CN114216846A - 单点划擦实验装置与其进给系统及单点划擦实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于单点划擦试验装置的进给系统，所述进给系统设置于所述单点划擦试验装置所在磨床的一侧，所述进给系统内部设置压电陶瓷驱动器，用于驱动设置于所述进给系统一端的工件进行进给运动。在所述磨床另一侧的划擦系统绕其旋转轴线旋转，划擦刀具以100m/s以上的线速度绕旋转轴线转动。通过进给系统内部的压电陶瓷驱动器进行进给，让进给运动周期等于划擦系统旋转周期，以配合线速度在100m/s以上的超高速的划擦，从而能够实现超高速单点划擦，避免重复划擦带来的亚表面重复损伤。与现有的技术相比，本发明能够避免在超高速单点划擦中低速进给带来的重复划擦。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工中的材料测试技术领域，尤其涉及单点划擦实验装置与其进给系统及单点划擦实验方法。
背景技术
超高速磨削是实现高效率、高质量、绿色加工的重要工艺。为了研究超高速磨削的加工机理，探寻不同材料超高速磨削的加工工艺，超高速单点划擦实验成为研究超高速磨削的必需手段。单点划擦实验所实现的过程实际上是砂轮中的单颗磨粒对材料的单次划擦。通过表征划擦在材料上产生的沟槽及其亚表面，研究人员能够更进一步地理解材料的去除机理。
目前进行单点划擦实验的平台主要有原子力显微镜、单摆以及磨床。利用原子力显微镜进行划擦实验，其具有探针，通过探针对工件进行单点划擦，但是原子力显微镜的探针的单点划擦速度在um/s级别；学者O’ Connor利用单摆进行划擦实验。其相关实验过程发表在文章“On the effect of crystallographic orientation on ductile materialremoval in silicon”。在此文章中，作者实验所使用的单摆长度为150mm，其能达到的速度在1m/s 以下，单摆是依靠自身的重力进行划擦，无动力导致的划擦速度慢，要足够长的单摆长度方能使单点划擦速度达到m/s级别。
然而磨床能够进行高速划擦实验，但是现有的磨床在进行高速划擦时其划擦系统所能达到的最高划擦速度并不能超过100m/s。即使划擦系统克服一定难度能够达到100m/s的速度，那么与在100m/s的速度以上的划擦系统相配合的进给系统也很难达到相匹配的进给速度。一旦划擦系统的速度过高，而进给系统无法达到相匹配的进给速度时，则会形成重复切削，使得材料亚表面出现重复损伤，进而导致样件失效。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供单点划擦实验装置与其进给系统及单点划擦实验方法，其解决了划擦系统的速度极高(100m/s 以上)，而进给系统无法达到相匹配的进给速度的技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一方面，所述进给系统设置于所述单点划擦试验装置的磨床的一侧，所述进给系统内部设置压电陶瓷驱动器，用于驱动设置于所述进给系统一端的工件；
所述磨床另一侧的划擦系统绕其旋转轴线旋转，使得所述划擦系统上的划擦刀具具有100m/s以上的旋转线速度；
在所述压电陶瓷驱动器的驱动下，将所述工件依次接近、保持、远离所述划擦系统的单次运动所需时间定义为进给运动周期。在实验中设定所述进给运动周期等于所述划擦系统的旋转周期。
可选地，所述进给系统的内部开设有腔室，所述压电陶瓷驱动器的一端固定安装于所述腔室的一端，所述腔室的另一端设置有柔性结构，所述柔性结构和所述腔室将所述进给系统隔成主体部和安装部，所述安装部向外延伸形成突出部，所述突出部用于安装所述工件；
所述压电陶瓷驱动器在接通所述外部信号发生器的状态下，依据不同的电平状态，发生不同位移的收缩或伸长，致使所述凸台沿着旋转刀盘22的旋转轴线方向产生进给运动。
可选地，所述进给系统包括压电陶瓷外框架，所述压电陶瓷外框架朝向所述划擦系统一侧设有所述柔性结构，所述柔性结构一侧有凸台，所述凸台一侧设有开槽；
