[发明专利]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

说明书

技术领域

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，具体涉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

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、耕犁、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。

单颗磨粒的划擦、耕犁、切削行为的测试手段主要有四种形式：直线划擦、楔面划擦、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：直线划擦和楔面划擦测试的划擦速度不足(最高线速度仅4m/s)，难以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。

一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，但是并未检索到这些专利相关的论文和产品，主要是因为这些专利方法的具体实施存在以下问题：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，因此难以实现稳定划擦，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

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，从而可以稳定、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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

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，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3000～10000rpm，球形磨头以8000～20000rpm的转速自转，同时从试件外侧以10～50μm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3000～10000rpm，球形磨头以8000～20000rpm的转速自转，同时从试件外侧以2～10μm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h₀；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h₀+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+a_p以使划擦深度为a_p；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，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。

一实施例中：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、电镀或钎焊固接在工具头顶端；所述工具头为压头。

一实施例中：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。