，W在试件1 表面形成端面跳动量8.9WI1，表面平均粗糖度Ra 5.25nm的圆环形修盘区域3，W降低试件1 端面跳动量，提高表面质量，进一步保证划擦过程中磨粒和试件1能稳定地接触，具体步骤 如下：
[0049] 2-1)球形磨头粗加工修盘:修盘的同时开启冷风机，使冷风对准球形磨头5和试件 1进行冷却，修盘时试件1的转速为3000rpm，球形磨头5 W1000化pm的转速自转，同时从试件 1外侧W10皿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1 OOmm;
[0050] 2-2)球形磨头精加工修盘:修盘的同时开启冷风机，使冷风对准球形磨头5和试件 1进行冷却，修盘时试件1的转速为3000rpm，球形磨头5 W1000化pm的转速自转，同时从试件 1外侧W 2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1 OOmm;
[0051] 修盘前后试件1表面=维形貌和端面跳动量的对比分别见图3和图4;
[0052] 3)球形磨头5触碰对刀仪4,确定修盘区域3与对刀仪4对刀平面的高度差ho;将球 形磨头5从支架上取下，更换为顶端电锻固接有单颗锥角90度，圆头半径0.05mm的圆锥形磨 粒的工具头2,工具头2顶端逐渐靠近对刀仪4,当测量系统数据产生突变时表示工具头2顶 端的磨粒刚好触碰对刀仪4对刀平面，再将工具头2沿试件旋转的轴向方向上移ho+S，W使 工具头2顶端的磨粒位于试件1修盘区域3上方S处，完成对刀，从而保证后续测试时能够准 确控制划擦深度；
[0053] 4)将工具头2水平移至修盘区域3的划擦点正上方，并下移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
十算试件1的设定转 速n;本实施例之中，n = 4000巧m，划擦速度V为63m/s (对应R= 200mm位置)~84m/s (对应R = 150mm位置），划擦深度ap分别设定为5皿、10皿、15皿、20皿、25皿;开启冷风机，使冷风对准 工具头和试件进行冷却，试件1按照上述设定转速n转动，且工具头2沿径向W2m/s的速度进 给，W使磨粒在修盘区域3形成间距为200皿的连续螺旋形划痕，划痕圈数大于3个，划痕的 =维形貌及其截面形状图如图5所示，可W看到多道划痕之间的深度方向误差小于lMl/ 1mm；
[0054] 5)此过程中通过与工具头2相连的测力仪和声发射系统采集划擦过程中的数据， 并通过信号放大器传输至数据采集卡，再传输至计算机进行计算，可得到划擦力、声发射信 号等物理量。图6给出了不同划擦深度下的切削力变化情况，从图中可W看出单颗磨粒高速 划擦过程中的法向力和切向力随着划擦深度的增大而增大。
[0055] 本实施例之中，所述测力仪的固有频率高于4Ifflz，测力精度优于0.01N;所述数据 采集卡的采样速度高于2M/s。
[0056] 根据需要，所述磨粒可W为CBN(立方氮化棚）、氧化物陶瓷或氮化物陶瓷;磨粒形 状还可W为球形或多棱锥形;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 具头可W为压头或其他的固结磨粒形式。
[0057] 根据需要，修盘的参数在如下范围内调整并进行一次或多次修盘，可在试件表面 形成端面跳动量优于口 1级，表面平均粗糖度Ra优于IOnm的修盘区域：
[0058] 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;修盘时试件的旋转方向与球形磨头的旋转方向可W相同也可W相反，相反可 W增加相对运动速度，提高加工质量；
[0059] 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;修盘时试件的旋转方向与球形磨头的旋转方向可W相同也可W相反，相反可W 增加相对运动速度，提高加工质量。
[0060] 对比例
[0061] 取黑色金属试件，经常规平面精磨工艺加工后，将试件表面分为两个区域，其中一 个区域按照本发明的修盘步骤进行修盘，使其表面质量达到端面跳动量优于ITl级，表面平 均粗糖度Ra优于IOnm,记为修盘区域;另一区域不进行修盘，记为未修盘区域。
[0062] 将上述试件采用本发明的测试方法进行单颗磨粒连续划擦测试，在相同测试参数 下在修盘区域和未修盘区域上形成划痕，划痕深度很小，可达到微米级，其对比结果如图7 所示，可W看出，在划痕深度很小的情况下，修盘区域的划痕形成连贯的螺旋形，呈均匀间 隔分布，检测其深度方向误差小于1皿/lmm,表明磨粒和试件在修盘区域内的较长划擦距离 上均能持续稳定接触，从而可W实现磨粒的高速高精度划擦测试;而未修盘区域的划痕不 能形成连贯螺旋形，划痕间隔不一，划痕深浅、划痕宽度均具有肉眼可见的差异性，表明磨 粒和试件之间无法持续稳定接触，难W实现磨粒的高速高精度划擦测试。
[0063] W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。
【主权项】
1. 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，其特征在于:包括： 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； 2) 采用球形磨头对该试件进行修盘，以在试件表面形成端面跳动量优于IT1级，表面平 均粗糙度Ra优于10nm的修盘区域，具体步骤如下： 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~lOOOOrpm，球形磨头以8000~20000rpm的转速自转，同时从试件外侧以10 ~50μηι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; 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~lOOOOrpm，球形磨头以8000~20000rpm的转速自转，同时从试件外侧以2~ ΙΟμπι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； 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+δ，以使工具头顶端的磨粒位于试件修盘区域上方δ处，完成对刀； 4) 将工具头水平移至修盘区域的划擦点正上方，并下移δ+办以使划擦深度为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η;试件 按照设定转速η转动，且工具头沿径向进给，以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。2. 根据权利要求1所述的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，其特征在于: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、电镀或钎焊固接在工具头顶端;所述工具头为压头。3. 根据权利要求1所述的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，其特征在于: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。4. 根据权利要求1所述的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，其特征在于: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。5. 根据权利要求4所述的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，其特征在于:所述测力仪的固有频率高于4ΚΗζ，测力精度优于0.01Ν;所述数据采集卡的 采样速度高于2M/s。6. 根据权利要求3所述的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，其特征在于: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。7. 根据权利要求1所述的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，其特征在于: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0.1μ m〇8. 根据权利要求1所述的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，其特征在于:所述对刀仪的定位精度优于0. Ιμπι。9. 根据权利要求1所述的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，其特征在于:所述的划痕为连续螺旋形划痕，划痕圈数大于3个。10. 根据权利要求1所述的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，其特征在于: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。
【专利摘要】本发明公开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，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，通过将黑色金属试件固定在电主轴上，对该试件进行在线动平衡；然后采用球形磨头对该试件进行修盘，达到测试所需的端面跳动以及粗糙度要求；随后换装顶端固接有单颗磨粒的工具头，并在更换过程中进行对刀；最后进入划擦测试，试件以指定转速旋转，工具头下切至指定切深，工具头径向进给，在试件端面形成螺旋形划痕，测量系统在此过程中采集划擦力、声发射信号等物理量。本发明能够保证磨粒和试件之间在较长划擦距离上的稳定接触，实现了高速高精度划擦，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。
【IPC分类】G01N19/06
【公开号】CN105717042
【申请号】CN201610077995
【发明人】言兰, 张涛, 姜峰, 徐西鹏
【申请人】华侨大学
【公开日】2016年6月29日
【申请日】2016年2月4日