所述压电陶瓷驱动器设置于所述压电陶瓷外框架内，且所述压电陶瓷通过导线穿过所述压电陶瓷外框架连接有外部信号发生器。
可选地，所述工件设置于所述凸台的一端面上，且所述工件通过连接件固定安装于所述凸台上。
可选地，所述连接件为“U”型连接件；
所述“U”型连接件具有上安装部、端部和下安装部；
所述端部设置于所述上安装部和所述下安装部之间，且三者之间形成安装腔，所述安装腔与所述凸台相配合安装，以使所述工件固定安装于所述凸台的一侧端面上，所述上安装部和所述下安装部分别固定于所述凸台的上下两端面上，所述上安装部的宽度大于所述下安装部；
所述“U”型连接件还具有与外部连通的敞口，所述敞口使得所述工件部分裸露于外部。
另一方面，一种单点划擦实验装置，包括磨床、划擦系统和所述的进给系统。
可选地，还包括测力仪，所述测力仪与所述压电陶瓷外框架之间设置有连接板，且所述连接板的两端面分别与所述测力仪与所述压电陶瓷外框架相固定。
可选地，还包括安装支架，所述安装支架与所述磨床固定连接，所述安装支架用于将所述进给系统安装至所述磨床上。
再一方面，一种基于所述的单点划擦实验装置的单点划擦实验方法，控制所述进给系统在所述划擦系统沿其旋转轴线以100m/s以上的线速度进行旋转时，朝向所述划擦系统进给所述工件，以在所述工件的表面形成单点划擦划痕。
可选地，所述工件呈片状，且厚度小于3mm。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明的单点划擦实验装置与其进给系统及单点划擦实验方法，通过进给系统内部的压电陶瓷驱动器完成进给，以配合超高速的划擦速度，能够实现超高速单点划擦，避免重复划擦带来的亚表面重复损伤。与现有的技术相比，本发明能够有效避免在超高速单点划擦中低速进给带来的重复划擦。
附图说明
图1为本发明的单点划擦实验装置实施例1的整体分解结构示意图；
图2为图1中未示出磨床的组装结构示意图；
图3为本发明的单点划擦实验装置的进给系统纵向截面示意图；
图4为本发明的单点划擦实验装置的连接件立体结构示意图；
图5为本发明的单点划擦实验装置实施例2的进给周期的坐标示意图；
图6为本发明的单点划擦实验装置的划擦系统的部分主视结构示意图。
【附图标记说明】
1：磨床；
2：划擦系统；21：旋转主轴；22：旋转刀盘；23：划擦刀具；231：金刚石刀粒；232：刀杆；
3：进给系统；31：安装支架；321：压电陶瓷外框架；322：压电陶瓷驱动器；323：缺口；324：凸台；325：柔性结构；
4：工件；
5：连接件；51：上安装部；52：端部；53：下安装部；54：敞口；
6：测力仪；
7：连接板；
8：垫片。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所提及的“上”、“下”、“内”和“外”等方位名词以图1的定向为参照。将安装支架31所在的的一侧定义为左侧。将压电陶瓷驱动器322所在的一侧定义为前侧。
实施例1：
参照图1所示，本发明实施例提出的一种单点划擦实验装置，包括磨床1、划擦系统2和进给系统3。
进给系统3设置于单点划擦试验装置所在的磨床1的一侧，进给系统3内部设置压电陶瓷驱动器322，用于驱动设置于进给系统3一端的工件4。
磨床1另一侧的划擦系统2绕其旋转轴线旋转，使得划擦系统2上的划擦刀具23具有100m/s以上的旋转线速度。在压电陶瓷驱动器322 的驱动下，将工件4依次接近、保持、远离划擦系统2一次所需要的时间定义为进给运动周期。在实验中将其设定为划擦系统2的旋转的周期T (参见图5所示)。在实验中，将旋转的周期T(参见图5所示)设定为划擦系统2的进给运动周期。因为工件4与金刚石刀粒231在一个周期内只能相遇一次，从而能够避免在超高速单点划擦中低速进给带来的重复划擦。
划擦系统2设置于磨床1的一侧(即右侧)，划擦系统2能够沿其旋转轴线以100m/s以上的线速度进行旋转。
具体地，划擦系统2包括旋转主轴21、旋转刀盘22和划擦刀具23。
