一种互为基准法预修硬脆试件的单颗磨粒连续划擦测试方法

摘要

本发明公开了一种互为基准法预修硬脆试件的单颗磨粒连续划擦测试方法，属于机械加工中的材料性能测试及精密与超精密加工领域，先将硬脆试件进行背衬，采用互为基准法对该试件和背衬进行处理，达到测试所需的表面质量与平行度要求；随后换装顶端固接有单颗磨粒的工具头，并在更换过程中进行对刀；最后进入划擦测试，试件以指定转速旋转，工具头下切至指定切深，工具头径向进给，在试件端面形成螺旋形划痕，测量系统在此过程中采集划擦力、声发射信号等物理量。本发明能够保证磨粒和试件之间在较长划擦距离上的稳定接触，实现了高速高精度划擦，相关测试结果可用于摩擦磨损过程及磨削加工中材料去除机理的研究。

说明书

技术领域

本发明属于机械加工中的材料性能测试及精密与超精密加工领域，具体涉及一种互为基准 法预修硬脆试件的单颗磨粒连续划擦测试方法。

背景技术

磨粒加工过程可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，常把复杂现象抽象成一种简化的模式，来探讨一些最本质的问 题。细小磨粒的切削作用是磨削加工的基础，单颗磨粒的划擦、耕犁、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。

单颗磨粒的划擦、耕犁、切削行为的测试手段主要有四种形式：直线划擦、楔面划擦、球 盘划擦和单摆划擦。对已有的大量文献和公开专利分析发现，四种测试方法存在相应的不足： 直线划擦和楔面划擦测试的划擦速度不足(最高线速度仅4m/s)，难以很好的模拟磨粒加工过 程(最高线速度可达200m/s)；球盘划擦测试方法实际上是一种典型的摩擦学测试方法，球盘 摩擦过程中的材料去除方式与磨粒加工过程中的材料去除方式有很大不同，当达到稳定摩擦阶 段，甚至没有材料去除，同时对摩擦盘的形状精度和表面光洁度要求非常高；单摆划擦测试被 认为是最接近磨粒去除材料过程的一种测试手段，但是测试稳定性差，由于过短的磨粒-工件接 触时间，切削力等材料去除过程物理量的采集成为一个难题。

一些公开的专利提出了单磨粒测试的改进方法，将单摆划擦测试方法进行改进，改变传统 的工件静止、磨粒转动方式为磨粒静止、工件转动方式，从而获得更长的划痕，因此有更长的 时间采集切削力等物理量，但是并未检索到这些专利相关的论文和产品，主要是因为这些专利 方法的具体实施存在以下问题：由于划痕长度增加，对磨粒和工件相对运动精度要求大幅度提 高，而上述方法均无法保持磨粒与工件间始终处于高精度的稳定接触状态，因此难以实现稳定 划擦，更无法实现小粒度磨粒的高速高精度划擦测试。上述问题极大地制约了单颗磨粒划擦试 验技术的进步。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种互为基准法预修硬脆试件的单颗 磨粒连续划擦测试方法，能够保证磨粒和试件之间在较长划擦距离上的稳定接触，实现了小粒 度磨粒的高速高精度划擦，从而可以稳定、精确的采集单颗磨粒划擦过程中的切削力、切屑变 形等物理量，相关测试结果可用于摩擦磨损过程及磨削加工中材料去除机理的研究。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种互为基准法预修硬脆试件的单颗磨粒连续划擦测试方法，包括：

1)将硬脆试件与有色金属背衬固接在一起；

2)对试件端面进行研磨抛光，使其平面度达到IT1级，表面粗糙度Ra优于5nm；

3)将试件与背衬固定在电主轴上且背衬向上，试件与背衬可通过电主轴旋转；对试件与 背衬进行在线动平衡；

4)采用金刚石单点刀具对该背衬进行修盘，以在背衬表面形成端面跳动量优于IT1级， 表面平均粗糙度Ra优于5nm的修盘区域，且背衬表面修盘区域与试件端面的平行度在IT1级 以内，具体步骤如下：

