超声振动辅助下单颗磨粒磨削实验装置及方法

1.超声振动辅助下单颗磨粒磨削实验装置的实验方法，其特征在于：超声振动辅助下单颗磨粒磨削实验装置包括超精密机床、对刀系统、超声振动系统、测力系统、高速摄像系统和数据处理系统，超精密机床上设有气浮工作台，气浮工作台上设有支撑盘，测力系统设在支撑盘上，测力系统上设有刀具固定架，超声振动系统包括超声发生电源、换能器和变幅杆，换能器设在变幅杆上端，超声发生电源通过导线与换能器连接，刀具固定架上设有刀具微调机构，变幅杆设在刀具微调机构上，变幅杆的动力输出端设有电镀金刚石单颗磨粒刀具，高速摄像系统设在超精密机床上，数据处理系统包括电荷放大器、数据采集卡和计算机，测力系统、电荷放大器、数据采集卡和计算机通过数据线顺次连接；
所述实验方法包括以下步骤，
（1）、工件安装在超精密机床的气浮主轴夹具上；将对刀系统安装到超精密机床的气浮工作台上；
（2）、利用对刀系统上的成像系统，通过调节气浮工作台和刀具微调机构进行快速准确对刀；
（3）、对刀完成后，将对刀系统拆卸，开动超精密机床及超声振动系统，使电镀金刚石单颗磨粒刀具产生Z向超声振动，通过操控机床数控系统，使电镀金刚石单颗磨粒刀具在工件轴向实现螺旋进给，并在进给过程中，阶段加深微量切削深度，测力系统对实验过程中单颗磨粒受力情况进行在线检测和记录，并将数据经电荷放大器、数据采集卡传输到计算机；
（4）、高速摄像系统对磨削过程中磨粒的运动轨迹、微观变化过程以及材料的去除过程进行在线观测和记录；
（5）、通过改变不同的切削速度，可以模拟单颗磨粒在不同切削条件下的切削性能；关闭超声振动系统，模拟单颗磨粒在常规磨削情况的切削性能。
2.根据权利要求1所述的超声振动辅助下单颗磨粒磨削实验装置的实验方法，其特征在于：所述步骤（3）中，电镀金刚石单颗磨粒刀具在进给过程中所受的力通过变幅杆传递给刀具固定架，刀具固定架再将受力传递给测力系统，测力系统将力的动态变化信号传输给与其连接的数据处理系统，即可实现超声振动辅助下单颗磨粒磨削过程中磨削力动态变化的检测和记录。
3.根据权利要求1所述的超声振动辅助下单颗磨粒磨削实验装置的实验方法，其特征在于：所述步骤（4）中，利用高速摄像系统在线观测超声辅助下单颗磨粒的切削过程，观察磨削过程中磨粒产生裂纹、破碎、脱落的微观变化，以及材料的去除过程。

超声振动辅助下单颗磨粒磨削实验装置及方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于精密超精密机械加工技术领域，尤其涉及一种超声振动辅助下单颗磨粒磨削实验装置及方法。\n背景技术\n[0002] 目前，随着精密超精密机械加工技术的发展，磨削加工占有不可估量的重要地位，特别是难加工材料的磨削加工，在超声振动辅助下进行磨削加工更有其独特的优越性，从而得到广泛的应用。磨削过程究其本质是大量离散分布在砂轮表面的磨粒完成的滑擦、耕犁、切削作用的综合效果，各种物理、力学现象产生机理复杂。对于磨削的研究，大致有两种方式：一是从宏观着手，将砂轮看做一个整体，通过磨削实验来研究磨削力，磨削温度等磨削物理量；二是从介观角度着手，将磨削过程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，把复杂现象抽象成一种简化的模式，来进行理论分析和试验研究，用来探讨一些最本质的问题，是一种常用的方法。因此，构成砂轮的细小磨粒的切削作用是磨削加工的基础，单颗磨粒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。\n[0003] 磨削过程是磨具表面有效磨粒共同完成的微量切削过程。构成砂轮的细小磨粒的切削作用是金属磨削的基础，将单颗磨粒切削结果在磨削区域进行集成，就可以解释磨削过程中的各种物理现象。因此单颗磨粒切削的机理研究成为认识复杂磨削机理的一种重要手段。最常见的单颗磨粒磨削试验是在普通平面磨床上进行的，根据磨粒与工件相对运动轨迹可分为钟摆和滑擦实验方法，其中滑擦实验法又分为球一盘摩擦实验法、直线滑擦法和楔形滑擦法。虽然单颗磨粒磨削试验研究已有很长的研究历史并且也有相当成就，但是以往那些试验工艺过程都是基于单颗磨粒划针、单颗磨粒压痕的思路进行的研究，只能研究单颗磨粒在某种状态下的静态变化，其过程不能直观地展现单颗磨粒的磨削过程并且面临着刀具安装繁琐，对刀过程麻烦，且上述方法测试的单颗磨粒磨削实验速度远远低于实际的单颗磨粒磨削速度，且其结果的重复性不好，切削过程物理量的检测及磨粒微观变化分析过程也有很大的难度。