[發明專利]超聲振動輔助下單顆磨粒磨削實驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201410241159.2
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN104002220A
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發明（設計）人: 向道輝;趙波;李學崑;王艷鳳;秦強;高國富;焦鋒;崔峰;馬國鋒;張玉龍
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: B24B27/00
• 分類號: B24B27/00;B24B49/00;G01N3/58
• 代理公司: 鄭州聯科專利事務所(普通合伙) 41104
• 代理人: 朱俊峰;王聚才

技術領域

本發明屬于精密超精密機械加工技術領域，尤其涉及一種超聲振動輔助下單顆磨粒磨削實驗裝置及方法。

背景技術

目前，隨著精密超精密機械加工技術的發展，磨削加工占有不可估量的重要地位，特別是難加工材料的磨削加工，在超聲振動輔助下進行磨削加工更有其獨特的優越性，從而得到廣泛的應用。磨削過程究其本質是大量離散分布在砂輪表面的磨粒完成的滑擦、耕犁、切削作用的綜合效果，各種物理、力學現象產生機理復雜。對于磨削的研究，大致有兩種方式：一是從宏觀著手，將砂輪看做一個整體，通過磨削實驗來研究磨削力，磨削溫度等磨削物理量；二是從介觀角度著手，將磨削過程看做是磨具表面大量排列參差不齊，分布不規則的形狀各異的磨粒共同完成的切削過程。在科學研究中，把復雜現象抽象成一種簡化的模式，來進行理論分析和試驗研究，用來探討一些最本質的問題，是一種常用的方法。因此，構成砂輪的細小磨粒的切削作用是磨削加工的基礎，單顆磨粒切削作為磨削加工的基本模式，成為認識復雜磨削作用的一種重要手段。

磨削過程是磨具表面有效磨粒共同完成的微量切削過程。構成砂輪的細小磨粒的切削作用是金屬磨削的基礎，將單顆磨粒切削結果在磨削區域進行集成，就可以解釋磨削過程中的各種物理現象。因此單顆磨粒切削的機理研究成為認識復雜磨削機理的一種重要手段。最常見的單顆磨粒磨削試驗是在普通平面磨床上進行的，根據磨粒與工件相對運動軌跡可分為鐘擺和滑擦實驗方法，其中滑擦實驗法又分為球一盤摩擦實驗法、直線滑擦法和楔形滑擦法。雖然單顆磨粒磨削試驗研究已有很長的研究歷史并且也有相當成就，但是以往那些試驗工藝過程都是基于單顆磨粒劃針、單顆磨粒壓痕的思路進行的研究，只能研究單顆磨粒在某種狀態下的靜態變化，其過程不能直觀地展現單顆磨粒的磨削過程并且面臨著刀具安裝繁瑣，對刀過程麻煩，且上述方法測試的單顆磨粒磨削實驗速度遠遠低于實際的單顆磨粒磨削速度，且其結果的重復性不好，切削過程物理量的檢測及磨粒微觀變化分析過程也有很大的難度。另外上述測試方法也只能部分模擬在常規磨削情況下的單顆模擬磨削過程，而不能模擬在超聲振動磨削下模擬的磨削過程。目前超聲磨削加工已經廣泛應用于航空航天、汽車、光學器件等廣闊的機械加工領域，要深入了解超聲振動條件下，砂輪磨削工件的去除機理，就需要了解在超聲振動下單顆磨粒對材料的切削過程。因此，在精密超精密機械加工領域，對難加工材料的磨削過程特別是超聲振動情況下砂輪的磨削過程分析亟待一種工藝簡單，操作方便，易于控制并且可以展現磨粒動態變化的超聲振動單顆磨粒磨削實驗裝置及方法。

發明內容

本發明為了解決現有技術中的不足之處，提供一種藝簡單、操作方便、易于控制并且可以展現磨粒動態變化的超聲振動輔助下單顆磨粒磨削實驗裝置及方法。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：超聲振動輔助下單顆磨粒磨削實驗裝置，包括超精密機床、對刀系統、超聲振動系統、測力系統、高速攝像系統和數據處理系統，超精密機床上設有氣浮工作臺，氣浮工作臺上設有支撐盤，測力系統設在支撐盤上，測力系統上設有刀具固定架，超聲振動系統包括超聲發生電源、換能器和變幅桿，換能器設在變幅桿上端，超聲發生電源通過導線與換能器連接，刀具固定架上設有刀具微調機構，變幅桿設在刀具微調機構上，變幅桿的動力輸出端設有電鍍金剛石單顆磨粒刀具，高速攝像系統設在超精密機床上，數據處理系統包括電荷放大器、數據采集卡和計算機，測力系統、電荷放大器、數據采集卡和計算機通過數據線順次連接。

超聲振動輔助下單顆磨粒磨削實驗方法，包括以下步驟，

（1）、工件安裝在超精密機床的氣浮主軸夾具上；將對刀系統安裝到超精密機床的氣浮工作臺上；

（2）、利用對刀系統上的成像系統，通過調節氣浮工作臺和刀具微調機構進行快速準確對刀；

（3）、對刀完成后，將對刀系統拆卸，開動超精密機床及超聲振動系統，使電鍍金剛石單顆磨粒刀具產生Z向超聲振動，通過操控機床數控系統，使電鍍金剛石單顆磨粒刀具在工件軸向實現螺旋進給，并在進給過程中，階段加深微量切削深度，測力系統對實驗過程中單顆磨粒受力情況進行在線檢測和記錄，并將數據經電荷放大器、數據采集卡傳輸到計算機；

（4）、高速攝像系統對磨削過程中磨粒的運動軌跡、微觀變化過程以及材料的去除過程進行在線觀測和記錄；

（5）、通過改變不同的切削速度，可以模擬單顆磨粒在不同切削條件下的切削性能；關閉超聲振動系統，模擬單顆磨粒在常規磨削情況的切削性能。