一种磨粒冲击疲劳测试设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种磨粒冲击疲劳测试设备，包括被冲击试件、磨粒、基座系统、超声振动系统、测力系统和声发射系统；超声振动系统装接在基座系统；磨粒固接在超声振动系统；声发射系统信号连接磨粒；测力系统装接在基座系统；被冲击试件固接在测力系统；通过基座系统调节被冲击试件与磨粒的相对位置；通过超声振动系统实现磨粒对被冲击试件的冲击；通过测力系统检测二者间力的动态变化；通过声发射系统检测磨粒达到疲劳破坏时的声发射信号。本发明可以量化对比不同材质磨粒的抗冲击能力，同时提供抗冲击的时间数据，进一步的分析可以确定磨粒在冲击过程中的破碎形式、破碎机理等问题，对于磨料制造和磨具设计等方面具有重要的理论指导意义。
【专利说明】_种磨粒冲击疲劳测试设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种磨粒冲击疲劳测试设备。
【背景技术】
[0002]磨粒加工是一种达到高等级加工精度的常用加工方法，包括磨削、研磨、抛光等多种工艺形式，在磨粒加工中，磨粒和被加工材料发生接触导致较软的工件材料被去除，这个过程中，磨粒不可避免的受到冲击等动态载荷，发生磨损、破损等现象，进而影响磨粒工具的使用性能。因此磨粒在动态载荷下的抗冲击性能对于磨粒工具的性能有巨大影响。但是现在并没有一种简便、有效的方法对磨粒的冲击疲劳特性进行量化分析。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种磨粒冲击疲劳测试设备，可以对不同材质磨粒的抗冲击性能进行对比测试，并确定发生冲击疲劳的循环次数，进一步的分析可以确定磨粒在冲击过程中的破碎形式、破碎机理等问题，对于磨料制造和磨具设计等方面具有重要的理论指导意义。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是:
[0005]一种磨粒冲击疲劳测试设备，包括被冲击试件6及对被冲击试件6进行冲击的磨粒；还包括基座系统、超声振动系统、测力系统和声发射系统；
[0006]所述超声振动系统装接在基座系统上；所述磨粒固接在超声振动系统上；所述声发射系统信号连接磨粒；所述测力系统装接在基座系统上；所述被冲击试件6固接在测力系统上；
[0007]通过基座系统调节被冲击试件6与磨粒的相对位置；通过超声振动系统使磨粒发生振动从而实现磨粒对被冲击试件6的冲击；通过测力系统检测磨粒与被冲击试件6间力的动态变化；通过声发射系统检测磨粒对被冲击试件6冲击过程中磨粒达到疲劳破坏时的声发射信号。
[0008]一实施例中:所述基座系统包括光学平板1，X轴滑台2，Y轴滑台12，Z轴滑台11和L型板3 ;X轴滑台2滑动装接在光学平板1上且可沿X轴方向滑动；Y轴滑台12滑动装接在光学平板1上且可沿Υ轴方向滑动；Ζ轴滑台11滑动装接在Υ轴滑台12上且可沿Ζ轴方向滑动；所述X轴方向、Υ轴方向与Ζ轴方向两两垂直；L型板3固定装接在X轴滑台2上;
[0009]所述超声振动系统包括超声发生器，超声变幅杆9和工具头7 ;超声变幅杆9装接在Z轴滑台11，超声发生器传动连接超声变幅杆9 ;所述工具头7固接在超声变幅杆9 ;所述磨粒固接在工具头7 ；
[0010]所述测力系统包括力传感器4，第一电荷放大器和第一数据采集卡；力传感器4固接在L型板3上，该第一电荷放大器信号连接力传感器4，该第一数据采集卡信号连接第一电荷放大器；所述被冲击试件6通过连接杆5固接在力传感器4上
[0011]所述声发射系统包括声发射传感器8，第二电荷放大器和第二数据采集卡；所述声发射传感器8装设于工具头7内且信号连接磨粒，该第二电荷放大器信号连接声发射传感器8，该第二数据采集卡信号连接第二电荷放大器；