另外上述测试方法也只能部分模拟在常规磨削情况下的单颗模拟磨削过程，而不能模拟在超声振动磨削下模拟的磨削过程。目前超声磨削加工已经广泛应用于航空航天、汽车、光学器件等广阔的机械加工领域，要深入了解超声振动条件下，砂轮磨削工件的去除机理，就需要了解在超声振动下单颗磨粒对材料的切削过程。因此，在精密超精密机械加工领域，对难加工材料的磨削过程特别是超声振动情况下砂轮的磨削过程分析亟待一种工艺简单，操作方便，易于控制并且可以展现磨粒动态变化的超声振动单颗磨粒磨削实验装置及方法。\n发明内容\n[0004] 本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种艺简单、操作方便、易于控制并且可以展现磨粒动态变化的超声振动辅助下单颗磨粒磨削实验装置及方法。\n[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：超声振动辅助下单颗磨粒磨削实验装置，包括超精密机床、对刀系统、超声振动系统、测力系统、高速摄像系统和数据处理系统，超精密机床上设有气浮工作台，气浮工作台上设有支撑盘，测力系统设在支撑盘上，测力系统上设有刀具固定架，超声振动系统包括超声发生电源、换能器和变幅杆，换能器设在变幅杆上端，超声发生电源通过导线与换能器连接，刀具固定架上设有刀具微调机构，变幅杆设在刀具微调机构上，变幅杆的动力输出端设有电镀金刚石单颗磨粒刀具，高速摄像系统设在超精密机床上，数据处理系统包括电荷放大器、数据采集卡和计算机，测力系统、电荷放大器、数据采集卡和计算机通过数据线顺次连接。\n[0006] 超声振动辅助下单颗磨粒磨削实验方法，包括以下步骤，\n[0007] （1）、工件安装在超精密机床的气浮主轴夹具上；将对刀系统安装到超精密机床的气浮工作台上；\n[0008] （2）、利用对刀系统上的成像系统，通过调节气浮工作台和刀具微调机构进行快速准确对刀；\n[0009] （3）、对刀完成后，将对刀系统拆卸，开动超精密机床及超声振动系统，使电镀金刚石单颗磨粒刀具产生Z向超声振动，通过操控机床数控系统，使电镀金刚石单颗磨粒刀具在工件轴向实现螺旋进给，并在进给过程中，阶段加深微量切削深度，测力系统对实验过程中单颗磨粒受力情况进行在线检测和记录，并将数据经电荷放大器、数据采集卡传输到计算机；\n[0010] （4）、高速摄像系统对磨削过程中磨粒的运动轨迹、微观变化过程以及材料的去除过程进行在线观测和记录；\n[0011] （5）、通过改变不同的切削速度，可以模拟单颗磨粒在不同切削条件下的切削性能；关闭超声振动系统，模拟单颗磨粒在常规磨削情况的切削性能。\n[0012] 所述步骤（3）中，电镀金刚石单颗磨粒刀具在进给过程中所受的力通过变幅杆传递给刀具固定架，刀具固定架再将受力传递给测力系统，测力系统将力的动态变化信号传输给与其连接的数据处理系统，即可实现超声振动辅助下单颗磨粒磨削过程中磨削力动态变化的检测和记录。\n[0013] 所述步骤（4）中，利用高速摄像系统在线观测超声辅助下单颗磨粒的切削过程，观察磨削过程中磨粒产生裂纹、破碎、脱落的微观变化，以及材料的去除过程。\n[0014] 采用上述技术方案，本发明应用于精密超精密机械加工领域，为各类材料的磨削研究提供技术支持、研究方法及理论分析，特别适用于超声辅助加工过程中单颗磨粒磨削实验的研究。另外，通过改变不同的切削参数对单颗磨粒的实验影响分析，也可以为砂轮的制备提供指导和建议。本发明不仅可以实现超声振动磨削和普通磨削下的对比试验，而且对实验过程中磨削力的变化及磨粒的微观变化及材料的去除过程均可实现在线动态观测，其工艺过程简单易于实现，操作方便易于控制，实现效果良好。\n[0015] 本发明提供了一套模拟单颗磨粒切削过程的实验装置及方法，可以真实的反映整个砂轮的磨削过程，特别是能反映超声磨削情况下磨粒的切削过程，可为砂轮的制造及研究、砂轮的切削机理提供有价值的实验数据。\n附图说明\n[0016] 图1是本发明的结构示意图。