CN115266440A - 一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置 - Google Patents

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胡玉秀
魏宗泽
田东禹
朴银川
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Abstract

本发明属于机械测试领域，更具体的说是一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置。包括工件装夹装置、砂轮‑压头一体化装置、冷却液收集装置和底座，所述底座上设置有冷却液收集装置，砂轮‑压头一体化装置和工件装夹装置分别设置在冷却液收集装置的两侧。还包括冲击刻划压头移动滑轨和冲击刻划压头移动台，底座的前部设置有冲击刻划压头移动台，冲击刻划压头移动台，冲击刻划压头移动台上设置有冲击刻划压头移动滑轨，砂轮‑压头一体化装置滑动连接在冲击刻划压头移动滑轨上。可以将冲击刻划实验的多道工序集成到同一台装置上实现，能同时进行低应变率和高应变率冲击刻划实验。

Description

一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置
技术领域
本发明属于机械测试领域，更具体的说是一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置。
背景技术
现有的冲击刻划实验采用试样制备与冲击刻划实验分离的形式，即先用抛光机或者磨床对材料进行磨抛加工制备出具有低/无损伤表面质量的实验试样，避免试样原有损伤影响冲击刻划实验结果的分析。然后将低/无损伤表面质量的试样固定在纳米划痕仪或冲击刻划平台上，利用低载刻划的方式进行预扫确定水平基准，最后开展冲击刻划实验。当前刻划实验需要多道工序完成，无法在同一个设备上实现试样制备和冲击刻划一体化，实验过程复杂。目前，纳米划痕仪仅能进行低应变率划痕实验，不能开展高应变率条件下的冲击刻划实验。现有的冲击刻划平台的调平方式较为复杂，如低载荷调平等，甚至一部分冲击刻划实验仅通过肉眼进行调平，误差较大。然而，低载荷调平方式会对工件造成损伤，其他调平方式不能精准地得到冲击刻划压头和试样的相对位置关系。此外，如果需要使用多种类型压头开展刻划实验，传统冲击刻划实验装置和纳米划痕仪需要将旧压头拆卸以后更换新类型压头开展冲击刻划实验，压头更换以后需要重新寻找水平基准并对刀，操作过程繁琐。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置，其有益效果为可以将冲击刻划实验的多道工序集成到同一台装置上实现，能同时进行低应变率和高应变率冲击刻划实验。
一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置，包括工件装夹装置、砂轮-压头一体化装置、冷却液收集装置和底座，所述底座上设置有冷却液收集装置，砂轮-压头一体化装置和工件装夹装置分别设置在冷却液收集装置的两侧。
进一步，还包括冲击刻划压头移动滑轨和冲击刻划压头移动台，底座的前部设置有冲击刻划压头移动台，冲击刻划压头移动台，冲击刻划压头移动台上设置有冲击刻划压头移动滑轨，砂轮-压头一体化装置滑动连接在冲击刻划压头移动滑轨上。
进一步，还包括工件移动滑轨和工件移动台，底座的后部设置有工件移动台，工件移动台上设置有工件移动滑轨，工件装夹装置滑动连接在工件移动滑轨上。
进一步，所述工件装夹装置包括工件主轴箱、工件主轴保护套、工件主轴、冷却液喷射盘、力传感器、工件装夹吸盘和工件；
工件主轴箱内设置有工件主轴，工件主轴外设置有工件主轴保护套，工件主轴的端部连接有力传感器，力传感器上连接有冷却液喷射盘，冷却液喷射盘内连接有工件装夹吸盘，工件安装在工件装夹吸盘上。
进一步，所述工件装夹装置还包括冷却液喷射口，冷却液喷射盘上设置有多个冷却液喷射口。
