一種可控制高精度磨削機(jī)理研究實(shí)驗裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可控制高精度磨削機(jī)理研究實(shí)驗裝置，該實(shí)驗裝置包括以下特征：基體上的結(jié)構(gòu)互差120°分布；上T形滑塊和下T形滑塊相對設(shè)置于基體的滑槽中；金剛石工具與下T形滑塊精密間隙配合；圓口夾具放置于基體上，毗鄰上T形滑塊；軸向螺旋測微儀（分辨率為1μm）放置于上T形滑塊上，與圓口夾具相互配合；三個徑向螺旋測微儀（分辨率為10μm）互差120°分布在基體上；基于該裝置可控制、高精度等特性，提出了單顆磨粒、雙顆磨粒及多顆磨粒多角度全方位研究磨削機(jī)理的新思路，尤其是研究相鄰磨粒與磨粒之間不同的軸向間距與徑向間距對表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理的影響規(guī)律。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，研究方法新穎獨(dú)特，實(shí)用性較強(qiáng)，測試精度高。
【專利說明】一種可控制高精度磨削機(jī)理研究實(shí)驗裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種材料測試技術(shù)和機(jī)械工程精密加工領(lǐng)域的可控制高精度磨削機(jī)理研究實(shí)驗裝置和研究方法，尤其涉及的是磨削加工中砂輪線速度大于30m/S時相鄰磨粒與磨粒之間的干涉作用對難加工材料精密/超精密表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理研究的實(shí)驗裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對機(jī)械產(chǎn)品及其零部件使用性能的要求越來越高，如要求材料的比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、低應(yīng)變及表面/亞表面低損傷甚至無損傷等。為此，出現(xiàn)了許多新型難加工材料，如新型結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷、現(xiàn)代光學(xué)材料、光學(xué)晶體及單晶硅片等。由于這些難加工材料具有一系列優(yōu)良的機(jī)械物理性能，所以它在激光技術(shù)、光通訊、光電子、航空航天航海及國防工業(yè)領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用。然而，這些難加工材料在磨削加工時往往易產(chǎn)生磨削力大、磨削溫度高、砂輪易磨損、磨削比較低、表面完整性差等缺陷。如果精密加工的零件在磨削加工后存在表面劃傷、表面粗糙等有害的加工痕跡和較大的表面/亞表面損傷、大的殘余拉應(yīng)力或壓應(yīng)力、表面硬化及污染層、晶格畸變層等缺陷，勢必會造成高性能要求的精密零件疲勞壽命降低乃至災(zāi)難性的后果。其中，是否深入理解難加工材料的磨削機(jī)理及是否合理選擇了磨削工藝參數(shù)都將會對磨削加工后零件的表面完整性產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理是由材料特性、磨料幾何形狀、磨料切入運(yùn)動及作用在工件和磨粒上的機(jī)械及熱載荷等因素交互作用決定的，而磨削工藝參數(shù)是由砂輪線速度、工作臺進(jìn)給速度及磨削深度等因素綜合作用的結(jié)果。此外，砂輪是磨削加工過程中的關(guān)鍵執(zhí)行元件，砂輪的表面狀況對已加工表面質(zhì)量具有重大影響，材料的高效去除、磨削表面的高質(zhì)量成形以及冷卻液的有效供給都要求砂輪表面上的磨粒必須具有合理的切削刃間距、表面等高性及足夠的容屑空間，否則，易造成工件加工效率低，加工質(zhì)量難以保證，表面/亞表面損傷大等不足。
[0003]磨削機(jī)理一直以來都是精密/超精密加工研究中的難點(diǎn)。作為砂輪磨削過程的一種簡化模型，單顆磨粒磨削是探討復(fù)雜磨削機(jī)理的有效方法。然而，一方面，與砂輪的磨削試驗相比，單顆磨粒磨削試驗要求試驗裝置必須具有很高的精度，同時滿足高轉(zhuǎn)速條件下的強(qiáng)度要求；另一方面，磨削過程是由大量磨粒同時與被加工材料相互作用并完成材料的去除，在此過程中，由于參與磨削的磨粒數(shù)量多、磨粒切削刃形狀及位置的隨機(jī)性大、磨削速度高等多種因素相互影響，僅僅依靠單顆磨粒磨削來研究表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理是不夠的。