[0012]通过X轴滑台2、Y轴滑台12和Z轴滑台11使被冲击试件6和磨粒可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被冲击试件6与磨粒的相对位置；通过超声发生器产生超声振动并通过超声变幅杆9传递至工具头7从而实现磨粒对被冲击试件6的冲击。
[0013]一实施例中:所述磨粒为普通磨粒或超硬磨粒，该磨粒6粒度大于38 μ m。
[0014]一实施例中:所述被冲击试件6经过研磨抛光处理以使其表面粗糙度不大于Ra0.1 μ m，该被冲击试件6用超声清洗机清洗后用环氧树脂胶水粘贴在连接杆5。
[0015]一实施例中:所述工具头7螺接在超声变幅杆9上。
[0016]一实施例中:所述X轴滑台2由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μπι ;所述Y轴滑台12由步进电机驱动，其步进精度优于llym;所述Ζ轴滑台11由步进电机驱动，其步进精度优于11 μ m。
[0017]一实施例中:所述力传感器4的性能参数为:测力范围为-25N?25N，测力精度高于0.0025N，采样频率高于8KHz ;所述声发射传感器8的性能参数为:频率范围为48?1010kHz，谐振频率大于78kHz，灵敏度峰值大于65dB ;所述超声发生器的性能参数为:振动频率f = 18?42KHz，振幅范围为0?22 μ m。
[0018]—实施例中:所述第一电荷放大器与第二电荷放大器为同一电荷放大器；所述第一数据采集卡与第二数据采集卡为同一数据采集卡。
[0019]本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是:
[0020]一种磨粒冲击疲劳测试设备的使用方法，包括:
[0021]1)通过Y轴滑台12和Z轴滑台11调整被冲击试件6在Y轴方向与Z轴方向上的位置使其正对磨粒；
[0022]2)通过X轴滑台2调整磨粒在X轴方向上的位置使其与被冲击试件6刚好接触；
[0023]3)启动超声振动系统以使工具头7发生振动，从而实现磨粒对被冲击试件6的冲击；记录冲击时间；
[0024]4)通过测力系统检测磨粒对被冲击试件6冲击过程中力的动态变化；
[0025]5)通过声发射系统检测磨粒对被冲击试件6冲击过程中磨粒达到疲劳破坏时的声发射信号；
[0026]6)检测到磨粒达到疲劳破坏后的声发射信号时，停止超声振动，根据冲击时间、超声振动频率计算冲击次数，从而得到磨粒的冲击疲劳测试数据。
[0027]一实施例中:所述步骤2)中，判断磨粒与被冲击试件6刚好接触的方法包括:
[0028]21)通过X轴滑台2调整磨粒在X轴方向上的位置使其靠近被冲击试件6，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过X轴滑台2调整两者相对位置至塞尺最小尺寸；
[0029]22)启动测力系统，每次以X轴滑台2的最小位移移动X轴滑台2并通过测力系统检测磨粒与被冲击试件6间接触力的实时变化；当接触力到达临界值Nrait时，停止移动X轴滑台2，此时即为磨粒与被冲击试件6刚好接触。
[0030]本技术方案与【背景技术】相比，它具有如下优点:[0031 ] 本发明提供的一种磨粒冲击疲劳测试设备，可以量化对比不同材质磨粒的抗冲击能力，同时提供抗冲击的时间数据，进一步的分析可以确定磨粒在冲击过程中的破碎形式、破碎机理等问题，对于磨料制造和磨具设计等方面具有重要的理论指导意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0033]图1所示为本发明的一种磨粒冲击疲劳测试设备示意图。
[0034]图2所示为本发明的一种磨粒冲击疲劳测试设备实际使用时，磨粒与被测试试件间冲击过程的声发射信号变化示意图，其中图2a为单晶氧化铝；图213为单晶金刚石；图2(:为立方氮化硼。
[0035]图3所示为3种不同磨粒的抗冲击疲劳循环次数示意图。
[0036]附图标记:1.光学平板；2.X轴滑台；3.L型板；4.力传感器；5.工具头；6.被测试试件；7.连接杆；8.声发射传感器；9.超声变幅杆；10.变幅杆支架；11.Z轴滑台；12.Y轴滑台。