4-1)聚晶金刚石单点车刀修盘：立式车削模式，修盘时背衬的转速范围为2000～10000rpm， 聚晶金刚石单点车刀从背衬外侧以10～50μm的切深沿背衬径向进给，进给速度范围为0.4～ 1.2mm/s，进给距离为背衬直径的1/4～1/2；

4-2)单晶金刚石单点车刀修盘：立式车削模式，修盘时背衬的转速范围为2000～10000rpm， 单晶金刚石单点车刀从背衬外侧以2～10μm的切深沿背衬径向进给，进给速度范围为0.1～0.3 mm/s，进给距离为背衬直径的1/4～1/2；

5)取下试件与背衬，翻转，再次将试件与背衬固定在电主轴上且试件向上，试件与背衬 可通过电主轴旋转；对试件与背衬进行在线动平衡；

6)金刚石单点刀具触碰对刀仪，确定试件端面与对刀仪对刀平面的高度差h₀；将金刚石 单点刀具更换为顶端固接有单颗磨粒的工具头，工具头顶端的磨粒触碰对刀仪，再将工具头沿 试件与背衬旋转的轴向方向上移h₀+δ，以使工具头顶端的磨粒位于试件端面上方δ处，完成对 刀；

7)将工具头水平移至试件端面的划擦点正上方，并下移δ+a_p以使划擦深度为a_p；根据需 测试的划擦速度v和划擦点所在的划擦半径R，通过计算试件与背衬的设定转速n； 试件与背衬按照设定转速n转动，且工具头沿径向进给，以使磨粒在试件端面划擦形成螺旋形 划痕，此过程中通过与工具头相连的测量系统采集划擦过程中的数据。

一实施例中：所述磨粒为金刚石、CBN、氧化物陶瓷或氮化物陶瓷，磨粒形状为球形、圆 锥形或多棱锥形；该磨粒通过机械夹持、电镀或钎焊固接在工具头顶端；所述工具头为压头。

一实施例中：所述背衬为圆盘形，试件与背衬叠置固接在一起，且试件周缘不超出背衬边 缘之外。

一实施例中：所述背衬或试件通过真空吸盘与电主轴相连。

一实施例中：所述测量系统为测力和声发射系统，包括相互信号连接的测力仪、声发射系 统、数据采集卡和信号放大器；所述工具头与测力仪和声发射系统相连接。

一实施例中：所述测力仪的固有频率高于4KHz，测力精度优于0.01N；所述数据采集卡 的采样速度高于2M/s。

一实施例中：所述工具头在沿试件旋转的轴向方向和径向方向的定位精度均优于0.1μm。

一实施例中：所述对刀仪的定位精度优于0.1μm。

一实施例中：所述的划痕为连续螺旋形划痕，划痕圈数大于3个。

一实施例中：所述工具头轴线平行于试件旋转轴线。

除有说明外，本发明所涉及的各装置的单一处理过程以及各装置间的连接方式均为本领域 常规技术，在此不加以详细描述。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1.本发明对主轴-试件系统进行在线动平衡，避免了高速旋转过程中的大幅端面跳动或径向 跳动，从而保持磨粒和试件间的稳定接触状态；同时，由于蓝宝石等硬脆材料的难加工特性， 直接对硬脆材料进行在线修盘，会造成加工时间和加工质量的下降，因此采用互为基准的方法， 在预先保证了蓝宝石等硬脆材料表面粗糙度后，将蓝宝石等硬脆材料与一个容易加工材料的背 衬粘接在一起，利用单点金刚石超精密加工技术对试件的背衬进行在线加工修盘，可以保证端 面跳动有足够的精度，最终同时保证表面粗糙度和端面跳动，提高相对位置精度，从而解决了 直接在线加工蓝宝石等硬脆材料造成的时间过长和加工质量较差的问题，保证了磨粒和试件间 的相对运动精度，配合动平衡，进一步保证了磨粒和试件之间在较长划擦距离上能够持续稳定 接触，从而实现磨粒的高速高精度划擦测试。