由于砂輪表面磨粒的分布是雜亂無章的，在磨削過程中磨粒與磨粒之間存在干涉作用，這在一定程度上勢必會對表面成形和材料去除造成影響，為了多角度全方位地研究磨削機(jī)理，雙顆磨粒和多顆磨粒磨削將成為系統(tǒng)研究表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理必不可少的研究方法。因此，為了提高難加工材料的加工效率、獲得較高的磨削加工性及高質(zhì)量的工件表面完整性，通過金剛石單顆磨粒、雙顆磨粒及多顆磨粒磨削試驗研究，深入分析磨削參數(shù)及磨粒與磨粒之間的干涉作用對表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理的影響規(guī)律是研究難加工材料磨削機(jī)理、工藝優(yōu)化和指導(dǎo)砂輪設(shè)計與制造階段及磨削過程中砂輪修整等的重要途徑。
[0004]目前，進(jìn)行表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理研究的成熟設(shè)備主要集中于劃擦試驗裝置:如美國MTS公司的生產(chǎn)的NanoIndenter XP劃痕儀、美國Hysitron公司生產(chǎn)的TriboIndenter劃痕儀、美國NAN0VEA公司生產(chǎn)的SMT劃痕儀、英國MML公司生產(chǎn)的NanoTestTM Vantage納米力學(xué)測試系統(tǒng)、印度Ducom公司生產(chǎn)的Model TR-102-M3劃痕儀和瑞士 CSM公司生產(chǎn)的Nano Scratch Tester (NST)劃痕儀等。這些應(yīng)用于材料測試領(lǐng)域的專用劃擦試驗裝置具有較高的試驗精度和良好的穩(wěn)定性及實(shí)時監(jiān)測功能，然而，這些劃擦試驗裝置的劃擦速度較低，且最大的劃擦速度為60mm/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于磨削加工時的砂輪線速度(通常大于15m/s)，與高速/超高速磨削情況下的砂輪線速度更是無法比擬。因此，在研究工程應(yīng)用性較強(qiáng)的磨削加工材料磨削機(jī)理時，此類劃擦試驗裝置無法準(zhǔn)確模擬砂輪磨削加工時工件表面的物理變化過程。
[0005]此外，雖然國內(nèi)外學(xué)者在實(shí)驗研究過程中自行設(shè)計了一些簡單的單顆磨粒磨削裝置，而且這些單顆粒磨削裝置可以達(dá)到磨削時砂輪的線速度，甚至可以模擬高速/超高速磨削，例如:經(jīng)對現(xiàn)有專利與文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，專利申請?zhí)?US7302831B2，Moyse Allan H公開了一種Scratch testing device ;專利申請?zhí)?201010300985.1，姚振強(qiáng)等人公開了一種光學(xué)玻璃測試裝置；文獻(xiàn)檢索號:J.Am.Ceram.Soc.88 (2005) 918-925, G.Subhash等人公開了一種 A new scratch resistance measure for structural ceramics ;文獻(xiàn)檢索號:J.Am.Ceram.Soc.88 (2005) 918-925, G.Subhash 等人公開了一種 Sensitivity ofscratch resistance to grinding-1nduced damage anisotropy in silicon nitride ；日本熊本大學(xué)T.Matsuo等設(shè)計了單顆磨粒微觀切削與劃擦試驗裝置，采用粒度為14/20#的CBN和金剛石磨粒對鋼和氧化鋁進(jìn)行了微觀切削和劃擦試驗；Y.0hbuchi采用負(fù)前角為-45°、-60°、-75°的CBN和金剛石磨粒分別對S50C鋼進(jìn)行了正交切削試驗；法國學(xué)者M(jìn)atthieu等用車刀代替單顆磨粒進(jìn)行劃擦試驗,研究磨削過程中材料的塑性變形和去除機(jī)理；東京工業(yè)大學(xué)Zhang Bi等·研究了金剛石的頂錐角分別為85°、108°、128°和65°時單顆金剛石磨粒劃擦的方法對氧化招的表面破碎的影響；德國不萊梅大學(xué)Ε.Brinksmeier研究了低速條件下單顆磨粒劃擦?xí)r磨削速度和磨屑厚度對淬火鋼磨屑的形成機(jī)理的影響；西北工業(yè)大學(xué)黃奇、任敬心等最早開展了單顆磨粒磨削的試驗研究；華僑大學(xué)林思煌、徐西鵬開展了單顆金剛石磨粒劃擦普通玻璃的表面形貌和磨削力研究……這些公開的發(fā)明專利和經(jīng)典的單顆磨粒劃擦試驗為我們研究單顆磨粒的切削行為提供了富有意義的指導(dǎo)。