进一步，所述冷却液喷射口包括喷射底盘、旋转喷口和冷却液流出口，旋转喷口转动连接在喷射底盘上，冷却液流出口设置在旋转喷口端部。
进一步，所述砂轮-压头一体化装置包括砂轮盘、冲击刻划主轴箱、冲击刻划主轴保护套、砂轮支撑杆和冲击刻划主轴；
冲击刻划主轴箱内设置有冲击刻划主轴，冲击刻划主轴外设置有冲击刻划主轴保护套，砂轮支撑杆连接在冲击刻划主轴的端部，砂轮盘通过螺纹连接在砂轮支撑杆上。
进一步，所述砂轮-压头一体化装置还包括磨削区域和冲击刻划压头；
五个磨削区域呈环形分布在砂轮盘上，五种冲击刻划压头呈环形设置在砂轮盘上，五个磨削区域和五种冲击刻划压头间隔设置。
进一步，所述冲击刻划压头为五种，分别为Berkovich玻氏压头、Spherical球形压头、Conical圆锥压头、Vickers维氏压头和Platpunch平头压头。
进一步，所述冲击刻划压头包括压头、冲击刻划压头基座、位移传感器、伸缩调节装置和压头连接槽，冲击刻划压头基座的端部设置有压头，冲击刻划压头基座的另一端连接有位移传感器，位移传感器连接在伸缩调节装置上，伸缩调节装置上连接有压头连接槽，冲击刻划压头由压头连接槽连接在砂轮盘上，压头连接槽与砂轮盘螺纹连接。
本发明一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置的有益效果是：本发明装置采用自旋转磨削和单颗磨粒冲击刻划一体化的实验手段，将冲击刻划实验的多道工序集成到同一台装置上实现，能同时进行低应变率和高应变率冲击刻划实验。通过自旋转磨削制备出具有低/无损伤表面质量的实验试样，可以直接确定压头和划痕表面的水平基准，不会对试样表面造成损伤；根据砂轮、冲击刻划压头和试样表面的相对位置关系，即可确定冲击刻划的深度；此外，在不拆卸压头的情况下，可以实现五种不同类型压头的冲击刻划实验。该一体化实验装置操作方便，水平基准的确定过程准确快捷，压头切换方便，与目前的冲击刻划装置相比可以提高刻划实验的精度和效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是工件装夹结构示意图；
图3是工件装夹装置内部示意图；
图4是工件装夹装置主视图；
图5是砂轮-压头一体化装置示意图；
图6是砂轮-压头一体化装置主视图；
图7是冲击刻划压头的示意图。
图中：冷却液收集装置1；砂轮盘2；冲击刻划压头主轴箱3；冲击刻划主轴保护套4；冲击刻划压头移动滑轨5；冲击刻划压头移动台6；工件主轴箱7；工件移动滑轨8；工件移动台9；底座10；工件主轴保护套12；工件主轴13；冷却液喷射口14；冷却液喷射盘15；力传感器16；磨削区域17；砂轮支撑杆18；冲击刻划主轴19；工件装夹吸盘20；工件21；喷射底盘22；旋转喷口23；冷却液流出口24；Berkovich玻氏压头25、Spherical球形压头26、Conical圆锥压头27、Vickers维氏压头28、Platpunch平头压头29；压头30；冲击刻划压头31；冲击刻划压头基座32；位移传感器33；伸缩调节装置34；压头连接槽35。
具体实施方式
如图1-7所示，
一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置，包括工件装夹装置、砂轮-压头一体化装置、冷却液收集装置1和底座10，所述底座10上设置有冷却液收集装置1，砂轮-压头一体化装置和工件装夹装置分别设置在冷却液收集装置1的两侧。
底座10是所有结构的基体部分，也是整个装置的承重部分，它决定了整个装置的稳定性，保障磨削和冲击刻划过程中的机器的运行；冷却液收集装置1内部有摄像头可以观察磨削和冲击刻划状态；工件装夹装置用来装夹和冷却工件21，砂轮-压头一体化装置用来对工件21进行磨削和冲击刻划；本发明装置采用自旋转磨削和单颗磨粒冲击刻划一体化的实验手段，将冲击刻划实验的多道工序集成到同一台装置上实现，能同时进行低应变率和高应变率冲击刻划实验