【具体实施方式】
[0037]下面通过实施例具体说明本发明的内容:
[0038]请查阅图1，一种磨粒冲击疲劳测试设备，包括被冲击试件6及对被冲击试件6进行冲击的磨粒；还包括基座系统、超声振动系统、测力系统和声发射系统；
[0039]所述基座系统包括光学平板1，X轴滑台2，Y轴滑台12，Z轴滑台11和L型板3 ；X轴滑台2滑动装接在光学平板1上且可沿X轴方向滑动；Y轴滑台12滑动装接在光学平板1上且可沿Υ轴方向滑动；Ζ轴滑台11滑动装接在Υ轴滑台12上且可沿Ζ轴方向滑动；所述X轴方向、Υ轴方向与Ζ轴方向两两垂直；L型板3固定装接在X轴滑台2上；
[0040]所述超声振动系统包括超声发生器，超声变幅杆9和工具头7 ;超声变幅杆9通过变幅杆支架10装接在Z轴滑台11，超声发生器传动连接超声变幅杆9 ;所述工具头7固接在超声变幅杆9 ;所述磨粒通过钎焊、粘结等多种方式固接在工具头7顶端；
[0041]所述测力系统包括力传感器4，第一电荷放大器和第一数据采集卡；力传感器4固接在L型板3上，该第一电荷放大器信号连接力传感器4，该第一数据采集卡信号连接第一电荷放大器；所述被冲击试件6通过环氧树脂胶水粘接在连接杆5以固接在力传感器4上；
[0042]所述声发射系统包括声发射传感器8，第二电荷放大器和第二数据采集卡；所述声发射传感器8装设于工具头7内且信号连接磨粒，该第二电荷放大器信号连接声发射传感器8，该第二数据采集卡信号连接第二电荷放大器；
[0043]通过X轴滑台2、Y轴滑台12和Z轴滑台11使被冲击试件6和磨粒可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被冲击试件6与磨粒的相对位置；通过超声发生器产生超声振动并通过超声变幅杆9传递至工具头7从而实现磨粒对被冲击试件6的冲击；通过测力系统检测磨粒与被冲击试件6间力的动态变化；通过声发射系统检测磨粒对被冲击试件6冲击过程中磨粒达到疲劳破坏时的声发射信号。
[0044]本实施例之中，所述磨粒为普通磨粒或超硬磨粒，该磨粒6粒度大于40 μ m。
[0045]本实施例之中，所述被冲击试件6可以是磨粒加工的各种工件材料，当被测试磨粒的材质不同时，被冲击试件6的选择也可以与之相匹配。
[0046]本实施例之中，所述被冲击试件6经过研磨抛光处理以使其表面粗糙度达到Ra0.1 μ m，该被冲击试件6用超声清洗机清洗后用环氧树脂胶水粘贴在连接杆5。
[0047]本实施例之中，所述工具头7螺接在超声变幅杆9上；该工具头7螺纹的锥度部分在螺钉的尾部，超声变幅杆9端面上设有螺纹孔，螺钉的锥度部分与该螺纹孔内锥面适配以使工具头7螺接在超声变幅杆9上。
[0048]本实施例之中，所述X轴滑台2由步进电机驱动，其步进精度优于0.3 μπι;所述Y轴滑台12由步进电机驱动，其步进精度优于ΙΟμπι;所述Ζ轴滑台11由步进电机驱动，其步进精度优于10 μπι。
[0049]所述力传感器4的性能参数为:测力范围为-20Ν?20Ν，测力精度高于0.002Ν，采样频率高于ΙΟΚΗζ ;所述声发射传感器8的性能参数为:频率范围为50?1000kHz，谐振频率大于80kHz，灵敏度峰值大于70dB ;本实施例之中，声发射传感器8的频率范围为50?1000kHz，谐振频率为480kHz，灵敏度峰值120dB ;所述超声发生器的性能参数为:振动频率f = 20?40KHz，振幅范围为0?20 μ m ;本实施例之中，超声发生器的振动频率f = 20KHz，振幅范围为15 μm，振动波形为正弦波。
[0050]本实施例之中，所述第一电荷放大器与第二电荷放大器为同一电荷放大器；所述第一数据采集卡与第二数据采集卡为同一数据采集卡。
[0051]本发明现场使用方式如下:
[0052]1)通过Y轴滑台12和Z轴滑台11调整被冲击试件6在Y轴方向与Z轴方向上的位置使其正对磨粒；