[0006]然而，無論從試驗裝置還是從研究方法來看都存在一定的局限性:從試驗裝置來說，一種是金剛石磨粒通過粘接或釬焊的方法與基體固結(jié)，另一種是單顆磨粒固定不動，工件裝在砂輪盤上并隨砂輪一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動，這兩種試驗裝置中的金剛石磨粒都處于固結(jié)狀態(tài)，不能根據(jù)試驗所需進(jìn)行可控的調(diào)節(jié)，更為重要的是，不能同時安裝多顆磨粒；從研究方法來說，通常的單顆粒磨粒劃擦試驗是基于單顆磨粒切厚等于磨削深度，但是在實(shí)際的磨削過程中單顆磨粒切厚遠(yuǎn)小于實(shí)際磨削深度，更為重要的是，這些研究僅僅考慮到了單顆磨粒對表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理的影響，并不能從根本上解釋實(shí)際磨削過程中砂輪上雙顆磨?；蚨囝w磨粒之間的干涉作用對表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理的影響，從理論上分析，雙顆磨?；蚨囝w磨粒之間的干涉作用將會對單顆磨粒最大未變形切削厚度hm產(chǎn)生影響，而單顆磨粒最大未變形切削厚度匕對磨削過程中的磨削力、磨削溫度有直接的影響關(guān)系，容易造成砂輪磨損、磨削加工質(zhì)量不佳等問題。對于雙顆磨粒磨削試驗研究，即使有這方面的相關(guān)報道，如上海交通大學(xué)的顧偉彬博士對光學(xué)玻璃BK7進(jìn)行了劃擦試驗研究，結(jié)果表明:磨粒之間存在一個最佳間距使得材料去除體積達(dá)到最大值；但是，該研究中的兩次劃擦是基于不可忽略的時間間隔情況下產(chǎn)生的，而硬脆材料在加工時裂紋的形成源于局部應(yīng)力集中，一旦裂紋成核和擴(kuò)展完成后，局部的應(yīng)力集中將會減弱，所以劃擦過程的開始和裂紋的形成必須基于有限時間間隔內(nèi)，否則將有別于砂輪磨削時材料的去除機(jī)理，因此，該方法將不利于說明砂輪上磨粒與磨粒之間的徑向間距對磨削機(jī)理的影響。
[0007]此外,意大利學(xué)者Alberto Carpinteri和Stefano Invernizzi從數(shù)值仿真的角度研究了兩個壓頭之間的徑向間距對脆性材料材料去取機(jī)理的影響規(guī)律，結(jié)果表明:當(dāng)兩個壓頭之間的間距為3?4倍壓頭尺寸時，在獲得高的材料去除率及低的比磨削能的同時還將大大降低表面/亞表面的損傷，從而為最優(yōu)化超硬磨料工具提供有效的指導(dǎo)；但是，該研究僅僅基于數(shù)值仿真而未進(jìn)行有效的實(shí)驗驗證，更沒有一套可以真實(shí)模擬砂輪上磨粒與磨粒之間干涉作用的實(shí)驗裝置。
[0008]針對以上現(xiàn)狀，急需研制出一種構(gòu)造簡單、價格低廉、操作方便、控制精密、真實(shí)模擬高速磨削的多功能高精度難加工材料磨削機(jī)理研究裝置，尤其是雙顆磨?；蚨囝w磨粒磨削時磨粒與磨粒之間的干涉作用對表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過提出一種可控制高精度磨削機(jī)理研究實(shí)驗裝置及研究方法，克服現(xiàn)有技術(shù)的弊端，實(shí)現(xiàn)砂輪磨削線速度大于30m/s的難加工材料單顆磨粒磨削機(jī)理研究；同時該裝置解決了因磨粒過小(50μπι?200μπι)而不能靠近安裝的難題，便于重點(diǎn)考察雙顆磨粒和多顆磨粒在磨削過程中相鄰磨粒與磨粒之間不同的軸向間距與徑向間距的干涉作用對表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理的影響，從而為深入研究難加工材料磨削時的表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理、提高材料的加工效率與表面完整性及進(jìn)一步為超硬磨料砂輪地貌的設(shè)計與制造及磨削過程中的砂輪修整提供可靠依據(jù)。
[0010]本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:
[0011]一種可控制高精度磨削機(jī)理研究的實(shí)驗裝置，主要包括基體、上T形滑塊、下T形滑塊、金剛石工具、軸向螺旋測微儀、徑向螺旋測微儀、圓口夾具，其中基體與機(jī)床主軸連接桿連接，并通過防松平墊圈和六角螺母固定，所述基體的軸線與機(jī)床主軸連接桿的軸線高度重合，所述基體上的結(jié)構(gòu)互差120°分布，其上開有通槽，通槽頂面和底面的兩側(cè)有對稱分布的直線滑軌，用于上T形滑塊和下T形滑塊的運(yùn)動；通槽內(nèi)側(cè)開有用于安裝彈簧的盲孔，所述彈簧的另一端與下T形滑塊上的凹槽相連接，構(gòu)成微小的反向預(yù)緊力，用于平衡徑向螺旋測微儀的作用力；通槽外側(cè)開有用于安裝徑向螺旋測微儀的螺紋孔和光孔；所述光孔外側(cè)為一平面，用于定位徑向螺旋測微儀；所述基體中心孔位置頂部設(shè)有凸孔，底部設(shè)有階梯孔；所述基體頂面靠近通槽部分標(biāo)有刻度，與上T形滑塊上的刻度相對應(yīng)。
[0012]此外，上T形滑塊和下T形滑塊相對設(shè)置于基體的滑槽中，通過內(nèi)六角圓柱螺釘連接，其中上T形滑塊中心部位開有通孔，用于與軸向螺旋測微儀配合使用；上T形滑塊上表面部分標(biāo)有刻度，與基體頂面上的刻度相對應(yīng)，構(gòu)成游標(biāo)卡尺，金剛石工具在徑向位置的調(diào)節(jié)精度可達(dá)12.5 μ m ;上T形滑塊在基體上的運(yùn)動可滿足平滑移動，無爬行現(xiàn)象產(chǎn)生。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，下T形滑塊中心開有階梯通孔，上階梯孔用于與軸向螺旋測微儀配合使用，下階梯孔用于與金剛石工具高精度間隙配合使用；其左側(cè)開有凹槽，用于與彈簧配合使用；其右側(cè)開有螺紋階梯孔，用于安裝緊定螺釘來固定金剛石工具。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，上T形滑塊和下T形滑塊構(gòu)成一個滑塊組，該滑塊組在基體上沿徑向的滑動距離可達(dá)2mm，足以用來表征砂輪上磨粒與磨粒之間的徑向間距。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，金剛石工具與下T形滑塊精密間隙配合，通過內(nèi)六角圓柱螺釘緊固，其中金剛石工具在基體上的布置采用同心圓布置方法；可以通過旋轉(zhuǎn)金剛石工具在下T形滑塊的位置，來選擇金剛石工具在磨削過程中的切入角；通過選擇金剛石工具上的磨粒數(shù)來實(shí)現(xiàn)更多磨粒磨削試驗。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，圓口夾具放置于基體上，Btt鄰上T形滑塊，其中圓口夾具與基體的相對位置固定不變，當(dāng)上T形滑塊和下T形滑塊及金剛石工具整體在滑槽上移動后，軸向螺旋測微儀的位置也需要隨之變動，此時圓口夾具可以實(shí)現(xiàn)軸向螺旋測微儀的彈性制裝夾。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，軸向螺旋測微儀貫穿于圓口夾具，其上的一個端面置于上T形滑塊上，通過互差120°分布的三個內(nèi)六角圓柱螺釘夾緊，用于精密調(diào)節(jié)金剛石工具在軸向的相對位置；徑向螺旋測微儀互差120°分布在基體I上，由自身螺紋與基體連接，通過調(diào)節(jié)徑向螺旋測微儀上的微調(diào)旋鈕，使測微螺桿與上T型滑塊接觸并產(chǎn)生作用力，推動相互連接的上T形滑塊、下T形滑塊及金剛石工具整體在基體滑槽中滑動，從而調(diào)節(jié)金剛石工具在徑向的相對位置。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，為了保證軸向螺旋測微儀隨滑塊組在基體上沿徑向的位置變動而變動，圓口夾具的通孔為軸向螺旋測微儀留有2mm的移動空間，當(dāng)金剛石工具在獲得了精確的磨粒軸向間距和磨粒徑向間距后，將軸向螺旋測微儀和圓口夾具從基體上卸下。
[0019]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，研究方法新穎獨(dú)特，實(shí)用性較強(qiáng)，測試精度高。本發(fā)明采用輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)互差120°的分布模式、螺旋測微微調(diào)技術(shù)、游標(biāo)卡尺原理、金剛石工具同心圓布置等方法設(shè)計并制造了一種創(chuàng)新性強(qiáng)的多功能高精度磨削機(jī)理研究的裝置，基于該裝置可控制、高精度等特性，提出了單顆磨粒、雙顆磨粒及多顆磨粒多角度全方位研究磨削機(jī)理的新思路。本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)機(jī)床主軸的速度來得到不同的磨削速度，且磨削速度可達(dá)30m/s;通過調(diào)節(jié)機(jī)床Z軸的進(jìn)給來獲得不同的磨削深度，且分辨率可達(dá)0.1ym ;此外，本發(fā)明最重要的創(chuàng)新在于:為深入研究難加工材料磨削時的表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理、提高材料的加工效率與表面完整性及進(jìn)一步為超硬磨料砂輪地貌的設(shè)計與制造及磨削過程中的砂輪修整提供可靠依據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]現(xiàn)在將描述如本發(fā)明的優(yōu)選但非限制性的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)在參考附圖閱讀如下詳細(xì)描述時將變得顯而易見，其中:
[0021]圖1是本發(fā)明的實(shí)驗裝置的正視圖；
[0022]圖2是本發(fā)明的實(shí)驗裝置的俯視圖；[0023]圖3是本發(fā)明的實(shí)驗裝置的游標(biāo)卡尺部分的局部放大圖。
[0024]圖中:1一基體；2—圓口夾具；3—內(nèi)六角圓柱螺釘；4一金剛石工具；5—六角螺母；6—平墊圈；7—主軸連接桿；8—彈簧；9—下T形滑塊；10—上T形滑塊；11一軸向螺旋測微儀；12—內(nèi)六角圓柱螺釘；13—內(nèi)六角圓柱螺釘；14一內(nèi)六角圓柱螺釘；15—徑向螺旋測微儀。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例做詳細(xì)的說明，以下給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。以下的說明本質(zhì)上僅僅是示例性的而并不是為了限制本公開、應(yīng)用或用途。應(yīng)當(dāng)理解的是，在全部附圖中，對應(yīng)的附圖標(biāo)記表示相同或?qū)?yīng)的部件和特征。
[0026]如圖1和圖2所示:本實(shí)施例包括:基體1、上T形滑塊10、下T形滑塊9、金剛石工具4、軸向螺旋測微儀11、徑向螺旋測微儀15、圓口夾具2。為了便于描述，對裝置上互差120°分布的相同結(jié)構(gòu)或組件進(jìn)行順序標(biāo)號定義:如圖2所示，把裝置上的某一部分定義為A，按順時針方向轉(zhuǎn)動，分別定義B和C。如金剛石工具4A、金剛石工具4B、金剛石工具4C。
[0027]基體I與機(jī)床主軸連接桿7連接，并通過防松平墊圈6和六角螺母5固定，基體I的軸線與機(jī)床主軸連接桿7的軸線高度重合。其中，基體I上的結(jié)構(gòu)互差120°分布，其上開有通槽，通槽頂面和底面的兩側(cè)有對稱分布的直線滑軌，用于上T形滑塊10和下T形滑塊9的運(yùn)動；通槽內(nèi)側(cè)(靠近軸心)開有用于安裝彈簧8的盲孔，彈簧8的另一端與下T形滑塊9上的凹槽相連接，構(gòu)成微小的反向預(yù)緊力，用于平衡徑向螺旋測微儀15的作用力；通槽外側(cè)(遠(yuǎn)離軸心)開有用于安裝徑向螺旋測微儀15的螺紋孔和光孔；光孔外側(cè)為一平面，用于定位徑向螺旋測微儀15 ;基體I中心孔位置頂部設(shè)有凸孔，底部設(shè)有階梯孔；在設(shè)計裝置結(jié)構(gòu)時，考慮到該裝置高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力作用，確保其在離心力作用下安全可靠運(yùn)行，本發(fā)明對基體I采用輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，挖空基體上非工作部分，如圓周側(cè)面上下凹槽部分和互差120°分布的扇形槽部分；基體I頂面靠近通槽部分標(biāo)有刻度，與上T形滑塊10上的刻度相對應(yīng)。
[0028]上T形滑塊10和下T形滑塊9相對設(shè)置于基體的滑槽中，通過內(nèi)六角圓柱螺釘12連接。其中，上T形滑塊10中心部位開有通孔，用于與軸向螺旋測微儀15配合使用；上T形滑塊10上表面部分標(biāo)有刻度，與基體I頂面上的刻度相對應(yīng)，構(gòu)成簡單的游標(biāo)卡尺，由游標(biāo)卡尺原理可知，金剛石工具4在徑向位置的調(diào)節(jié)精度可達(dá)12.5 μ m ;上T形滑塊10在基體I上的運(yùn)動可滿足平滑移動，無爬行現(xiàn)象產(chǎn)生。下T形滑塊9中心開有階梯通孔，上階梯孔用于與軸向螺旋測微儀11配合使用，下階梯孔用于與金剛石工具4高精度間隙配合使用；其左側(cè)開有凹槽，用于與彈簧8配合使用；其右側(cè)開有螺紋階梯孔，用于安裝緊定螺釘14來固定金剛石工具4。此外，上T形滑塊10和下T形滑塊9構(gòu)成一個滑塊組，該滑塊組在基體I上沿徑向的滑動距離可達(dá)2mm，足以用來表征砂輪上磨粒與磨粒之間的徑向間距。