2.按照本领域的常识，试件的已加工表面质量必须优于相关磨削工艺得到的表面质量，最 好高出一个数量级，得到的划痕测试结果才能用于磨削过程去除机理的分析；由于本发明大大 提升了试件表面的质量，因此能够满足磨削过程去除机理等高精度分析的要求，可用于摩擦磨 损过程及磨削加工中材料去除机理的研究。

3.磨粒划擦深度大于试件表面起伏程度的5倍以上才能保证划擦的稳定性，由于本发明大 大提升了试件表面的质量，试件表面精度和光洁度好，即使是小粒度的磨粒也能实现稳定高精 度划擦，因此可以用于小粒度磨粒的单颗磨粒划擦测试，进一步拓展了本发明的应用范围，也 是对本行业单颗磨粒划擦试验技术的极大促进。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的测试方法原理示意图。

图2为本发明的修盘过程原理示意图。

图3为本发明实施例中修盘前后背衬表面端面跳动量的对比，其中图3a为修盘前，其端 面跳动量最大值可达59.1μm；图3b为修盘后，其端面跳动量最大值为8.4μm。

附图标记：试件1，背衬2，真空吸盘3，工具头4，金刚石车刀5。

具体实施方式

下面通过实施例具体说明本发明的内容：

一种互为基准法预修硬脆试件的单颗磨粒连续划擦测试方法，所采用的装置包括：

机床，圆盘形硬脆试件1与有色金属背衬2通过真空吸盘3装接在机床的电主轴上，且试 件1与背衬2可通过电主轴旋转；

动平衡仪，用于对试件1与背衬2进行在线动平衡；

金刚石单点刀具，为金刚石车刀5，具体是聚晶金刚石(PCD)单点车刀和单晶金刚石(ND) 单点车刀，用于对背衬2端面进行修盘；该金刚石车刀5可装拆地装接在支架，并通过支架可 移动地装接在机床；

工具头4，用于进行划擦测试；该工具头4顶端固接有单颗的磨粒；该工具头4可与金刚 石单点刀具相替换装拆地装接在支架，并通过支架可移动地装接在机床；工具头4轴线平行于 试件1及背衬2旋转轴线，工具头4可以在试件1及背衬2旋转的轴向方向和径向方向上移动， 且在两个方向的定位精度均优于0.1μm；

对刀仪，用于对金刚石单点刀具和工具头4进行对刀，定位精度优于0.1μm；装接在机床， 并与试件1及背衬2间的相对位置保持固定；

测量系统，为测力和声发射系统，包括相互信号连接的测力仪、声发射系统、数据采集卡 和信号放大器；该工具头2与测力仪和声发射系统相连接；数据采集卡信号连接计算机。

具体测试方法如下：

1)将6英寸(直径约150mm)的圆盘形蓝宝石片即试件1与等直径的有色金属圆盘即背 衬2通过石蜡粘接在一起；

2)使用通用研磨和抛光机对背衬好的试件1端面进行研磨抛光，使其平面度达到IT1级， 表面粗糙度Ra优于5nm；

3)将试件1与背衬2通过真空吸盘3固定在机床的电主轴上且背衬2向上，试件1与背 衬2可通过电主轴共同同轴高速旋转；用动平衡仪对该试件1与背衬2进行在线动平衡，以减 少后续修盘过程中高速旋转引起的振动；

4)采用金刚石车刀5对该背衬2进行修盘，先用聚晶金刚石单点车刀修盘，再用单晶金 刚石单点车刀修盘，以在背衬表面形成端面跳动量在3μm以内，表面平均粗糙度Ra优于5nm 的圆环形修盘区域，以使背衬2端面修盘区域与试件1端面的平行度在IT1级以内，从而保证 后续划擦过程中磨粒和试件1能稳定地接触，具体步骤为：

4-1)聚晶金刚石单点车刀修盘：立式超精密车削模式，修盘时试件1与背衬2的转速为 3000rpm，聚晶金刚石单点车刀从背衬2外侧以10μm的切深沿背衬2径向进给，进给速度范 围为0.4～1.2mm/s，进给距离为50mm；