一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置还包括冲击刻划压头移动滑轨5和冲击刻划压头移动台6，底座10的前部设置有冲击刻划压头移动台6，冲击刻划压头移动台6，冲击刻划压头移动台6上设置有冲击刻划压头移动滑轨5，砂轮-压头一体化装置滑动连接在冲击刻划压头移动滑轨5上。
通过直线电机驱动砂轮-压头一体化装置在冲击刻划压头移动滑轨5上滑动，保证了砂轮-压头一体化装置的平稳运动。
一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置还包括工件移动滑轨8和工件移动台9，底座10的后部设置有工件移动台9，工件移动台9上设置有工件移动滑轨8，工件装夹装置滑动连接在工件移动滑轨8上。
通过直线电机驱动工件装夹装置在工件移动滑轨8上滑动，保证工件装夹装置的平稳运动。
所述工件装夹装置包括工件主轴箱7、工件主轴保护套12、工件主轴13、冷却液喷射盘15、力传感器16、工件装夹吸盘20和工件21；
工件主轴箱7内设置有工件主轴13，工件主轴13外设置有工件主轴保护套12，工件主轴13的端部连接有力传感器16，力传感器16上连接有冷却液喷射盘15，冷却液喷射盘15内连接有工件装夹吸盘20，工件21安装在工件装夹吸盘20上。
通过工件主轴箱7滑动连接在工件移动滑轨8上，工件主轴箱7可以在工件移动滑轨8上沿x轴方向运动，进而调整工件主轴13的位置；
冷却液喷射盘15不能前后移动，根据工件21的厚度调整工件装夹吸盘20的y轴方向位置，这个调整过程通过直线电机驱动，保证磨削和冲击刻划过程正常进行，工件装夹吸盘20采用真空吸盘对工件21进行装夹，力传感器16可以采集工件受到的力信号；
通过伺服电机驱动工件主轴13转动，进而带动工件装夹吸盘20和冷却液喷射盘15共同转动，进而带动工件21以工件主轴13的轴线为轴转动，进而便于对工件21进行磨削和冲击刻划。
所述工件装夹装置还包括冷却液喷射口14，冷却液喷射盘15上设置有多个冷却液喷射口14。
冷却液喷射口14设置有十八个，多个冷却液喷射口14可以喷出冷却液，冷却液收集装置1用于收集由冷却液喷嘴14处流出的冷却液，冷却液在磨削和冲击刻划操作时进行降温冷却。
所述冷却液喷射口14包括喷射底盘22、旋转喷口23和冷却液流出口24，旋转喷口23转动连接在喷射底盘22上，冷却液流出口24设置在旋转喷口23端部。
通过手动旋转旋转喷口23可以调节冷却液流出口24的冷却液流出方向。
所述砂轮-压头一体化装置包括砂轮盘2、冲击刻划主轴箱3、冲击刻划主轴保护套4、砂轮支撑杆18和冲击刻划主轴19；
冲击刻划主轴箱3内设置有冲击刻划主轴19，冲击刻划主轴19外设置有冲击刻划主轴保护套4，砂轮支撑杆18连接在冲击刻划主轴19的端部，砂轮盘2通过螺纹连接在砂轮支撑杆18上。
通过冲击刻划主轴箱3滑动连接在冲击刻划压头移动滑轨5上，冲击刻划主轴箱3可以在冲击刻划压头移动滑轨5沿y轴方向运动，进而调整冲击刻划主轴19的位置；
所述砂轮-压头一体化装置还包括磨削区域17和冲击刻划压头31；
五个磨削区域17呈环形分布在砂轮盘2上，五种冲击刻划压头31呈环形设置在砂轮盘2上，五个磨削区域17和五种冲击刻划压头31间隔设置。
在磨削和冲击刻划作业时，砂轮盘2和冲击刻划压头31与冷却液喷射盘15不发生碰撞；
通过伺服电机驱动冲击刻划主轴19转动，进而带动砂轮盘2、砂轮支撑杆18、磨削区域17和冲击刻划压头31以冲击刻划主轴19的轴线为轴转动，进而通过磨削区域17对工件21进行磨削，通过冲击刻划压头31对工件21进行冲击刻划。
所述冲击刻划压头31为五种，分别为Berkovich玻氏压头25、Spherical球形压头26、Conical圆锥压头27、Vickers维氏压头28和Platpunch平头压头29。
所述冲击刻划压头31包括压头30、冲击刻划压头基座32、位移传感器33、伸缩调节装置34和压头连接槽35，冲击刻划压头基座32的端部设置有压头30，冲击刻划压头基座32的另一端连接有位移传感器33，位移传感器33连接在伸缩调节装置34上，伸缩调节装置34上连接有压头连接槽35，冲击刻划压头31由压头连接槽35连接在砂轮盘2上，压头连接槽35与砂轮盘2螺纹连接。