[0029]若需要研究單顆磨粒磨削試驗對表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理的影響，即三個金剛石工具中只有一個進(jìn)行磨削，其余兩個只起平衡作用；若需要研究雙顆磨粒在磨削過程中對表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理的影響，即第三個金剛石工具起平衡作用，此時可以通過調(diào)節(jié)軸向螺旋測微儀11來精確控制金剛石工具4在軸向的相對位置，即可獲得金剛石工具4A和與之互差120°分布的金剛石工具4B之間的軸向間距，通過徑向螺旋測微儀15的作用和彈簧8的反方向作用來平穩(wěn)推動相互連接的上T形滑塊10、下T形滑塊9及金剛石工具4整體在基體I滑槽中滑動，精確調(diào)整金剛石工具4在徑向的相對位置，即可獲得金剛石工具4A和金剛石工具4B之間的徑向間距；同理，研究多顆磨粒在磨削過程中對表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理的影響類似雙顆磨粒的情況。
[0030]金剛石工具4與下T形滑塊9精密間隙配合，通過內(nèi)六角圓柱螺釘14緊固。其中，金剛石工具4在基體I上的布置采用同心圓布置方法，可以解決因磨粒過小(50μπι?200 μ m)而不能靠近安裝的難題，而且可以自由調(diào)節(jié)金剛石工具4Α和金剛石工具4Β之間的徑向間距和軸向間距；考慮到試驗中金剛石工具4的更換問題，為提高效率，該裝置能方便地實(shí)現(xiàn)單顆磨粒的快裝快卸功能；可以通過旋轉(zhuǎn)金剛石工具4在下T形滑塊9的位置，來選擇金剛石工具4在磨削過程中的切入角；通過選擇金剛石工具4上的磨粒數(shù)來實(shí)現(xiàn)更多磨粒磨削試驗。
[0031]圓口夾具2放置于基體I上，毗鄰上T形滑塊10。其中，圓口夾具2與基體I的相對位置固定不變，當(dāng)上T形滑塊10和下T形滑塊9及金剛石工具4這個整體在滑槽上移動后，軸向螺旋測微儀11的位置也需要隨之變動，此時圓口夾具2可以實(shí)現(xiàn)軸向螺旋測微儀11的彈性制裝夾。
[0032]軸向螺旋測微儀11 (分辨率為Iym)貫穿于圓口夾具2，其上的一個端面置于上T形滑塊10上，通過互差120°分布的三個內(nèi)六角圓柱螺釘13夾緊，用于精密調(diào)節(jié)金剛石工具4在軸向的相對位置；徑向螺旋測微儀15 (分辨率為10 μ m)互差120°分布在基體I上，由自身螺紋與基體I連接，通過調(diào)節(jié)徑向螺旋測微儀15上的微調(diào)旋鈕，使測微螺桿與上T型滑塊10接觸并產(chǎn)生作用力，推動相互連接的上T形滑塊10、下T形滑塊9及金剛石工具4整體在基體I滑槽中滑動，從而調(diào)節(jié)金剛石工具4在徑向的相對位置。為了保證軸向螺旋測微儀11隨滑塊組在基體I上沿徑向的位置變動而變動，圓口夾具2的通孔為軸向螺旋測微儀11留有2mm的移動空間。當(dāng)金剛石工具4在獲得了精確的磨粒軸向間距和磨粒徑向間距后，將軸向螺旋測微儀11和圓口夾具2從基體I上卸下。
[0033]本實(shí)施例在湖南大學(xué)國家高效磨削工程中心的精密數(shù)控坐標(biāo)磨床MK2945C上完成，加工對象為BK7光學(xué)玻璃，金剛石工具4選用維氏壓頭V-2。由于單顆磨粒磨削試驗過程比較簡單，基本無需對金剛石工具進(jìn)行過多的調(diào)整，而且部分操作步驟類似于雙顆磨粒磨削試驗，同理，多顆磨粒磨削操作步驟亦類似于雙顆磨粒磨削試驗。
[0034]因此，本實(shí)施例選擇雙顆磨粒磨削試驗進(jìn)行講解，具體試驗步驟如下:
[0035](I)將測力儀固定在機(jī)床工作臺上，真空吸盤固定于測力儀上，BK7光學(xué)玻璃放置于真空吸盤上并開啟真空泵吸緊，雙顆磨粒磨削試驗之前對工件表面進(jìn)行精密磨削，以保證工件具有一定的平面度，其表面粗糙度Ra < 0.3 μ m，并用丙酮清洗磨削后的工件表面；
[0036](2)將基體I與主軸連接桿7相連，套上墊圈6，鎖緊六角螺母5，并將主軸連接桿7安裝在機(jī)床主軸上；
[0037](3)將彈簧8放入基體I的對應(yīng)位置；將上T形滑塊10和下T形滑塊9放入基體I的滑槽中，并用內(nèi)六角圓柱螺釘12連接，同時保證彈簧8與下T形滑塊9上的凹槽相配合；
[0038](4)將徑向螺旋測微儀15通過螺紋連接于基體I上，把金剛石工具4裝入到下T形滑塊9中，調(diào)節(jié)徑向螺旋測微儀15A和徑向螺旋測微儀15B，設(shè)置磨粒初始徑向間距Lci,初始徑向間距Ltl的值盡量偏大，以保證兩顆磨粒磨削后的溝槽不產(chǎn)生干涉，該初始徑向間距Ltl通過基體I和上T形滑塊10構(gòu)成的游標(biāo)卡尺上的刻度值來表示；