[0053]2)通过X轴滑台2调整磨粒在X轴方向上的位置使其与被冲击试件6刚好接触；所述判断磨粒与被冲击试件6刚好接触的方法如21)-22)所示:
[0054]21)通过X轴滑台2调整磨粒在X轴方向上的位置使其靠近被冲击试件6，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过X轴滑台2调整两者相对位置至塞尺最小尺寸；
[0055]22)启动测力系统，每次以X轴滑台2的最小位移移动X轴滑台2并通过测力系统检测磨粒与被冲击试件6间接触力的实时变化；当接触力到达临界值Nrait时，停止移动X轴滑台2，此时即为磨粒与被冲击试件6刚好接触；所述临界值Nrait= 0.005?0.05N，根据被冲击试件6的材质决定，材料硬度越大，Nrait越高；本实施例之中，N crit= 0.01N ；
[0056]3)启动超声振动系统以使工具头7发生振动，从而实现磨粒对被冲击试件6的冲击；记录冲击时间；
[0057]4)通过测力系统检测磨粒对被冲击试件6冲击过程中力的动态变化；
[0058]5)通过声发射系统检测磨粒对被冲击试件6冲击过程中磨粒达到疲劳破坏时的声发射信号；在冲击过程中磨粒达到疲劳破坏后，声发射信号有明显的变化；
[0059]6)检测到磨粒达到疲劳破坏后的声发射信号时，停止超声振动，根据冲击时间、超声振动频率计算冲击次数，从而得到磨粒的冲击疲劳测试数据。
[0060]请查阅图2和图3，为利用本发明的一种磨粒冲击疲劳测试设备对单晶金刚石、立方氮化硼和单晶氧化铝三种不同材质的磨粒进行对比测试的结果示意图，该三种磨粒用钎焊的方法固定在工具头上，粒度大小为200 μm，每种材质的磨粒均测试20个以获得统计数据。
[0061]图2是单晶金刚石、立方氮化硼和单晶氧化铝3种不同材质磨料在冲击过程中的声发射信号示意图，横坐标为冲击的时间，纵坐标为声发射信号的幅值，声发射信号的突然变化表征了磨粒的破碎，对应的冲击时间乘以超声振动频率就可以得到磨粒发生破损的冲击循环次数。图3为3种不同材质磨料冲击循环次数的对比示意图，横坐标为3种不同材质的磨粒，纵坐标为冲击循环次数的统计分布值。
[0062]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。
【权利要求】
1.一种磨粒冲击疲劳测试设备，其特征在于:包括被冲击试件(6)及对被冲击试件(6)进行冲击的磨粒；还包括基座系统、超声振动系统、测力系统和声发射系统； 所述超声振动系统装接在基座系统上；所述磨粒固接在超声振动系统上；所述声发射系统信号连接磨粒；所述测力系统装接在基座系统上；所述被冲击试件(6)固接在测力系统上； 通过基座系统调节被冲击试件(6)与磨粒的相对位置；通过超声振动系统使磨粒发生振动从而实现磨粒对被冲击试件(6)的冲击；通过测力系统检测磨粒与被冲击试件(6)间力的动态变化；通过声发射系统检测磨粒对被冲击试件(6)冲击过程中磨粒达到疲劳破坏时的声发射信号。
2.根据权利要求1所述的一种磨粒冲击疲劳测试设备，其特征在于: 所述基座系统包括光学平板⑴，X轴滑台(2)，Y轴滑台(12)，Z轴滑台(11)和L型板(3) ;X轴滑台(2)滑动装接在光学平板(I)上且可沿X轴方向滑动；Y轴滑台(12)滑动装接在光学平板(I)上且可沿Y轴方向滑动；Ζ轴滑台(11)滑动装接在Y轴滑台(12)上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；L型板(3)固定装接在X轴滑台⑵上； 所述超声振动系统包括超声发生器，超声变幅杆(9)和工具头(7);超声变幅杆(9)装接在Z轴滑台(11)，超声发生器传动连接超声变幅杆(9);所述工具头(7)固接在超声变幅杆(9);所述磨粒固接在工具头(7); 所述测力系统包括力传感器(4)，第一电荷放大器和第一数据采集卡；力传感器(4)固接在L型板(3)上，该第一电荷放大器信号连接力传感器(4)，该第一数据采集卡信号连接第一电荷放大器；所述被冲击试件(6)通过连接杆(5)固接在力传感器(4)上 