CN109459332A

CN109459332A - 一种参数可控式单/多颗磨粒高速刻划实验装置

Info

Publication number: CN109459332A
Application number: CN201811560691.5A
Authority: CN
Inventors: 刘献礼; 仲冬维; 刘立飞
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2019-03-12

Abstract

本发明公开了一种参数可控式单/多颗磨粒高速刻划实验装置，机床主轴带动回转圆盘绕主轴转动，工件通过镶块固定于圆盘基体的侧壁表面，圆盘可在主轴带动下于Y轴移动以改变刻划深度；精密移动工作台可带动旋转式转接板、刻划装置在X向移动，旋转式转接板可通过夹具板夹持三组刻划装置；三组刻划装置分别布置单颗磨粒、两颗磨粒、四颗磨粒及距离微调装置，距离微调装置可调整磨粒压头在Y方向小幅度运动以调整磨粒露出高度。工作台沿X方向移动可调节刻划间距，旋转式转接板以Y向为轴旋转；高速工业相机可与测力仪配合完成对刀并实时拍摄监控磨粒状态，该实验装置可用于多参数正交下的单/多颗磨粒高速刻划实验。

Description

一种参数可控式单/多颗磨粒高速刻划实验装置

技术领域

本发明涉及一种磨粒刻划装置，尤其使一种参数可控式单/多颗磨粒高速刻划实验装置。

背景技术

由于砂轮结构特点，使得磨削加工过程复杂、磨削加工机理问题研究困难。单颗磨粒是组成砂轮并完成工件材料去除的基本单元，单磨粒刻划作为磨粒加工的一种简化模式是认识复杂磨削作用的一种重要手段。在现今超精密加工技术快速发展的背景下，单颗磨粒的刻划实验可为超精密加工领域提供有力的理论支持和一定的指导作用，亦可以调和如磨削深度、进给量等磨削参数来使磨削效率与磨削质量最大化统一。从单颗磨粒刻划角度出发，深入探讨刻划过程中磨粒磨损、刻划力、材料划痕表面质量等的形成及演变机理，可以解释磨削过程中的各种现象。

众所周知，传统结合剂砂轮都是用大量磨粒通过结合剂固结在砂轮集体上，因此磨粒在砂轮上的分布是散乱无章的，磨粒分布的随机性又为磨削机理增加了可变性，单纯的考虑单颗磨粒在磨削加工中的作用是片面的，尤其使多颗磨粒间的耦合作用对加工的影响更是十分巨大的。

磨粒在分布在基体上的距离是随机的，因此就会出现磨粒之间用来排屑并输送冷却液的空间大小不能确定。磨粒间距小（磨粒集中区域）处砂轮易堵塞造成温度升高从而降低磨削效率，而磨粒间距大（磨粒稀疏区域）处有效磨削刃数目少易造成局部磨削力过大磨粒破碎情况严重。因此多颗磨粒刻划实验中考虑磨粒间距对磨削加工的影响是十分必要的。

磨粒在砂轮结合剂上露出高度是随机的，如磨粒露出高度较小则会导致磨削效率低下甚至无法达到正常的磨削要求；若磨粒露出高度较大虽然磨削效果良好但会造成磨削力过大使磨粒磨损严重甚至脱落，砂轮寿命因此降低，另一方面磨粒露出高度过大会形成悬臂梁使加工过程中振动增大，工艺系统刚性减小。因此怎样选择一个合适的磨粒露出高度来综合考虑加工效率与磨削成本是一个重要研究方向。

磨粒刻划实验装置是实验的基础，现今的关于磨粒刻划实验方法大致分为钟摆式和划擦式两种，Opoz T T, Chen X设计了搭建在Nanoform250超精密车床上的单磨粒实验装置，有学者基于金刚石飞切机床进行了刻划碳化硅陶瓷的滑擦式实验，无论哪种方式都存在一些不足就是缺少考虑多因素下的对比实验。例如单颗磨粒刻划实验往往只考虑刻划深度、刻划速度等，多颗磨粒往往只考虑磨粒间距与磨粒形状，对于单颗磨粒和多颗磨粒影响因素的对比较少。

