤8，X向直线运动机构（2）沿X向负方向进给，使工具头（11）退出试件（10），关闭超声换能器（8）。
5.根据权利要求1所述的超声辅助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（10）装夹在变幅杆（9）上；
步骤2，通过调整角度微调装置（6）使试件（10）的划擦表面与Z向进给方向平行；
步骤3，主轴电机（14）带动回转盘（12）转动，带动工具头（11）做圆周运动；
步骤4，X向直线运动机构（2）带动Z向直线运动机构（3）、测力仪（4）、转接板（5）、角度微调装置（6）、支架（7）、超声换能器（8）、变幅杆（9）和试件（10）沿X正方向移动，带动支架（7）及该支架（7）上的超声换能器（8）、变幅杆（9）和试件（10）沿X正方向移动；该移动包括：
先快速进给；
当工具头（11）顶端极限接近于试件（10）划擦表面时，改为点动进给，直至工具头（11）与试件（10）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，开启超声换能器（8），使试件（10）与变幅杆（9）一起做高频超声振动；
步骤6，X向直线运动机构（2）继续带动支架（7）及该支架（7）上的超声换能器（8）、变幅杆（9）和试件（10）沿X正方向进给，确定该次试验的划擦深度；
步骤7，设定Z向直线运动机构（3）的进给速度和进给距离，并驱动Z向直线运动机构（3）实现进给；
步骤8，驱动X向直线运动机构（2）沿X向负方向进给，使工具头（11）退出试件（10），关闭超声换能器（8）。
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