一种球形磨头预修黑色金属试件的单颗磨粒连续划擦测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械加工中的材料性能测试及精密与超精密加工领域，具体设及一种 球形磨头预修黑色金属试件的单颗磨粒连续划擦测试方法。
【背景技术】
[0002] 磨粒加工过程可看做是磨具表面大量排列参差不齐、分布不规则的形状各异的磨 粒共同完成的切削过程。在科学研究中，常把复杂现象抽象成一种简化的模式，来探讨一些 最本质的问题。细小磨粒的切削作用是磨削加工的基础，单颗磨粒的划擦、耕準、切削作为 磨削加工的基本模式，成为认识复杂磨削作用的一种重要手段。
[0003] 单颗磨粒的划擦、耕準、切削行为的测试手段主要有四种形式:直线划擦、模面划 擦、球盘划擦和单摆划擦。对已有的大量文献和公开专利分析发现，四种测试方法存在相应 的不足:直线划擦和模面划擦测试的划擦速度不足(最高线速度仅4m/s)，难W很好的模拟 磨粒加工过程(最高线速度可达200m/s);球盘划擦测试方法实际上是一种典型的摩擦学测 试方法，球盘摩擦过程中的材料去除方式与磨粒加工过程中的材料去除方式有很大不同， 当达到稳定摩擦阶段，甚至没有材料去除，同时对摩擦盘的形状精度和表面光洁度要求非 常高;单摆划擦测试被认为是最接近磨粒去除材料过程的一种测试手段，但是测试稳定性 差，由于过短的磨粒-工件接触时间，切削力等材料去除过程物理量的采集成为一个难题。
[0004] -些公开的专利提出了单磨粒测试的改进方法，将单摆划擦测试方法进行改进， 改变传统的工件静止、磨粒转动方式为磨粒静止、工件转动方式，从而获得更长的划痕，因 此有更长的时间采集切削力等物理量，但是并未检索到运些专利相关的论文和产品，主要 是因为运些专利方法的具体实施存在W下问题：由于划痕长度增加，对磨粒和工件相对运 动精度要求大幅度提高，而上述方法均无法保持磨粒与工件间始终处于高精度的稳定接触 状态，因此难W实现稳定划擦，更无法实现小粒度磨粒的高速高精度划擦测试。上述问题极 大地制约了单颗磨粒划擦试验技术的进步。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种球形磨头预修黑色金属 试件的单颗磨粒连续划擦测试方法，能够保证磨粒和试件之间在较长划擦距离上的稳定接 触，实现了小粒度磨粒的高速高精度划擦，从而可W稳定、精确的采集单颗磨粒划擦过程中 的切削力、切屑变形等物理量，相关测试结果可用于摩擦磨损过程及磨削加工中材料去除 机理的研究。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] -种球形磨头预修黑色金属试件的单颗磨粒连续划擦测试方法，包括：
[000引1)将黑色金属试件固定在电主轴上，试件可通过电主轴旋转；对该试件进行在线 动平衡；
[0009] 2)采用球形磨头对该试件进行修盘，W在试件表面形成端面跳动量优于ITl级，表 面平均粗糖度Ra优于IOnm的修盘区域，具体步骤如下：
[0010] 2-1)球形磨头粗加工修盘:修盘的同时对球形磨头和试件进行冷却，修盘时试件 的转速范围为3000~1000化pm，球形磨头W8000~2000化pm的转速自转，同时从试件外侧 W10~50WI1的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.4~1.2mm/s，进给距离为试件直径 的 1/4 ~1/2;
[0011] 2-2)球形磨头精加工修盘:修盘的同时对球形磨头和试件进行冷却，修盘时试件 的转速范围为3000~1000化pm，球形磨头W8000~2000化pm的转速自转，同时从试件外侧 W 2~10皿的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.1~0.3mm/s，进给距离为试件直径的 1/4~1/2;
[0012] 3)球形磨头触碰对刀仪，确定修盘区域与对刀仪对刀平面的高度差ho;将球形磨 头更换为顶端固接有单颗磨粒的工具头，工具头顶端的磨粒触碰对刀仪，再将工具头沿试 件旋转的轴向方向上移ho+S，W使工具头顶端的磨粒位于试件修盘区域上方S处，完成对 刀；
[0013] 4)将工具头水平移至修盘区域的划擦点正上方，并下巧S+apW使划擦深度为ap;根 据需测试的划擦速度V和划擦点所在的划擦半径R，通过
计算试件的设定转速n; 试件按照设定转速n转动，且工具头沿径向进给，W使磨粒在修盘区域划擦形成螺旋形划 痕，此过程中通过与工具头相连的测量系统采集划擦过程中的数据;划擦的同时对工具头 和试件进行冷却。
[0014] -实施例中：所述磨粒为CBN、氧化物陶瓷或氮化物陶瓷，磨粒形状为球形、圆锥形 或多棱锥形;该磨粒通过机械夹持、电锻或针焊固接在工具头顶端;所述工具头为压头。
[0015] -实施例中：所述试件为圆盘形；所述修盘时，球形磨头的进给距离小于试件半 径，修盘区域为圆环形。
[0016] 一实施例中：所述测量系统为测力和声发射系统，包括相互信号连接的测力仪、声 发射系统、数据采集卡和信号放大器;所述工具头与测力仪和声发射系统相连接。