旋转主轴21的一端通过外部驱动部件驱动其沿旋转轴线进行旋转，旋转主轴21的另一端固定连接于旋转刀盘22，旋转刀盘22与旋转主轴 21同轴设置。
需要说明的是，外部驱动件采用电主轴等驱动部件。
进一步地，旋转刀盘22采用钛合金或者碳纤维材质。采用钛合金或者碳纤维作为旋转刀盘22和高精度气封油压技术驱动旋转主轴21，确保划擦刀具23的最高速度能够达到350m/s。
进一步地，划擦刀具23包括刀杆232和金刚石刀粒231。
刀杆232呈圆柱状，且刀杆232的一端与旋转刀盘22相连。具体地，在旋转刀盘22的一侧开设有比刀杆232的直径略大的插孔，向插孔内注入胶水，然后将刀杆232插入插孔内，通过胶水将刀杆232和旋转刀盘22粘合在一起。刀杆232的另一端与金刚石刀粒231通过焊接的方式相连接在一起(参见图6所示)。
金刚石刀粒231的形状为三棱尖、四棱尖、锥形、或球形。
划擦刀具23设置于旋转刀盘22靠近于压电陶瓷驱动器322的一侧 (即左侧)，划擦刀具23上的金刚石刀粒231能够在工件4上产生单点划擦形成划痕。
本发明提供一种单点划擦实验装置，通过压电驱动器32作为进给系统3，以配合超高速的划擦速度，能够实现超高速单点划擦，避免重复划擦带来的亚表面重复损伤。与现有的技术相比，本发明能够有效避免在超高速单点划擦中低速进给带来的重复划擦。
进给系统3设置于磨床1的另一侧(即左侧)，进给系统3包括安装支架31。
安装支架31与磨床1固定连接，安装支架31用于将测力仪6、连接板7、进给系统3、工件4、连接件5、石英隔热片8连接于磨床1上(参见图1所示)。
进一步地，参见图3所示，进给系统3的内部开设有腔室，压电陶瓷驱动器322的一端固定安装于腔室的一端，腔室的另一端设置有柔性结构325，柔性结构325和腔室将进给系统3隔成主体部和安装部，安装部向外延伸形成突出部，突出部用于安装工件4。
压电陶瓷驱动器322在接通外部信号发生器的状态下，依据不同的电平状态，发生收缩或伸长，致使凸台324沿着划擦系统2的旋转轴向进行进给运动。
进给系统3包括压电陶瓷外框架321，压电陶瓷外框架321朝向划擦系统2一侧设有柔性结构325，柔性结构325一侧有凸台324，凸台324 一侧设有开槽。
压电陶瓷驱动器322设置于压电陶瓷外框架321内，且压电陶瓷通过导线穿过压电陶瓷外框架321连接有外部信号发生器。
压电陶瓷驱动器322朝向划擦系统2的一侧与凸台324一侧紧密贴合。柔性结构325的一侧与压电陶瓷外框架321一体连接，另一侧与凸台324一体连接，凸台324穿过开口323向外延伸形成突出部，突出部用于安装工件4。
压电陶瓷驱动器322根据外部信号发生器产生的信号，朝向柔性结构325一侧产生相应的形变，以推动贴合的凸台324朝向划擦系统2的一侧运动，进而使得工件4朝向划擦系统2一侧运动。
具体地，压电陶瓷驱动器322在电压驱动下，压电陶瓷驱动器322 首先会朝向划擦系统2的一侧(即压电陶瓷驱动器322的右侧)产生微米级的形变量，该微米级的形变量传导至凸台324上，以使凸台324沿着开口323带动其设置于凸台324上的工件4产生朝向划擦系统2(即凸台324的右侧)的进给量。然后压电陶瓷驱动器322驱动凸台324上的工件4朝向划擦系统2的一侧发生微米级的运动，直至工件4与划擦系统2上的金刚石刀粒231产生划擦。接着，柔性结构325朝向左侧运动恢复至原始状态，柔性结构325在恢复的过程中向左拉着凸台324沿着开口323向左运动恢复至初始位置(即未进给前的位置)。由此可知，工件4在凸台324上通过压电陶瓷驱动器322和柔性结构325的配合，完成了朝向划擦系统2的运动(向右运动)、保持不动和远离划擦系统2 的运动(向左运动)的三个动作过程；相应地，压电陶瓷驱动器322通过导线与信号发生器连接，在信号发生器上输入4个点，进而定义了一个模拟信号梯形方波(参见图5所示)。在梯形方波的作用下，压电陶瓷器322驱动凸台324上的工件4完成上述三个动作过程。同时需要确保的是，进给运动周期等于划擦系统2的旋转的周期T，从而能够避免在超高速单点划擦中低速进给带来的重复划擦。然后便可对完成单点划擦实验的工件4取下进行分析以及研究磨削中超高加工速度(超高应变率 10^51/s)对材料去除机理的影响提供了实验基础。