所述声发射系统包括声发射传感器(8)，第二电荷放大器和第二数据采集卡；所述声发射传感器(8)装设于工具头(7)内且信号连接磨粒，该第二电荷放大器信号连接声发射传感器(8)，该第二数据采集卡信号连接第二电荷放大器； 通过X轴滑台(2)、Υ轴滑台(12)和Z轴滑台(11)使被冲击试件(6)和磨粒可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被冲击试件(6)与磨粒的相对位置；通过超声发生器产生超声振动并通过超声变幅杆(9)传递至工具头(7)从而实现磨粒对被冲击试件(6)的冲击。
3.根据权利要求2所述的一种磨粒冲击疲劳测试设备，其特征在于:所述磨粒为普通磨粒或超硬磨粒，该磨粒(6)粒度大于38 μ m。
4.根据权利要求2所述的一种磨粒冲击疲劳测试设备，其特征在于:所述被冲击试件(6)经过研磨抛光处理以使其表面粗糙度不大于Ra0.1 μ m，该被冲击试件(6)用超声清洗机清洗后用环氧树脂胶水粘贴在连接杆(5)。
5.根据权利要求2所述的一种磨粒冲击疲劳测试设备，其特征在于:所述工具头(7)螺接在超声变幅杆(9)上。
6.根据权利要求2所述的一种磨粒冲击疲劳测试设备，其特征在于:所述X轴滑台(2)由步进电机驱动，其步进精度优于0.35 μ m ;所述Y轴滑台(12)由步进电机驱动，其步进精度优于Ilym ;所述Z轴滑台(11)由步进电机驱动，其步进精度优于11 ym。
7.根据权利要求2所述的一种磨粒冲击疲劳测试设备，其特征在于:所述力传感器(4)的性能参数为:测力范围为-25N?25N，测力精度高于0.0025N，采样频率高于8KHz ;所述声发射传感器(8)的性能参数为:频率范围为48?1010kHz，谐振频率大于78kHz，灵敏度峰值大于65dB ;所述超声发生器的性能参数为:振动频率f = 18?42KHz，振幅范围为O?22 μ m0
8.根据权利要求2所述的一种磨粒冲击疲劳测试设备，其特征在于:所述第一电荷放大器与第二电荷放大器为同一电荷放大器；所述第一数据采集卡与第二数据采集卡为同一数据采集卡。
9.根据权利要求2所述的一种磨粒冲击疲劳测试设备的使用方法，其特征在于:包括: 1)通过Y轴滑台(12)和Z轴滑台(11)调整被冲击试件(6)在Y轴方向与Z轴方向上的位置使其正对磨粒； 2)通过X轴滑台(2)调整磨粒在X轴方向上的位置使其与被冲击试件(6)刚好接触； 3)启动超声振动系统以使工具头(7)发生振动，从而实现磨粒对被冲击试件(6)的冲击；记录冲击时间； 4)通过测力系统检测磨粒对被冲击试件(6)冲击过程中力的动态变化； 5)通过声发射系统检测磨粒对被冲击试件(6)冲击过程中磨粒达到疲劳破坏时的声发射信号； 6)检测到磨粒达到疲劳破坏后的声发射信号时，停止超声振动，根据冲击时间、超声振动频率计算冲击次数，从而得到磨粒的冲击疲劳测试数据。
10.根据权利要求9所述的一种磨粒冲击疲劳测试设备的使用方法，其特征在于:所述步骤2)中，判断磨粒与被冲击试件(6)刚好接触的方法包括: 21)通过X轴滑台(2)调整磨粒在X轴方向上的位置使其靠近被冲击试件￠)，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过X轴滑台(2)调整两者相对位置至塞尺最小尺寸； 22)启动测力系统，每次以X轴滑台(2)的最小位移移动X轴滑台(2)并通过测力系统检测磨粒与被冲击试件(6)间接触力的实时变化；当接触力到达临界值Nrait时，停止移动X轴滑台(2)，此时即为磨粒与被冲击试件(6)刚好接触。
【文档编号】G01N3/32GK104483217SQ201410852048
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】姜峰, 王宁昌, 徐西鹏, 言兰 申请人:华侨大学