[0017] -实施例中：所述测力仪的固有频率高于铅化，测力精度优于0.01N;所述数据采 集卡的采样速度高于2M/s。
[0018] -实施例中:所述步骤2)中，修盘时试件的旋转方向与球形磨头的旋转方向相反。
[0019] -实施例中：所述工具头在沿试件旋转的轴向方向和径向方向的定位精度均优于 0.：[皿。
[0020] -实施例中:所述对刀仪的定位精度优于0.1皿。
[0021] -实施例中:所述的划痕为连续螺旋形划痕，划痕圈数大于3个。
[0022] -实施例中：所述工具头轴线平行于试件旋转轴线;所述球形磨头轴线平行于试 件旋转轴线。
[0023] 除有说明外，本发明所设及的各装置的单一处理过程W及各装置间的连接方式均 为本领域常规技术，在此不加 W详细描述。
[0024] 本技术方案与【背景技术】相比，它具有如下优点：
[0025] 1.本发明对主轴-试件系统进行在线动平衡，避免了高速旋转过程中的大幅端面 跳动或径向跳动，从而保持磨粒和试件间的稳定接触状态；同时，利用球形磨头对试件进行 在线加工，同时提高了试件的形状精度和表面光洁度，提升了试件回转精度和磨粒运动精 度，从而保证了磨粒和试件间的相对运动精度，配合动平衡，进一步保证了磨粒和试件之间 在较长划擦距离上能够持续稳定接触，从而实现磨粒的高速高精度划擦测试。
[0026] 2.按照本领域的常识，试件的已加工表面质量必须优于相关磨削工艺得到的表面 质量，最好高出一个数量级，得到的划痕测试结果才能用于磨削过程去除机理的分析；由于 本发明大大提升了试件表面的质量，因此能够满足磨削过程去除机理等高精度分析的要 求，可用于摩擦磨损过程及磨削加工中材料去除机理的研究。
[0027] 3.磨粒划擦深度大于试件表面起伏程度的5倍W上才能保证划擦的稳定性，由于 本发明大大提升了试件表面的质量，试件表面精度和光洁度好，即使是小粒度的磨粒也能 实现稳定高精度划擦，因此可W用于小粒度磨粒的单颗磨粒划擦测试，进一步拓展了本发 明的应用范围，也是对本行业单颗磨粒划擦试验技术的极大促进。
【附图说明】
[0028] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0029] 图1为本发明的测试方法原理示意图。
[0030] 图2为本发明的修盘过程原理示意图。
[0031] 图3为本发明实施例中修盘前后试件表面=维形貌的对比，其中图3a为修盘前(经 常规平面精磨工艺加工），图3b为修盘后。
[0032] 图4为本发明实施例中修盘前后试件表面端面跳动量的对比，其中图4a为修盘前 (经常规平面精磨工艺加工），其端面跳动量最大值可达16皿;图4b为修盘后，其端面跳动量 最大值为8.9皿。
[0033] 图5为本发明实施例中划痕的=维形貌及其截面形状图（划擦深度15WI1)，其中图 5a为划痕的=维形貌示意图，图化为划痕的截面形状图。
[0034] 图6为本发明实施例中在不同划擦速度下的切削力变化示意图，其中图6a为法向 切削力，图化为切向切削力。
[0035] 图7为本发明对比例中修盘区域和未修盘区域的单颗磨粒连续划擦测试结果示意 图。
[0036] 附图标记:试件1，工具头2,修盘区域3,对刀仪4,球形磨头5。
【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] -种球形磨头预修黑色金属试件的单颗磨粒连续划擦测试方法，所采用的装置包 括：
[0039] 机床，圆盘形黑色金属试件1装接在机床的电主轴上，且试件1可通过电主轴旋转；
[0040] 动平衡仪，用于对试件1进行在线动平衡；
[0041 ]球形磨头5，用于对试件1端面进行修盘;该球形磨头5可装拆地装接在支架，并通 过支架可移动地装接在机床;球形磨头巧自线平行于试件1旋转轴线；
[0042]工具头2，用于进行划擦测试;该工具头2顶端固接有单颗的磨粒;该工具头2可与 球形磨头相替换装拆地装接在支架，并通过支架可移动地装接在机床;工具头巧自线平行于 试件1旋转轴线，工具头2可W在试件1旋转的轴向方向和径向方向上移动，且在两个方向的 定位精度均优于0.1皿；
[0043] 对刀仪4,用于对球形磨头和工具头2进行对刀，定位精度优于0.1 wn;装接在机床， 并与试件1间的相对位置保持固定；
[0044] 测量系统，为测力和声发射系统，包括相互信号连接的测力仪、声发射系统、数据 采集卡和信号放大器;该工具头2与测力仪和声发射系统相连接;数据采集卡信号连接计算 机；
[0045] 冷风机：用于对修盘过程中的球形磨头和试件，W及划擦过程中的工具头和试件 进行吹风冷却。
[0046] 具体测试方法如下：
[0047] 1)将直径400mm、厚度20mm的45钢圆盘形试件1用磁力吸盘或机械夹具等方式固定 在机床的电主轴上，试件1可通过电主轴旋转；用动平衡仪对该试件1进行在线动平衡，W减 少试件1在高速旋转时的振动，从而保证划擦过程中磨粒和试件1能稳定地接触；
[0048] 2)采用球形磨头5对该试件1进行修盘，先进行粗加工，再进行精加工