综上所述，迫切需要一种能够完成单/多颗磨粒刻划的实验装置，它具有结构简单，多种参数可控，能够快捷准确的完成单/多磨粒在各种条件下的刻划实验，以实现对于磨削机理的研究。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明旨在提出一种单/多磨粒的刻划装置，它能够一次性完成变化各参数条件下的单/多磨粒刻划的对比实验，试验中可通过工业相机实时观测磨粒磨损、切屑状态等；通过压电测力仪实时采集刻划力信号，试验后可通过超景深三维显微镜观测工件划痕，实验为磨削机理、材料去除机理、砂轮寿命研究等有着积极作用。

为实现上述发明目的所需技术方案之一是:

一种参数可控式单/多颗磨粒耦合高速刻划实验装置，包括连接于数控机床电主轴的回转圆盘（5）；

包括侧壁表面设有可固定工件的镶块，镶块可自由拆卸，还有在其以圆盘圆心为对称中心的另一侧面设有平衡块；

回转圆盘通过法兰盘与数控机床电主轴（4）连接，数控机床电主轴为回转圆盘提供高转速，调节法兰盘平衡块使圆盘达到静平衡。

还包括主轴，主轴轴线沿X方向，可带动回转圆盘于Y向移动；

精密移动工作台（10）还承载包括转接板（9）、测力仪（7）、夹具板（8）及三组刻划装置；

刻划装置包括磨粒块（6）、单/多颗金刚石磨粒压头（13）、距离微调装置（14），磨粒块设有导轨，磨粒块表面设有刻度尺；

所述可旋转式转接板（15），其特征在于可通过夹具板安装三组刻划装置，三组刻划装置分别间隔120^o分布，夹具板与转接板采用沉头螺栓连接；

所述金刚石磨粒选取顶锥角为90^o的圆锥体，另外两组多颗金刚石磨粒压头上分别布置有两颗磨粒及四颗磨粒，两颗磨粒呈直线布置，其间距为300µm；四颗金刚石磨粒呈矩形布置，其间距分别为300µm与400µm。

所述测力仪使用kistler压电测力仪，该压电测力仪通过六角沉头螺钉装卡在旋转式转接板与夹具板之间；压电测力仪采集到的刻划力信号依次通过放大器、数据采集卡显示在PC机上；

所述工业相机选用Basler高速工业相机，其具有高帧率、高分辨率及录像等功能；工业相机机架装设在精密移动工作台侧面，实验前调整机架位姿，使金刚石磨粒压头出现在相机镜头视野内。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：

上述的一种参数可控式单/多颗磨粒高速刻划实验装置，包括以下步骤：

步骤1：金刚石磨粒工具的制备：根据实验要求，至少需要制备单/多颗磨粒金刚石刻划工具三组。金刚石磨粒统一选取顶锥角90^o的圆锥体，粒度号为60的磨粒，其最大粒径为253µm，平均粒径在220µm左右；按如图所示位置钎焊金刚石磨粒，保证磨粒出刃高度在200µm；制备完成后，通过超景深三维立体显微镜获取磨粒体积、出刃高度、顶角圆弧半径等数据信息，以备与试验后进行对比；碳化硅工件经过精密研磨与抛光保证刻划表面粗糙度Ra低于2μm，工件尺寸为50mm×10mm×5mm；

步骤2：工件的制备与安装：需要制备尺寸为50mm×10mm×5mm高表面质量的三块碳化硅工件，其表面经过精密研磨与抛光保证粗糙度Ra低于2μm；

步骤3：将金刚石磨粒刻划装置、压电测力仪、旋转式转接板通过夹具板固定在数控工具磨床工作台上，压电测力仪可将采集到的刻划力信号依次通过放大器、数据采集卡显示在PC机上，一方面在开始阶段对刀时控制磨粒位置，另一方面在刻划过程中可实时的采集刻划力信号；同时调整安装于工作台侧面的工业相机机架，使磨粒顶端出现在工业相机的视野范围内；

