CN205317607U - 新型超声振动辅助单颗磨粒划刻试验装置 - Google Patents

Abstract

新型超声振动辅助单颗磨粒划刻试验装置，包括精密磨床，精密磨床包括工作台和沿前后水平方向设置的主轴，精密磨床上设有操控工作台沿X、Y、Z方向移动的进给微调机构，还包括支架、单颗磨粒划刻系统、超声振动系统、工业摄像机、高速摄像机、显示器、测力仪和数据处理系统；测力仪和工业摄像机均设在工作台上，超声振动系统和数据处理系统均位于测力仪一侧，工业摄像机和显示器位于测力仪另一侧，高速摄像机设在支架上，支架设在精密磨床一侧。本实用新型实时观测普通及超声辅助振动单颗磨粒的划刻过程，为研究陶瓷材料去除机理以及表面及边界质量的研究提供数据支持。

Description

新型超声振动辅助单颗磨粒划刻试验装置

技术领域

本实用新型属于精密超精密加工技术领域，具体涉及一种新型超声振动辅助单颗磨粒划刻试验装置。

背景技术

近年来，随着许多新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，陶瓷材料得到了快速的发展。陶瓷材料具有熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐磨损、耐氧化和腐蚀以及质量轻、弹性模量大、强度高等优良性能。因此，陶瓷材料能够在高温、腐蚀等苛刻环境下工作。然而由于陶瓷材料的脆性高、可加工性差，传统加工方法的成本较高，又由于磨削过程中引起的陶瓷表面质量降低，因此在一定程度上限制其广泛应用。磨削加工作为陶瓷的主要加工手段，常见的磨削加工损伤形式主要有裂纹、碎裂和残余应力等。加工后材料表面出现的损伤会大大降低零件的使用寿命甚至可能使零件不能满足使用要求，为了研究加工表面的损伤，设计了该试验装置。

磨削过程是由大量磨粒同时与被加工材料相互作用并完成材料的去除。在此过程中，由于参与磨削的磨粒数量多，磨粒切削刃形状、位置的随机性、磨削速度等多种因素相互影响，研究磨削表面的形成机理和材料的去除机理异常困难。磨削本质上可以归结为砂轮表面每一颗磨粒对被加工材料进行微观切削，每一颗磨粒的切削行为可以表示为：滑擦（弹性变形）、耕犁（塑性变形）、切削（形成切屑）。因此可以将极其复杂的磨削过程简化为单颗磨粒磨削，这样就可以在不受其他磨粒的影响下，研究单颗磨粒的切削行为，深入探讨磨削机理。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有技术中的不足之处，提供一种设计合理、易于操作、自动化程度高、可以显示材料表面变化的新型超声振动辅助单颗磨粒划刻试验装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：新型超声振动辅助单颗磨粒划刻试验装置，包括精密磨床，精密磨床包括工作台和沿前后水平方向设置的主轴，精密磨床上设有操控工作台沿X、Y、Z方向移动的进给微调机构，还包括支架、单颗磨粒划刻系统、超声振动系统、工业摄像机、高速摄像机、显示器、测力仪和数据处理系统；测力仪和工业摄像机均设在工作台上，超声振动系统和数据处理系统均位于测力仪一侧，工业摄像机和显示器位于测力仪另一侧，高速摄像机设在支架上，支架设在精密磨床一侧；

单颗磨粒划刻系统包括圆环形的刻划盘，刻划盘上中心对称设有金刚石刻划笔和配重块，刻划盘同轴向设在精密磨床的主轴上；

超声振动系统包括变幅杆、换能器、发生器电源和工装；工装设在测力仪上，发生器电源通过电线与换能器连接，变幅杆呈圆锥形或阶梯型结构，换能器与变幅杆的较小端连接，变幅杆的较大端与工装一侧连接；

数据处理系统包括依次通过数据线连接的电荷放大器、数据采集卡和计算机，电荷放大器的数据采集端与测力仪的数据输出端连接。

工装上装夹有工件，工业摄像机和高速摄像机的镜头朝向金刚石刻划笔与工件的接触处，工业摄像机与显示器通过信号线连接，高速摄像机自带显示设备。

采用上述技术方案，本实用新型的试验方法，包括以下步骤:

（1）、将工件安装到工装上，变幅杆的较大端连接在工装右侧；先选用工业摄像机安装在精密磨床的工作台左侧；

（2）、利用工业摄像机和精密磨床的进给微调机构对金刚石刻划笔进行快速准确的对刀；

（3）、对刀完成后，将工业摄像机拆卸，把高速摄像机安装到支架上，高速摄像机的摄像头对准金刚石划刻笔与工件的接触表面，启动精密磨床及超声振动系统，使金刚石刻划笔产生Z向进给，测力仪对试验过程中工件受力进行检测和记录，并将数据通过电荷放大器、数据采集卡传输到计算机；改变金刚石刻划笔的Z向进给深度，再次重复上述工作过程；

（4）、高速摄像机对划刻过程中磨粒的运动轨迹、微观变化过程以及材料的去除过程进行在线观测和记录；

（5）、关闭超声振动系统，进行单颗磨粒的常规划刻，记录测力仪的数据，记录高速摄像机的观测图像及数据；

（6）、对比超声振动状态下与常规刻划情况下的数据情况，并进行分析。

所述步骤（3）中，工件在划刻过程中受到工装的振动与金刚石刻划笔的挤压，工件在金刚石刻划笔划刻过程所受的力通过工装传递给测力仪，测力仪将力的动态变化信号传输给与其连接的数据处理系统，即可实现超声振动辅助下单颗磨粒磨削过程中磨削力动态变化的检测和记录。

