一種球形磨頭預修硬脆試件的單顆磨粒劃擦快停測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于機械加工中的材料性能測試及精密與超精密加工領(lǐng)域，具體涉及一種 球形磨頭預修硬脆試件的單顆磨粒劃擦快停測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 快停測試方法也叫快速落刀測試方法，是指利用外力使刀具或磨粒迅速離開切削 或磨削區(qū)域，從而"凍結(jié)"在刀具或磨粒退出瞬時與試件的接觸狀態(tài)，保持試件材料變形瞬 間的狀態(tài)被記錄下來，并且不被后續(xù)的加工過程破壞。這個變形瞬間可以通過后續(xù)的金相 制樣和顯微觀察進行更深入的分析。這種方法可以深入研究切削或磨削過程中的材料去除 機理，在金屬切削領(lǐng)域已有多種快停裝置被開發(fā)出來，相應的測試結(jié)果也在相關(guān)論文中有 報道，但是在磨削領(lǐng)域中，用于單顆磨粒劃擦的快停測試方法還未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供了一種球形磨頭預修硬脆試件 的單顆磨粒劃擦快停測試方法，通過使安裝磨粒的工具頭迅速脫離磨粒和試件的接觸區(qū) 域，實現(xiàn)單磨粒劃擦過程中磨粒和試件接觸狀態(tài)的"凍結(jié)"，通過顯微觀察，可以更好的了解 磨粒去除材料過程中的材料變形、已加工表面形成、界面摩擦等相關(guān)機理，進而為磨削等磨 粒加工過程材料去除機理的深入研究提供手段。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種球形磨頭預修硬脆試件的單顆磨粒劃擦快停測試方法，包括：
[0006] 1)將硬脆試件固定在電主軸上，試件可通過電主軸旋轉(zhuǎn)；對該試件進行在線動平 衡；
[0007] 2)采用球形磨頭對該試件進行修盤，以在試件表面形成端面跳動量優(yōu)于IT1級，表 面平均粗糙度Ra優(yōu)于10nm的修盤區(qū)域，具體步驟如下：
[0008] 2-1)球形磨頭粗加工修盤:修盤的同時對球形磨頭和試件進行冷卻，修盤時試件 的轉(zhuǎn)速范圍為3000~lOOOOrpm，球形磨頭以8000~20000rpm的轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)，同時從試件外側(cè) 以10~50μηι的切深沿試件徑向進給，進給速度范圍為0.4~1.2mm/s，進給距離為試件直徑 的 1/4 ~1/2;
[0009] 2-2)球形磨頭精加工修盤:修盤的同時對球形磨頭和試件進行冷卻，修盤時試件 的轉(zhuǎn)速范圍為3000~lOOOOrpm，球形磨頭以8000~20000rpm的轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)，同時從試件外側(cè) 以2~ΙΟμπι的切深沿試件徑向進給，進給速度范圍為0.1~0.3mm/s，進給距離為試件直徑的 1/4~1/2;
[0010] 3)球形磨頭觸碰對刀儀，確定修盤區(qū)域與對刀儀對刀平面的高度差h〇;將球形磨 頭更換為頂端固接有單顆磨粒的工具頭，工具頭頂端的磨粒觸碰對刀儀，再將工具頭沿試 件旋轉(zhuǎn)的軸向方向上移ho+δ，以使工具頭頂端的磨粒位于試件修盤區(qū)域上方δ處，完成對 刀；
[0011] 4)將工具頭水平移至修盤區(qū)域的劃擦點正上方，并下移δ+辦以使劃擦深度為ap;根 據(jù)需測試的劃擦速度v和劃擦點所在的劃擦半徑R，
計算試件的設(shè)定轉(zhuǎn)速η; 試件按照設(shè)定轉(zhuǎn)速η轉(zhuǎn)動，且工具頭沿徑向進給，以使磨粒在修盤區(qū)域劃擦形成螺旋形劃 痕，劃擦過程中工具頭瞬間與試件脫離，脫離瞬間工具頭頂端的瞬時線速度高于試件轉(zhuǎn)動 線速度，以"凍結(jié)"脫離瞬間磨粒與試件的接觸狀態(tài);此過程中通過與工具頭相連的測量系 統(tǒng)采集劃擦過程中的數(shù)據(jù)。
