[發明專利]一種可控制高精度磨削機理研究實驗裝置

有效

• 申請號: 201310554164.4
• 申請日: 2013-11-11
• 公開（公告）號: CN103630453A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 金灘;李平;尚振濤;郭宗福;易軍;吳耀;謝桂芝
• 申請（專利權）人: 湖南大學;湖大海捷（湖南）工程技術研究有限公司
• 主分類號: G01N3/56
• 分類號: G01N3/56
• 代理公司: 北京康盛知識產權代理有限公司 11331
• 代理人: 張良

技術領域

本發明涉及一種材料測試技術和機械工程精密加工領域的可控制高精度磨削機理研究實驗裝置和研究方法，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/超精密表面形成機理和材料去除機理研究的實驗裝置和方法。

背景技術

隨著科學技術和工業生產的發展，對機械產品及其零部件使用性能的要求越來越高，如要求材料的比強度高、耐高溫、耐腐蝕、低應變及表面/亞表面低損傷甚至無損傷等。為此，出現了許多新型難加工材料，如新型結構陶瓷、功能陶瓷、現代光學材料、光學晶體及單晶硅片等。由于這些難加工材料具有一系列優良的機械物理性能，所以它在激光技術、光通訊、光電子、航空航天航海及國防工業領域中均得到了廣泛應用。然而，這些難加工材料在磨削加工時往往易產生磨削力大、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、大的殘余拉應力或壓應力、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難性的后果。其中，是否深入理解難加工材料的磨削機理及是否合理選擇了磨削工藝參數都將會對磨削加工后零件的表面完整性產生至關重要的影響，表面形成機理和材料去除機理是由材料特性、磨料幾何形狀、磨料切入運動及作用在工件和磨粒上的機械及熱載荷等因素交互作用決定的，而磨削工藝參數是由砂輪線速度、工作臺進給速度及磨削深度等因素綜合作用的結果。此外，砂輪是磨削加工過程中的關鍵執行元件，砂輪的表面狀況對已加工表面質量具有重大影響，材料的高效去除、磨削表面的高質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，加工質量難以保證，表面/亞表面損傷大等不足。

磨削機理一直以來都是精密/超精密加工研究中的難點。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雜磨削機理的有效方法。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，同時滿足高轉速條件下的強度要求；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量多、磨粒切削刃形狀及位置的隨機性大、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理和材料去除機理是不夠的。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理，雙顆磨粒和多顆磨粒磨削將成為系統研究表面形成機理和材料去除機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，深入分析磨削參數及磨粒與磨粒之間的干涉作用對表面形成機理和材料去除機理的影響規律是研究難加工材料磨削機理、工藝優化和指導砂輪設計與制造階段及磨削過程中砂輪修整等的重要途徑。

目前，進行表面形成機理和材料去除機理研究的成熟設備主要集中于劃擦試驗裝置：如美國MTS公司的生產的NanoIndenter?XP劃痕儀、美國Hysitron公司生產的TriboIndenter劃痕儀、美國NANOVEA公司生產的SMT劃痕儀、英國MML公司生產的NanoTestTM?Vantage納米力學測試系統、印度Ducom公司生產的Model?TR-102-M3劃痕儀和瑞士CSM公司生產的Nano?Scratch?Tester(NST)劃痕儀等。這些應用于材料測試領域的專用劃擦試驗裝置具有較高的試驗精度和良好的穩定性及實時監測功能，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，遠遠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，在研究工程應用性較強的磨削加工材料磨削機理時，此類劃擦試驗裝置無法準確模擬砂輪磨削加工時工件表面的物理變化過程。