冲击刻划压头31根据伸缩调节装置34来调节压头30的y方向位置，并通过位移传感器33确定压头尖端的位置。在不拆卸冲击刻划压头31的情况下，可以实现五种不同类型冲击刻划压头31的冲击刻划实验。
具体实施方式一：
1.将工件21装夹在工件装夹吸盘20上，根据工件21的厚度调整工件装夹吸盘20的y方向位置，在磨削和冲击刻划作业时，砂轮盘2和冲击刻划压头31与冷却液喷射盘15不发生碰撞；
2.将工件21表面作标记，后续磨削将所有标记去除时，视为工件21与砂轮盘2端面平行；
3.通过冷却液喷射口14喷出冷却液到工件21上；
4.冲击刻划压头31向工件21反方向回收，也就是沿Y轴负方向移动，在磨削时，冲击刻划压头31不与工件21接触；
5.将砂轮盘2的磨削区域17向工件方向前进，准备磨削；
6.砂轮盘2的磨削区域17与工件21间隔1mm后停止；
7.冲击刻划主轴19转动，工件主轴13转动；
8.砂轮盘2向工件21方向前进，直到力传感器16出现力信号；
9.开始磨削加工，观察冷却液收集装置1内部有摄像头检测画面，所有标记去除视为工件21与砂轮盘2端面平行；
10.砂轮盘2向工件21方向后退1mm
11.冷却液停止；
12.冲击刻划压头31向工件21方向前进，直到力传感器16力信号出现，此时记录冲击刻划压头31位置的y坐标为0；
13.然后使冲击刻划压头31继续前进距离s，此时的深度s即为冲击刻划的深度，然后开展冲击刻划实验，同时，工件21沿x轴方向进行匀速直线运动，根据移动速度和冲击刻划的速度可以确定两条划痕之间的距离，根据工件沿x轴方向的移动距离和两条划痕之间的距离可以确定划痕数量；
14.一组实验结束后，砂轮盘2向工件21方向后退至安全距离结束刻划实验；
15.可更换其他形状的冲击刻划压头31或者改变刻划参数进行后续冲击刻划实验；
16.所有刻划实验结束后，冲击刻划主轴19停止转动，工件主轴13停止转动
17.取下工件21进行分析。
具体实施方式二：
切换其他类型压头开展冲击刻划实验的方法，当Berkovich玻氏压头25完成冲击刻划实验后，切换其他类型压头开展冲击刻划实验的具体步骤：
1、Berkovich玻氏压头25冲击刻划结束后，砂轮盘2向y轴负方向运动s1距离，使砂轮盘2远离工件21；
2、将Berkovich玻氏压头25向后退到砂轮盘2磨削区域后侧，保证在后续冲击刻划使Berkovich玻氏压头25不会与工件21表面接触；
3、将其他类型压头(以Spherical球形压头26为例，其他类型压头切换过程与之类似)伸出与砂轮盘2磨削区域水平位置；
4、将Spherical球形压头26向y轴正方向运动s2距离，记录此时刻压头位置；
5、冲击刻划压头31向工件21方向前进，直到力传感器16力信号出现，此时记录冲击刻划压头位置的y坐标为0；
6、然后使冲击刻划压头31继续前进距离s，此时的深度s即为冲击刻划的深度，然后开展冲击刻划实验，同时，工件21沿x轴方向进行匀速直线运动，根据移动速度和冲击刻划的速度可以确定两条划痕之间的距离，根据工件沿x轴方向的移动距离和两条划痕之间的距离可以确定划痕数量。

Claims (10)

1.一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置，包括工件装夹装置、砂轮-压头一体化装置、冷却液收集装置(1)和底座(10)，其特征在于：所述底座(10)上设置有冷却液收集装置(1)，砂轮-压头一体化装置和工件装夹装置分别设置在冷却液收集装置(1)的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置，其特征在于：还包括冲击刻划压头移动滑轨(5)和冲击刻划压头移动台(6)，底座(10)的前部设置有冲击刻划压头移动台(6)，冲击刻划压头移动台(6)，冲击刻划压头移动台(6)上设置有冲击刻划压头移动滑轨(5)，砂轮-压头一体化装置滑动连接在冲击刻划压头移动滑轨(5)上。