所述步骤（4）中，利用高速摄像机在线观测超声辅助下单颗磨粒的划刻过程，通过显示器观察磨削过程中加工表面产生的裂纹，以及材料的破碎、脱落的微观变化，从而进一步研究材料去除机理理。

采用上述技术方案，本实用新型科学合理，可以实时观测普通及超声辅助振动单颗磨粒的划刻过程，通过对数据的分析与比较，可为研究陶瓷材料去除机理以及表面及边界质量的研究提供数据支持。

附图说明

图1为本实用新型在对刀时的结构示意图；

图2为本实用新型的左视图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实用新型的新型超声振动辅助单颗磨粒划刻试验装置，包括精密磨床（图中未示意），精密磨床包括工作台12和沿前后水平方向设置的主轴，精密磨床上设有操控工作台12沿X、Y、Z方向移动的进给微调机构，还包括支架17、单颗磨粒划刻系统、超声振动系统、工业摄像机13、高速摄像机16、显示器15、测力仪8和数据处理系统；测力仪8和工业摄像机13均设在工作台12上，超声振动系统和数据处理系统均位于测力仪8一侧，工业摄像机13和显示器15位于测力仪8另一侧，高速摄像机16设在支架17上，支架17设在精密磨床一侧。

单颗磨粒划刻系统包括圆环形的刻划盘2，刻划盘2上中心对称设有金刚石刻划笔3和配重块1，配重块1与金刚石刻划笔3对称设置，这样可使刻划盘2在高速旋转过程中保持平衡，刻划盘2同轴向设在精密磨床的主轴上。

超声振动系统包括变幅杆5、换能器6、发生器电源7和工装14；工装14设在测力仪8上，发生器电源7通过电线与换能器6连接，变幅杆5呈圆锥形或阶梯型结构，换能器6与变幅杆5的较小端连接，变幅杆5的较大端与工装14一侧连接。

数据处理系统包括依次通过数据线连接的电荷放大器9、数据采集卡10和计算机11，电荷放大器9的数据采集端与测力仪8的数据输出端连接。

工装14上装夹有工件，工业摄像机13和高速摄像机16的镜头朝向金刚石刻划笔3与工件的接触处，工业摄像机13和高速摄像机16均与显示器15通过信号线连接。

本实用新型的试验方法，包括以下步骤:

（1）、将工件4安装到工装14上，变幅杆5的较大端连接在工装14右侧；先选用工业摄像机13安装在精密磨床的工作台12左侧；

（2）、利用工业摄像机13和精密磨床的进给微调机构对金刚石刻划笔3进行快速准确的对刀；

（3）、对刀完成后，将工业摄像机13拆卸，把高速摄像机16安装到支架上，高速摄像机16的摄像头对准金刚石划刻笔3与工件4的接触表面，启动精密磨床及超声振动系统，使金刚石刻划笔3产生Z向进给，测力仪8对试验过程中工件4受力进行检测和记录，并将数据通过电荷放大器9、数据采集卡10传输到计算机11；改变金刚石刻划笔3的Z向进给深度，再次重复上述工作过程；

（4）、高速摄像机16对划刻过程中磨粒的运动轨迹、材料的微观变化过程以及去除过程进行在线观测和记录；

（5）、关闭超声振动系统，进行单颗磨粒的常规划刻，记录测力仪8的数据，记录高速摄像机16的观测图像及数据；

（6）、对比超声振动状态下与常规刻划情况下的数据情况，并进行分析。

步骤（3）中，工件4在划刻过程中受到工装14的振动与金刚石刻划笔3的挤压，工件4在金刚石刻划笔3划刻过程所受的力通过工装14传递给测力仪8，测力仪8将力的动态变化信号传输给与其连接的数据处理系统，即可实现超声振动辅助下单颗磨粒磨削过程中磨削力动态变化的检测和记录。

步骤（4）中，利用高速摄像机16在线观测超声辅助下单颗磨粒的划刻过程，通过显示器观察磨削过程中加工表面产生的裂纹，以及材料的破碎、脱落的微观变化，从而进一步研究材料去除机理。

本实用新型中的精密磨床、摄像机（包括工业摄像机13和高速摄像机16）、变幅杆5、换能器6、发生器电源7、工装14、测力仪8、电荷放大器9、数据采集卡10和计算机11均为现有成熟技术，具体构造不再赘述。

以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行。了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.新型超声振动辅助单颗磨粒划刻试验装置，包括精密磨床，精密磨床包括工作台和沿前后水平方向设置的主轴，精密磨床上设有操控工作台沿X、Y、Z方向移动的进给微调机构，其特征在于：还包括支架、单颗磨粒划刻系统、超声振动系统、工业摄像机、高速摄像机、显示器、测力仪和数据处理系统；测力仪和工业摄像机均设在工作台上，超声振动系统和数据处理系统均位于测力仪一侧，工业摄像机和显示器位于测力仪另一侧，高速摄像机设在支架上，支架设在精密磨床一侧；

单颗磨粒划刻系统包括圆环形的刻划盘，刻划盘上中心对称设有金刚石刻划笔和配重块，刻划盘同轴向设在精密磨床的主轴上；

超声振动系统包括变幅杆、换能器、发生器电源和工装；工装设在测力仪上，发生器电源通过电线与换能器连接，变幅杆呈圆锥形或阶梯型结构，换能器与变幅杆的较小端连接，变幅杆的较大端与工装一侧连接；

数据处理系统包括依次通过数据线连接的电荷放大器、数据采集卡和计算机，电荷放大器的数据采集端与测力仪的数据输出端连接。

2.根据权利要求1所述的新型超声振动辅助单颗磨粒划刻试验装置，其特征在于：工装上装夹有工件，工业摄像机和高速摄像机的镜头朝向金刚石刻划笔与工件的接触处，工业摄像机与显示器通过信号线连接，高速摄像机自带显示设备。