步骤4：先调整单颗磨粒刻划装置进入实验位置，准备工作结束，开动机床并移动机床主轴使回转圆盘上的工件逐渐接近金刚石磨粒；在工业相机的镜头视野中看到磨粒与工件接触并且测力仪出现较大的力信号波动时，完成对刀工作；

步骤5：调整回转圆盘于Y方向的位置以改变刻划深度，使磨粒垂直切入工件开始刻划实验，实验过程中采集刻划力信号，实验结束后抬高回转圆盘使工件退出磨粒刻划范围，停机不拆卸磨粒压头，通过工业相机观测磨粒磨损状态；

步骤6：通过工作台使刻划装置沿X向进给，驱动回转圆盘再次重复步骤5，可以使同一工件上形成数道划痕可观测磨粒磨损过程中的划痕变化；

步骤7：一组实验结束后，可调节单颗磨粒压头上的距离微调装置，重复步骤5可以实现同切深下的磨粒露出高度对结果的影响实验；调整磨粒于导轨上的位置重复步骤5，可以实验磨粒刻划角度对结果的影响实验。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之三是：

步骤1：通过旋转式转接板将带有两颗磨粒压头的刻划装置调整至实验位置，实验准备工作如上所述；

步骤2：调整回转圆盘于Y方向的位置以改变刻划深度，使磨粒垂直切入工件开始刻划实验，实验过程中实时采集刻划力信号，实验结束后抬高回转圆盘使工件退出磨粒刻划范围，停机不拆卸磨粒压头，通过工业相机观测磨粒磨损状态；结合划痕形貌与力信号分析磨粒耦合刻划机理；

步骤3：再次旋转调整转接板使四颗磨粒金刚石压头位于实验位置，重复步骤2所述实验内容；

步骤4：实验结束后，拆卸回转圆盘上的碳化硅工件，使用超景深显微镜观测表面划痕及横向裂纹情况。

本技术方案具有如下优势及创新：

可以实现单/多磨粒于一次装夹完成对比实验的先例；

可以停机不拆卸，直接在工作台上观测磨粒磨损状态；

通过磨粒压头上的距离微调装置可轻松的改变磨粒露出高度，可以研究磨粒露出高度对刻划机理的影响。

附图说明

图1为本发明具体实施方式结构示意简图；

图2、3、4分别为金刚石磨粒压头、回转圆盘及旋转式转接板。

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施方案对本发明做进一步阐述

如图1所示，本发明是一种参数可控式单/多颗磨粒高速刻划实验装置，包括主轴工作台1、主轴电机及控制系统2、主轴3、Y向直线运动机构4、测力仪4、回转圆盘5、金刚石刻划装置6、测力仪7、夹具板8、转接板9、精密移动工作台10、床身11，具体实施方案包括如下步骤：

步骤4：先调整单颗磨粒刻划装置进入实验位置，准备工作结束，开动机床并移动机床主轴（3）使回转圆盘上的工件逐渐接近金刚石磨粒；在工业相机的镜头视野中看到磨粒与工件接触并且测力仪（7）出现较大的力信号波动时，完成对刀工作；

步骤5：调整回转圆盘（5）于Y方向的位置以改变刻划深度，使磨粒垂直切入工件开始刻划实验，实验过程中采集刻划力信号，实验结束后抬高回转圆盘使工件退出磨粒刻划范围，停机不拆卸磨粒压头，通过工业相机观测磨粒磨损状态；

步骤6：通过工作台使刻划装置（6）沿X向进给，驱动回转圆盘再次重复步骤5，可以使同一工件上形成数道划痕可观测磨粒磨损过程中的划痕变化；

步骤7：一组实验结束后，可调节单颗磨粒压头上的距离微调装置（14），重复步骤5可以实现同切深下的磨粒露出高度对结果的影响实验；调整磨粒于导轨上的位置重复步骤5，可以实验磨粒刻划角度对结果的影响实验；

步骤8：通过旋转式转接板（9）将带有两/四颗磨粒压头的刻划装置调整至实验位置，从步骤4开始继续实验；

步骤9：实验结束后，拆卸回转圆盘上的碳化硅工件，使用超景深显微镜观测表面划痕及横向裂纹情况。

为使本发明顺利的实施，所述压电测力仪使用kistler 9265b压电式三向测力仪；所述工业相机Basler高速工业相机，其具有高帧率、高分辨率及录像等功能，可清晰的观测磨粒在实验前及实验后的状态。所述显微镜使用VXH-6000超景深三维显微系统。