[0039](5)設(shè)置好初始徑向間距Ltl后，擰緊內(nèi)六角圓柱螺釘12，將上T形滑塊10和下T形滑塊9固定于基體I的滑槽中；
[0040](6)將圓口夾具2放置于基體I上，并用內(nèi)六角圓柱螺釘3鎖緊；
[0041](7)將軸向螺旋測微儀11貫穿于圓口夾具2、上T形滑塊10和下T形滑塊9，鎖緊內(nèi)六角圓柱螺釘13 ;通過目測，調(diào)節(jié)軸向螺旋測微儀11使得金剛石工具4A和金剛石工具4B在軸向方向的距離盡量靠近(以金剛石工具4A頂尖的磨粒為參考點(diǎn))，使得金剛石工具4A和金剛石工具4B都能夠在BK7光學(xué)玻璃表面留下溝槽，此時金剛石工具4A和金剛石工具4B存在一個軸向間距，用Dtl表示，金剛石工具4C滯空；
[0042](8)金剛石工具4A和金剛石工具4B所需的軸向間距的表征方法如下:在步驟(7)之后，將圓口夾具2和軸向螺旋測微儀11從基體I上卸下，調(diào)節(jié)內(nèi)六角圓柱螺釘14鎖緊金剛石工具4，然后進(jìn)行雙顆磨粒預(yù)磨削試驗，得到與金剛石工具4A和金剛石工具4B相對應(yīng)的兩個溝槽，分別表示為溝槽a和溝槽b，將工件至于顯微鏡下測量溝槽a和溝槽b的深度，得到一初始深度差值Λ D，該初始深度差值Dtll即為初調(diào)軸向螺旋測微儀11后得到的金剛石工具4Α和金剛石工具4Β的初始軸向間距Dtl ；
[0043](9)在初始軸向間距Dtl的情況下，將圓口夾具2和軸向螺旋測微儀11重新安裝到基體I上，調(diào)節(jié)軸向螺旋測微儀11設(shè)置金剛石工具4Α和金剛石工具4Β的軸向間距Dp從理論上分析，砂輪表面同一深度上的微刃數(shù)量越多、等高性越好，將有利于材料高效去除及表面質(zhì)量改善；然而，砂輪實(shí)際磨削過程中其表面磨粒分布雜亂無章，其磨粒等高性難以保證，而且分布在砂輪表層的微刃一般由砂輪精細(xì)修整而成。因此，可以通過研究磨粒與磨粒之間軸向間距D1的變化對磨削機(jī)理的影響規(guī)律，從而為超硬磨料砂輪地貌的設(shè)計與制造及磨削過程中的砂輪修整提供可靠依據(jù)。調(diào)節(jié)完畢后，鎖緊內(nèi)六角圓柱螺釘14 ；
[0044](10)在獲得了精確的磨粒軸向間距D1后，再設(shè)置所需的磨粒徑向間距L1 ;將圓口夾具2和軸向螺旋測微儀11從基體I上卸下，擰松內(nèi)六角圓柱螺釘12，調(diào)節(jié)徑向螺旋測微儀15A和徑向螺旋測微儀15B設(shè)置所需的磨粒徑向間距L1，設(shè)置完成后，擰緊內(nèi)六角圓柱螺釘12 ;
[0045](11)至此，在獲得了精確的磨粒軸向間距D1和磨粒徑向間距L1后，整個試驗裝置調(diào)節(jié)完畢；
[0046](12)設(shè)置磨削參數(shù)，試驗過程中可控制的工藝參數(shù)包括:主軸轉(zhuǎn)速n (4500r/min一20000r/min)、工作臺進(jìn)給速度Vw (30mm/min一5000mm/min)、磨削深度ap (調(diào)節(jié)分辨率為0.Ιμπι);通過設(shè)置不同的磨削工藝參數(shù)，采用正交實(shí)驗法進(jìn)行深入系統(tǒng)的試驗研究；
[0047](13)啟動數(shù)控坐標(biāo)磨床MK2945C，裝置在機(jī)床主軸的作用下高速旋轉(zhuǎn)，金剛石工具4以立軸磨削的磨削方式在待測Κ9光學(xué)玻璃表面進(jìn)行磨削加工，從而在一次試驗中產(chǎn)生兩條呈同心圓分布的圓弧溝槽；在同一參數(shù)下條件下，調(diào)節(jié)工作臺在XY面內(nèi)的位置，重復(fù)兩次；
[0048](14)若要研究不同的磨粒徑向間距Ιν..Ln和磨粒軸向間距仏…Dn對表面形成機(jī)理和材料去除機(jī)理的影響，返回步驟(9);記錄好每次試驗完成后磨粒徑向間距L1^P磨粒軸向間距Dn，以備作為下次試驗的初始值Ltl和Dtl，避免了步驟(4) - (8)的多次重復(fù)；
[0049](15)采集磨削過程中的磨削力，處理分析數(shù)據(jù)；
[0050](16)磨削試驗完畢后，收集磨屑，并用超景深顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察分析磨屑形態(tài)；
[0051](17)為了便于觀察溝槽形貌，將磨削后的BK7光學(xué)玻璃放入超聲波清洗機(jī)中用丙酮清洗，接著將清洗完的樣件置于65%的濃磷酸中腐蝕17小時，將樣件清洗干凈，最后將烘干的試件放在超景深顯微鏡和掃描電子顯微鏡下觀測溝槽表面形貌及表面裂紋；
[0052](18)為了便于觀察磨削過程中產(chǎn)生的亞表面裂紋，對磨削后的BK7光學(xué)玻璃在Nanopol1-1OO型納米拋光機(jī)進(jìn)行研磨拋光，將拋光后的BK7光學(xué)玻璃與(17)做相似的處理，觀測亞表面裂紋形態(tài)及亞表面裂紋深度。