3.根据权利要求1所述的一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置，其特征在于：还包括工件移动滑轨(8)和工件移动台(9)，底座(10)的后部设置有工件移动台(9)，工件移动台(9)上设置有工件移动滑轨(8)，工件装夹装置滑动连接在工件移动滑轨(8)上。
4.根据权利要求1所述的一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置，其特征在于：所述工件装夹装置包括工件主轴箱(7)、工件主轴保护套(12)、工件主轴(13)、冷却液喷射盘(15)、力传感器(16)、工件装夹吸盘(20)和工件(21)；
工件主轴箱(7)内设置有工件主轴(13)，工件主轴(13)外设置有工件主轴保护套(12)，工件主轴(13)的端部连接有力传感器(16)，力传感器(16)上连接有冷却液喷射盘(15)，冷却液喷射盘(15)内连接有工件装夹吸盘(20)，工件(21)安装在工件装夹吸盘(20)上。
5.根据权利要求4所述的一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置，其特征在于：所述工件装夹装置还包括冷却液喷射口(14)，冷却液喷射盘(15)上设置有多个冷却液喷射口(14)。
6.根据权利要求5所述的一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置，其特征在于：所述冷却液喷射口(14)包括喷射底盘(22)、旋转喷口(23)和冷却液流出口(24)，旋转喷口(23)转动连接在喷射底盘(22)上，冷却液流出口(24)设置在旋转喷口(23)端部。
7.根据权利要求1所述的一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置，其特征在于：所述砂轮-压头一体化装置包括砂轮盘(2)、冲击刻划主轴箱(3)、冲击刻划主轴保护套(4)、砂轮支撑杆(18)和冲击刻划主轴(19)；
冲击刻划主轴箱(3)内设置有冲击刻划主轴(19)，冲击刻划主轴(19)外设置有冲击刻划主轴保护套(4)，砂轮支撑杆(18)连接在冲击刻划主轴(19)的端部，砂轮盘(2)通过螺纹连接在砂轮支撑杆(18)上。
8.根据权利要求7所述的一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置，其特征在于：所述砂轮-压头一体化装置还包括磨削区域(17)和冲击刻划压头(31)；
五个磨削区域(17)呈环形分布在砂轮盘(2)上，五种冲击刻划压头(31)呈环形设置在砂轮盘(2)上，五个磨削区域(17)和五种冲击刻划压头(31)间隔设置。
9.根据权利要求8所述的一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置，其特征在于：所述冲击刻划压头(31)为五种，分别为Berkovich玻氏压头(25)、Spherical球形压头(26)、Conical圆锥压头(27)、Vickers维氏压头(28)和Platpunch平头压头(29)。
10.根据权利要求9所述的一种自旋转磨削与单颗磨粒冲击刻划一体化实验装置，其特征在于：所述冲击刻划压头(31)包括压头(30)、冲击刻划压头基座(32)、位移传感器(33)、伸缩调节装置(34)和压头连接槽(35)，冲击刻划压头基座(32)的端部设置有压头(30)，冲击刻划压头基座(32)的另一端连接有位移传感器(33)，位移传感器(33)连接在伸缩调节装置(34)上，伸缩调节装置(34)上连接有压头连接槽(35)，冲击刻划压头(31)由压头连接槽(35)连接在砂轮盘(2)上，压头连接槽(35)与砂轮盘(2)螺纹连接。
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