如图2所示，回转圆盘外形及碳化硅工件装夹位置。

如图3所示，金刚石磨粒于压头上的位置及压头上的距离微调装置。

如图4所示，可旋转式转接板示意图及磨粒镶块示意图。

Claims

1.一种参数可控式单/多颗磨粒耦合高速刻划实验装置，其特征在于包括所述回转圆盘（12）的侧壁表面设有可固定工件的镶块，在其以圆盘圆心为对称中心的另一侧面设有平衡块，工件钎焊于镶块，所述镶块通过螺栓与圆盘基体连接，所述工件刻划表面保证粗糙度Ra低于2μm，其对称表面所述平衡块质量与工件镶块一致以保证圆盘基体平衡；所述刻划装置包括磨粒块、单/多颗金刚石磨粒压头（13）、距离微调装置（14），所述磨粒块设有导轨，磨粒块表面设有刻度尺，所述金刚石磨粒压头与距离微调装置装设于磨粒块导轨上，所述距离微调装置与金刚石压头柄采用间隙配合。

2.一种参数可控式单/多颗磨粒耦合高速刻划实验装置，其特征在于包括精密移动工作台（10）承载包括转接板（15）、测力仪（7）、夹具板（8）及刻划装置（6），可旋转式转接板，其特征在于可通过夹具板安装三组刻划装置，三组刻划装置分别间隔120^o分布，夹具板与转接板采用沉头螺栓连接，精密移动工作台可平面内沿X向移动。

3.根据权利要求书1所述的参数可控式单/多颗磨粒耦合高速刻划实验装置，其特征在于回转圆盘通过法兰盘与数控机床电主轴连接，数控机床电主轴为回转圆盘提供高转速，调节法兰盘平衡块使圆盘达到静平衡。

4.根据权利要求书2所述的参数可控式单/多颗磨粒耦合高速刻划实验装置，其特征在于可通过单/多颗磨粒块导轨上的刻度尺调节磨粒相对于回转圆盘的偏心距以改变磨粒刻划角度达到探究单/多磨粒刻划的磨削机理，调节范围在0mm~30mm之间，经计算可调控磨粒角度在60^o~90^o之间；所述的参数可控式单/多颗磨粒耦合高速刻划实验装置，其特征在于考虑了磨粒露出高度对机床刚度的影响，刻划装置可调节磨粒露出高度在10μm~50μm之间。

5.根据权利要求书1所述的参数可控式单/多颗磨粒耦合高速刻划实验装置，其特征在于夹具板表面加工有沉孔并通过沉头螺钉与kistler测力仪连接，金刚石压头有两部分组成，包括压柄和压头，所述压头呈圆锥形，尖端镶嵌金刚石磨粒。

6.根据权利要求书1所述的参数可控式单/多颗磨粒耦合高速刻划实验装置，其特征在于，包括：

步骤1，通过法兰盘将回转圆盘（5）连接于数控机床电主轴（2），调节法兰平衡块是圆盘达到静平衡；

步骤2，将磨粒块装夹于夹具板（8）上，夹具板通过沉头螺钉与测力仪（7）连接；

步骤3，调节精密工作台（10）与距离微调装置（14）使磨粒与工件刻划表面垂直，做耦合实验时应调节磨粒与回转圆盘的相对位置；

步骤4，移动工作台使金刚石压头位于刻划表面下方，调整回转圆盘高度微触加工表面，并通过测力仪与工业相机以便完成对刀；

步骤5，调整回转圆盘在Y向位置使刻划深度变化，调节距离微调装置使磨粒露出高度变化；调整磨粒压头于导轨上的位置，改变刻划角度；

步骤6，驱动机床主轴（1）使金刚石压头在工件表面刻划；

步骤7，完成一组实验后，使回转圆盘上升磨粒压头退出工件表面，卸下刻划装置沉头螺钉并旋转转接板固定第二组刻划装置进行实验。