[0012] 一實施例中：所述磨粒為金剛石、CBN、氧化物陶瓷或氮化物陶瓷，磨粒形狀為球 形、圓錐形或多棱錐形;該磨粒通過機械夾持、電鍍或釬焊固接在工具頭頂端;所述工具頭 為壓頭。
[0013] -實施例中：所述試件為圓盤形；由于測試時端面半徑較小部分線速度較小，不能 實現(xiàn)較高的劃擦速度，為了提高效率，修盤時球形磨頭進給距離小于試件半徑，使得所述修 盤區(qū)域為圓環(huán)形。
[0014] 一實施例中：所述測量系統(tǒng)為測力和聲發(fā)射系統(tǒng)，包括相互信號連接的測力儀、聲 發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡和信號放大器;所述工具頭與測力儀和聲發(fā)射系統(tǒng)相連接。
[0015] 一實施例中：所述測力儀的固有頻率高于4ΚΗΖ，測力精度優(yōu)于0.01Ν;所述數(shù)據(jù)采 集卡的采樣速度高于2M/s。
[0016] -實施例中:所述步驟2)中，修盤時試件的旋轉(zhuǎn)方向與球形磨頭的旋轉(zhuǎn)方向相反。
[0017] -實施例中：所述工具頭在沿試件旋轉(zhuǎn)的軸向方向和徑向方向的定位精度均優(yōu)于 0 · ΙμL?ο
[0018] -實施例中:所述對刀儀的定位精度優(yōu)于0. Ιμπι。
[0019] -實施例中:所述步驟4)中，工具頭通過高剛度彈簧或氣動沖頭瞬間與試件脫離。
[0020] 一實施例中：所述工具頭軸線平行于試件旋轉(zhuǎn)軸線;所述球形磨頭軸線平行于試 件旋轉(zhuǎn)軸線。
[0021] 除有說明外，本發(fā)明所涉及的各裝置的單一處理過程以及各裝置間的連接方式均 為本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)，在此不加以詳細描述。
[0022] 本技術(shù)方案與【背景技術(shù)】相比，它具有如下優(yōu)點：
[0023] 1.本發(fā)明的單顆磨粒劃擦快停測試方法，在劃擦過程中，使安裝磨粒的工具頭迅 速脫離磨粒和試件的接觸區(qū)域，實現(xiàn)單磨粒劃擦過程中脫離瞬間磨粒和試件接觸狀態(tài)的 "凍結(jié)"，通過顯微觀察，可以更好的了解磨粒去除材料過程中的材料變形、已加工表面形 成、界面摩擦等相關(guān)機理，進而為磨削等磨粒加工過程材料去除機理的深入研究提供手段。
[0024] 2.本發(fā)明對主軸-試件系統(tǒng)進行在線動平衡，避免了高速旋轉(zhuǎn)過程中的大幅端面 跳動或徑向跳動，從而保持磨粒和試件間的穩(wěn)定接觸狀態(tài)；同時，利用球形磨頭對試件進行 在線加工，同時提高了試件的形狀精度和表面光潔度，提升了試件回轉(zhuǎn)精度和磨粒運動精 度，從而保證了磨粒和試件間的相對運動精度，配合動平衡，進一步保證了磨粒和試件之間 在較長劃擦距離上能夠持續(xù)穩(wěn)定接觸，從而實現(xiàn)磨粒的高速高精度劃擦，進而保證快停測 試的準確性。
[0025] 3.按照本領(lǐng)域的常識，試件的已加工表面質(zhì)量必須優(yōu)于相關(guān)磨削工藝得到的表面 質(zhì)量，最好高出一個數(shù)量級，得到的劃痕測試結(jié)果才能用于磨削過程去除機理的分析；由于 本發(fā)明大大提升了試件表面的質(zhì)量，因此能夠滿足磨削過程去除機理等高精度分析的要 求，可用于摩擦磨損過程及磨削加工中材料去除機理的研究。
[0026] 4.磨粒劃擦深度大于試件表面起伏程度的5倍以上才能保證劃擦的穩(wěn)定性，由于 本發(fā)明大大提升了試件表面的質(zhì)量，試件表面精度和光潔度好，即使是小粒度的磨粒也能 實現(xiàn)穩(wěn)定高精度劃擦，因此可以用于小粒度磨粒的單顆磨粒劃擦測試，進一步拓展了本發(fā) 明的應用范圍，也是對本行業(yè)單顆磨粒劃擦試驗技術(shù)的極大促進。