【權(quán)利要求】
1.一種可控制高精度磨削機(jī)理研究的實(shí)驗裝置，包括基體、上T形滑塊、下T形滑塊、金剛石工具、軸向螺旋測微儀、徑向螺旋測微儀、圓口夾具，其中基體與機(jī)床主軸連接桿連接，并通過防松平墊圈和六角螺母固定，所述基體的軸線與機(jī)床主軸連接桿的軸線高度重合，所述基體上的結(jié)構(gòu)互差120°分布，其上開有通槽，通槽頂面和底面的兩側(cè)有對稱分布的直線滑軌，用于上T形滑塊和下T形滑塊的運(yùn)動；通槽內(nèi)側(cè)開有用于安裝彈簧的盲孔，所述彈簧的另一端與下T形滑塊上的凹槽相連接，構(gòu)成微小的反向預(yù)緊力，用于平衡徑向螺旋測微儀的作用力；通槽外側(cè)開有用于安裝徑向螺旋測微儀的螺紋孔和光孔；所述光孔外側(cè)為一平面，用于定位徑向螺旋測微儀；所述基體中心孔位置頂部設(shè)有凸孔，底部設(shè)有階梯孔；所述基體頂面靠近通槽部分標(biāo)有刻度，與上T形滑塊上的刻度相對應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的可控制高精度磨削機(jī)理研究的實(shí)驗裝置，其特征在于，上T形滑塊和下T形滑塊相對設(shè)置于基體的滑槽中，通過內(nèi)六角圓柱螺釘連接，其中上T形滑塊中心部位開有通孔，用于與軸向螺旋測微儀配合使用；上T形滑塊上表面部分標(biāo)有刻度，與基體頂面上的刻度相對應(yīng)，構(gòu)成游標(biāo)卡尺，金剛石工具在徑向位置的調(diào)節(jié)精度可達(dá)12.5μπι ;上T形滑塊在基體上的運(yùn)動可滿足平滑移動，無爬行現(xiàn)象產(chǎn)生。
3.如權(quán)利要求1或2所述的可控制高精度磨削機(jī)理研究的實(shí)驗裝置，其特征在于，下T形滑塊中心開有階梯通孔，上階梯孔用于與軸向螺旋測微儀配合使用，下階梯孔用于與金剛石工具高精度間隙配合使用；其左側(cè)開有凹槽，用于與彈簧配合使用；其右側(cè)開有螺紋階梯孔，用于安裝緊定螺釘來固定金剛石工具。
4.如權(quán)利要求1或2所述的可控制高精度磨削機(jī)理研究的實(shí)驗裝置，其特征在于，上T形滑塊和下T形滑塊構(gòu)成一個滑塊組，該滑塊組在基體上沿徑向的滑動距離可達(dá)2mm，足以用來表征砂輪上磨粒與磨粒之間的徑向間距。
5.如權(quán)利要求1或2所述的可控制高精度磨削機(jī)理研究的實(shí)驗裝置，其特征在于，金剛石工具與下T形滑塊精密間隙配合，通過內(nèi)六角圓柱螺釘緊固，其中金剛石工具在基體上的布置采用同心圓布置方法；可以通過旋轉(zhuǎn)金剛石工具在下T形滑塊的位置，來選擇金剛石工具在磨削過 程中的切入角；通過選擇金剛石工具上的磨粒數(shù)來實(shí)現(xiàn)更多磨粒磨削試驗。
6.如權(quán)利要求1或2所述的可控制高精度磨削機(jī)理研究的實(shí)驗裝置，其特征在于，圓口夾具放置于基體上，毗鄰上T形滑塊，其中圓口夾具與基體的相對位置固定不變，當(dāng)上T形滑塊和下T形滑塊及金剛石工具整體在滑槽上移動后，軸向螺旋測微儀的位置也需要隨之變動，此時圓口夾具可以實(shí)現(xiàn)軸向螺旋測微儀的彈性制裝夾。
7.如權(quán)利要求1或2所述的可控制高精度磨削機(jī)理研究的實(shí)驗裝置，其特征在于，軸向螺旋測微儀貫穿于圓口夾具，其上的一個端面置于上T形滑塊上，通過互差120°分布的三個內(nèi)六角圓柱螺釘夾緊，用于精密調(diào)節(jié)金剛石工具在軸向的相對位置；徑向螺旋測微儀互差120°分布在基體上，由自身螺紋與基體連接，通過調(diào)節(jié)徑向螺旋測微儀上的微調(diào)旋鈕，使測微螺桿與上T型滑塊接觸并產(chǎn)生作用力，推動相互連接的上T形滑塊、下T形滑塊及金剛石工具整體在基體滑槽中滑動，從而調(diào)節(jié)金剛石工具在徑向的相對位置。
8.如權(quán)利要求7所述的可控制高精度磨削機(jī)理研究的實(shí)驗裝置，其特征在于，為了保證軸向螺旋測微儀隨滑塊組在基體上沿徑向的位置變動而變動，圓口夾具的通孔為軸向螺旋測微儀留有2_的移動空間，當(dāng)金剛石工具在獲得了精確的磨粒軸向間距和磨粒徑向間距后 ，將軸向螺旋測微儀和圓口夾具從基體上卸下。
【文檔編號】G01N3/56GK103630453SQ201310554164
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】金灘, 李平, 尚振濤, 郭宗福, 易軍, 吳耀, 謝桂芝 申請人:湖南大學(xué), 湖大海捷(湖南)工程技術(shù)研究有限公司