进一步地，还包括测力仪6，测力仪6与压电陶瓷外框架321之间设置有连接板7，且连接板7的两端面分别与测力仪6与压电陶瓷外框架 321相固定。测力仪6通过信号放大和数据采集获得工件4的划擦力数据。连接板7的设置便于测力仪6与压电陶瓷外框架321的连接。
进一步地，工件4设置于凸台324的朝向划擦系统2的一端面(右端面)上，且工件4通过连接件5固定安装于凸台324上。
进一步地，连接件5为“U”型连接件。
“U”型连接件具有上安装部51、端部52和下安装部53(参见图4 所示)。
端部52设置于上安装部51和下安装部53之间，且三者之间形成安装腔，安装腔与凸台324相配合安装，以使工件4固定安装于凸台324 的一侧端面上(即右端面)，上安装部51和下安装部53分别固定于凸台的上下两端面上，上安装部51的宽度大于下安装部53。
“U”型连接件还具有与外部连通的敞口54，敞口54使得工件4部分裸露于外部。“U”型连接件的连接方式效果更好，能够使得工件4更加牢固地固定在凸台324的一侧端面上(即右端面)，上安装部51和下安装部53通过螺栓螺接的方式固定在凸台324的上下端面上。
进一步地，在工件4与凸台324的右侧安装端面之间设置有垫片8。用于调节工件4的装夹松紧状态。
一种基于的单点划擦实验装置的单点划擦实验方法，控制进给系统3 在划擦系统2沿其旋转轴线以100m/s以上的线速度进行旋转时，朝向划擦系统2进给工件4，以在工件4的表面形成单点划擦划痕。
具体地，方法包括如下步骤：
S1、安装工件：将工件4通过连接件5固定安装于进给系统3的突出部上，使得工件4部分裸露。
S2、划擦工作：启动划擦系统2，使其沿旋转轴线旋转，且划擦系统 2的线速度达到100m/s以上。
S3、单点划擦：信号发生器，能够根据输入的4个点的参数对应地输出梯形的电平信号给出凸台324的进给运动周期，参见图5所示，且梯形的电平信号的周期等于旋转刀盘22的单圈转动周期，即压电陶瓷驱动器322驱动进给系统3产生周期等于旋转刀盘转动周期的进给运动。
压电陶瓷驱动器322在电压的驱动下，压电陶瓷驱动器322首先会朝向划擦系统2的一侧(即压电陶瓷驱动器322的右侧)产生微米级的形变量，该微米级的形变量作为进给量作用于柔性结构325上，柔性结构325会朝向右侧产生进给量，柔性结构325将进给量传导至凸台324 上，以使凸台324沿着开口323带动其设置于凸台324上的工件4产生朝向划擦系统2(即凸台324的右侧)的进给量。然后压电陶瓷驱动器 322驱动凸台324上的工件4朝向划擦系统2的一侧发生微米级的运动，直至工件4与划擦系统2上的金刚石刀粒231产生划擦。接着，柔性结构325朝向左侧运动恢复至原始状态，柔性结构325在恢复的过程中会向左拉着凸台324沿着开口323向左运动恢复至初始位置(即未进给前的位置)。
S4、完成划擦实验。
在本实施例中，进给运动周期为信号源输入的第四个点的参数与信号源输入的第一个点的参数之差。其中，所述进给运动周期等于所述划擦系统2的旋转的周期T，确保划擦系统2的划擦刀具23在工件4上形成单点单次的划擦。
进一步地，步骤S1中的工件4呈片状，且厚度小于3mm。
实施例2：
划擦系统2的划擦刀具23的旋转线速度为300m/s，在信号发生器中输入4个点的参数分别为点1：0ms、点2：0.24ms、点3：0.73ms和点 4：0.976，由此可知，压电陶瓷驱动器322的进给运动周期为0.976ms。在此条件下，形成一个高电平为3V，低电平为0V的梯形电压信号方波 (参见图5所示)，高电平和低电平之间的差值使得压电陶瓷驱动器322 根据不同的电平状态发生收缩或伸长，在信号源的作用下，压电陶瓷驱动器322在第0.19ms时使得凸台324上的工件4沿着划擦系统2的旋转轴线方向进行进给运动，在朝向划擦系统2运动的第0.4ms时，凸台324 上的工件4停止运动，使得凸台324上的工件4停止运动的时间为0.45ms，在划擦系统2的划擦刀具23的划擦下形成划擦点，即在第0.85ms时，凸台324上的工件4进给系统3的压电陶瓷驱动器322驱动凸台324上的工件4远离划擦系统运动一段时间，回到初始状态，回到初始状态时为第1.18ms。