【附圖說明】
[0027]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0028]圖1為本發(fā)明的測試方法原理示意圖。
[0029]圖2為本發(fā)明的修盤過程原理示意圖。
[0030]圖3為本發(fā)明的快停原理示意圖，其中圖3b為圖3a中A處放大示意圖，也為"凍結(jié)" 磨粒與試件脫離瞬間示意圖。
[0031] 圖4為本發(fā)明實施例中修盤前后試件表面三維形貌的對比，其中圖4a為修盤前(經(jīng) 常規(guī)平面精磨工藝加工），圖4b為修盤后。
[0032] 圖5為本發(fā)明實施例中修盤前后試件表面端面跳動量的對比，其中圖5a為修盤前 (經(jīng)常規(guī)平面精磨工藝加工），其端面跳動量最大值可達29. Ιμπι;圖5b為修盤后，其端面跳動 量最大值為9·1μπι。
[0033] 圖6為本發(fā)明實施例中劃痕的SEM照片和三維形貌示意圖。
[0034] 圖7為本發(fā)明實施例中磨粒與試件脫離瞬間即劃痕最前端被"凍結(jié)"區(qū)域的三維形 貌示意圖。
[0035]圖8為本發(fā)明實施例中磨粒與試件脫離瞬間即劃痕最前端被"凍結(jié)"區(qū)域的二維截 面形貌示意圖。
[0036] 附圖標記:試件1，真空吸盤2，工具頭3，修盤區(qū)域4，對刀儀5，球形磨頭6。
【具體實施方式】
[0037] 下面通過實施例具體說明本發(fā)明的內(nèi)容：
[0038] -種球形磨頭預修硬脆試件的單顆磨粒連續(xù)劃擦測試方法，所采用的裝置包括：
[0039] 機床，圓盤形硬脆試件1通過真空吸盤2裝接在機床的電主軸上，且試件1可通過電 主軸旋轉(zhuǎn)；
[0040] 動平衡儀，用于對試件1進行在線動平衡；
[0041 ]球形磨頭6，用于對試件1端面進行修盤;該球形磨頭6可裝拆地裝接在支架，并通 過支架可移動地裝接在機床;球形磨頭6軸線平行于試件1旋轉(zhuǎn)軸線；
[0042] 工具頭3，用于進行劃擦測試;該工具頭3頂端固接有單顆的磨粒;該工具頭3可與 球形磨頭相替換裝拆地裝接在支架，并通過支架可移動地裝接在機床;工具頭3與高剛度彈 簧或氣動沖頭相連，通過高剛度彈簧或氣動沖頭實現(xiàn)工具頭3與試件1的瞬間脫離;工具頭3 軸線平行于試件1旋轉(zhuǎn)軸線，工具頭3可以在試件1旋轉(zhuǎn)的軸向方向和徑向方向上移動，且在 兩個方向的定位精度均優(yōu)于〇. lwn;
[0043] 對刀儀5，用于對球形磨頭6和工具頭3進行對刀，定位精度優(yōu)于0 . Ιμπι;裝接在機 床，并與試件1間的相對位置保持固定；
[0044] 測量系統(tǒng)，為測力和聲發(fā)射系統(tǒng)，包括相互信號連接的測力儀、聲發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)據(jù) 采集卡和信號放大器;該工具頭3與測力儀和聲發(fā)射系統(tǒng)相連接;數(shù)據(jù)采集卡信號連接計算 機。
[0045] 冷風機：用于對修盤過程中的球形磨頭和試件，以及劃擦過程中的工具頭和試件 進行吹風冷卻。
[0046] 具體測試方法如下：
[0047] 1)將6英寸(直徑約150mm)的藍寶石晶圓即試件1用真空吸盤2裝夾固定在機床的 電主軸上，試件1可通過電主軸旋轉(zhuǎn)；用動平衡儀對該試件1進行在線動平衡，以減少試件1 在高速旋轉(zhuǎn)時的振動，從而保證劃擦過程中磨粒和試件1能穩(wěn)定地接觸；
[0048] 2)采用球形磨頭6對該試件1進行修盤，先進行粗加工，再進行精加工，以在試件1 表面形成端面跳動量3μπι，表面平均粗糙度Ra 10nm的圓環(huán)形修盤區(qū)域4,以降低試件1端面 跳動量，提高表面質(zhì)量，進一步保證劃擦過程中磨粒和試件1能穩(wěn)定地接觸;具體步驟如下：
[0049] 2-1)球形磨頭粗加工修盤:修盤的同時開啟冷風機，使冷風對準球形磨頭6和試件 1進行冷卻，修盤時試件1的