\n具体实施方式\n[0017] 如图1所示，本发明的超声振动辅助下单颗磨粒磨削实验装置，包括超精密机床1、对刀系统14、超声振动系统、测力系统9、高速摄像系统12和数据处理系统，超精密机床1上设有气浮工作台13，气浮工作台13上设有支撑盘10，测力系统9设在支撑盘10上，测力系统9上设有刀具固定架7，超声振动系统包括超声发生电源15、换能器16和变幅杆5，换能器16设在变幅杆5上端，超声发生电源15通过导线与换能器16连接，刀具固定架7上设有刀具微调机构6，刀具微调机构6采用丝杠传动方式，变幅杆5设在刀具微调机构6上，变幅杆5的动力输出端设有电镀金刚石单颗磨粒刀具8，高速摄像系统12设在超精密机床1上，数据处理系统包括电荷放大器17、数据采集卡18和计算机19，测力系统9、电荷放大器17、数据采集卡18和计算机19通过数据线顺次连接。\n[0018] 本发明中的超精密机床1、对刀系统14、超声振动系统、测力系统9、高速摄像系统\n12和数据处理系统均为现有成熟技术，具体构造不再赘述。\n[0019] 本发明的具体试验过程为：\n[0020] （1）、工件4安装在超精密机床1的气浮主轴夹具3上；将对刀系统14安装到超精密机床1的气浮工作台13上；\n[0021] （2）、利用对刀系统14的CCD放大成像系统使电镀金刚石单颗磨粒刀具8上的单颗磨粒放大后显示在显示器11上，通过移动气浮工作台13调节电镀金刚石单颗磨粒刀具8上的磨粒（X、Y向）水平微量移动，调节超声振动系统上的刀具微调机构6实现电镀金刚石单颗磨粒刀具8上的单颗磨粒Z向微量移动，实现刀具的快速准确对刀；\n[0022] （3）、对刀完成后，将对刀系统14拆卸，开动超精密机床1及超声振动系统，使电镀金刚石单颗磨粒刀具8产生Z向超声振动，通过操控机床数控系统2，使电镀金刚石单颗磨粒刀具8在工件4轴向实现螺旋进给，并在进给过程中，阶段加深微量切削深度，测力系统9对实验过程中单颗磨粒受力情况进行在线检测和记录，并将数据经电荷放大器17、数据采集卡18传输到计算机19；\n[0023] （4）、高速摄像系统12对磨削过程中磨粒的运动轨迹、微观变化过程以及材料的去除过程进行在线观测和记录；\n[0024] （5）、通过改变不同的切削速度，可以模拟单颗磨粒在不同切削条件下的切削性能；关闭超声振动系统，模拟单颗磨粒在常规磨削情况的切削性能。\n[0025] 在上述步骤（3）中，电镀金刚石单颗磨粒刀具8在进给过程中所受的力通过变幅杆\n5传递给刀具固定架7，刀具固定架7再将受力传递给测力系统9，测力系统9将力的动态变化信号传输给与其连接的数据处理系统，即可实现超声振动辅助下单颗磨粒磨削过程中磨削力动态变化的检测和记录。\n[0026] 在上述步骤（4）中，利用高速摄像系统12在线观测超声辅助下单颗磨粒的切削过程，观察磨削过程中磨粒产生裂纹、破碎、脱落的微观变化，以及材料的去除过程。\n[0027] 本发明的超声振动辅助下单颗磨粒磨削实验方法，包括以下步骤，[0028] （1）、工件4安装在超精密机床1的气浮主轴夹具3上；将对刀系统14安装到超精密机床1的气浮工作台13上；\n[0029] （2）、利用对刀系统14上的成像系统，通过调节气浮工作台13和刀具微调机构6进行快速准确对刀；\n[0030] （3）、对刀完成后，将对刀系统14拆卸，开动超精密机床1及超声振动系统，使电镀金刚石单颗磨粒刀具8产生Z向超声振动，通过操控机床数控系统2，使电镀金刚石单颗磨粒刀具8在工件4轴向实现螺旋进给，并在进给过程中，阶段加深微量切削深度，测力系统9对实验过程中单颗磨粒受力情况进行在线检测和记录，并将数据经电荷放大器17、数据采集卡18传输到计算机19；\n[0031] （4）、高速摄像系统12对磨削过程中磨粒的运动轨迹、微观变化过程以及材料的去除过程进行在线观测和记录；\n[0032] （5）、通过改变不同的切削速度，可以模拟单颗磨粒在不同切削条件下的切削性能；关闭超声振动系统，模拟单颗磨粒在常规磨削情况的切削性能。\n[0033] 在上述步骤（3）中，电镀金刚石单颗磨粒刀具8在进给过程中所受的力通过变幅杆\n5传递给刀具固定架7，刀具固定架7再将受力传递给测力系统9，测力系统9将力的动态变化信号传输给与其连接的数据处理系统，即可实现超声振动辅助下单颗磨粒磨削过程中磨削力动态变化的检测和记录。\n[0034] 在上述步骤（4）中，利用高速摄像系统12在线观测超声辅助下单颗磨粒的切削过程，观察磨削过程中磨粒产生裂纹、破碎、脱落的微观变化，以及材料的去除过程。\n[0035] 本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。