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种用于单点划擦试验装置的进给系统，所述进给系统(3)设置于所述单点划擦试验装置的磨床(1)的一侧，其特征在于：所述进给系统(3)内部设置压电陶瓷驱动器(322)，用于驱动设置于所述进给系统(3)一端的工件(4)；
所述磨床(1)另一侧的划擦系统(2)绕其旋转轴线旋转，使得所述划擦系统(2)上的划擦刀具(23)具有100m/s以上的旋转线速度；
在所述压电陶瓷驱动器(322)的驱动下，将所述工件(4)依次接近、保持、远离所述划擦系统的单次运动所需时间定义为进给运动周期，所述进给运动周期等于所述划擦系统(2)的旋转的周期。
2.如权利要求1所述的进给系统，其特征在于：所述进给系统(3)的内部开设有腔室，所述压电陶瓷驱动器(322)的一端固定安装于所述腔室的一端，所述腔室的另一端设置有柔性结构(325)，所述柔性结构(325)和所述腔室将所述进给系统(3)隔成主体部和安装部，所述安装部向外延伸形成突出部，所述突出部用于安装所述工件(4)；
所述压电陶瓷驱动器(322)在接通所述外部信号发生器的状态下，依据不同的电平状态，发生收缩或伸长，致使所述凸台(324)沿着所述划擦系统(2)的旋转轴向进行进给运动。
3.如权利要求2所述的进给系统，其特征在于：所述进给系统(3)包括压电陶瓷外框架(321)，所述压电陶瓷外框架(321)朝向所述划擦系统(2)一侧设有所述柔性结构(325)，所述柔性结构(325)一侧有凸台(324)，所述凸台(324)一侧设有开槽；
所述压电陶瓷驱动器(322)设置于所述压电陶瓷外框架(321)内，且所述压电陶瓷通过导线穿过所述压电陶瓷外框架(321)连接有外部电源。
4.如权利要求3所述的进给系统，其特征在于：所述工件(4)设置于朝向所述划擦系统(2)的所述凸台(324)端面上，且所述工件(4)通过连接件(5)固定安装于所述凸台(324)上。
5.如权利要求4所述的进给系统，其特征在于：所述连接件(5)为“U”型连接件；
所述“U”型连接件具有上安装部(51)、端部(52)和下安装部(53)；
所述端部(52)设置于所述上安装部(51)和所述下安装部(53)之间，且三者之间形成安装腔，所述安装腔与所述凸台(324)相配合，以使所述工件(4)固定安装于所述凸台(324)的一侧端面上，所述上安装部(51)和所述下安装部(53)分别固定于所述凸台(324)的上下两端面上；
所述“U”型连接件还具有与外部连通的敞口(54)，所述敞口(54)使得所述工件(4)部分裸露于外部。
6.一种单点划擦实验装置，其特征在于：包括磨床(1)、划擦系统(2)和权利要求1-5任一项所述的进给系统。
7.如权利要求6所述的单点划擦实验装置，其特征在于：还包括测力仪(6)，所述测力仪(6)与所述压电陶瓷外框架(321)之间设置有连接板(7)，且所述连接板(7)的两端面分别与所述测力仪(6)与所述压电陶瓷外框架(321)相固定。
8.如权利要求6所述的单点划擦实验装置，其特征在于：还包括安装支架(31)，所述安装支架(31)与所述磨床(1)固定连接，所述安装支架(31)用于将所述进给系统(3)安装至所述磨床(1)上。
9.一种基于权利要求8所述的单点划擦实验装置的单点划擦实验方法，其特征在于：
控制所述进给系统(3)在所述划擦系统(2)沿其旋转轴线以100m/s以上的线速度进行旋转时，朝向所述划擦系统(2)进给所述工件(4)，以在所述工件(4)的表面形成单点单次划擦痕迹。
10.如权利要求9所述的单点划擦实验方法，其特征在于：所述工件(4)呈片状，且厚度小于3mm。
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