4-2)单晶金刚石单点车刀修盘：立式超精密车削模式，修盘时试件1与背衬2的转速为 3000rpm，单晶金刚石单点车刀从背衬2外侧以2μm的切深沿背衬径向进给，进给速度范围 为0.1～0.3mm/s，进给距离为50mm；

修盘前后背衬2端面跳动量的对比分别图3；

5)取下试件1与背衬2，翻转，再次将试件1与背衬2通过真空吸盘3固定在电主轴上且 试件1向上，试件1与背衬2可通过电主轴共同同轴高速旋转；再次对试件1与背衬2进行在 线动平衡，以减少后续测试过程中高速旋转引起的振动；

6)金刚石车刀5触碰对刀仪，确定试件1端面与对刀仪对刀平面的高度差h₀；将金刚石 车刀5从支架上取下，更换为顶端电镀固接有单颗半径为0.02mm的球形磨粒的工具头4，工 具头4顶端逐渐靠近对刀仪，当测量系统数据产生突变时表示工具头4顶端的磨粒刚好触碰对 刀仪对刀平面，再将工具头4沿试件及背衬旋转的轴向方向上移h₀+δ，以使工具头2顶端的磨 粒位于试件1端面上方δ处，完成对刀，从而保证后续测试时能够准确控制划擦深度；

7)将工具头4水平移至试件端面的划擦点正上方，并下移δ+a_p以使划擦深度为a_p；根据 需测试的划擦速度v和划擦点所在的划擦半径R，通过计算试件1与背衬2的设定 转速n；本实施例之中，n＝10000rpm，划擦速度v为0m/s～78m/s(划擦速度随划擦半径变化 而变化)，划擦深度a_p分别设定为5～15μm；试件1与背衬2按照上述设定转速n转动，且工 具头4沿径向以1m/s的速度进给，以使磨粒在试件1端面划擦形成间距为100μm的连续螺旋 形划痕，划痕圈数大于3个；此过程中通过与工具头4相连的测力仪和声发射系统采集划擦过 程中的数据，并通过信号放大器传输至数据采集卡，再传输至计算机进行计算，可得到划擦力、 声发射信号等物理量。

本实施例之中，所述测力仪的固有频率高于4KHz，测力精度优于0.01N；所述数据采集 卡的采样速度高于2M/s。

根据需要，所述硬脆材料还可以为陶瓷、硅片，所述有色金属背衬可以为铜、铝及其合金； 试件与背衬叠置粘接，可以是直径相同的圆盘，也可以形状不同，只要试件周缘不超出背衬边 缘之外即试件是比背衬小的任意形状均可；所述磨粒可以为金刚石、CBN(立方氮化硼)、氧 化物陶瓷或氮化物陶瓷；磨粒形状还可以为圆锥形或多棱锥形；该磨粒通过机械夹持、电镀或 钎焊固接在工具头顶端；所述工具头可以为压头或其他的固结磨粒形式。

根据需要，修盘的参数在如下范围内调整并进行一次或多次修盘，可以在背衬表面形成端 面跳动量优于IT1级，表面平均粗糙度Ra优于5nm的修盘区域，并使背衬端面修盘区域与试 件端面的平行度在IT1级以内：

4-1)聚晶金刚石单点车刀修盘：立式车削模式，修盘时背衬的转速范围为2000～10000rpm， 聚晶金刚石单点车刀从背衬外侧以10～50μm的切深沿背衬径向进给，进给速度范围为0.4～ 1.2mm/s，进给距离为背衬直径的1/4～1/2；或：

4-2)单晶金刚石单点车刀修盘：立式车削模式，修盘时背衬的转速范围为2000～10000rpm， 单晶金刚石单点车刀从背衬外侧以2～10μm的切深沿背衬径向进给，进给速度范围为0.1～0.3 mm/s，进给距离为背衬直径的1/4～1/2。

对比例

取硬脆试件与背衬固接，硬脆试件按照本发明实施例的处理方法处理，背衬经常规平面精 磨工艺等常规表面处理工艺加工后，将背衬端面分为两个区域，其中一个区域按照本发明的修 盘步骤进行修盘，使其表面质量达到端面跳动量优于IT1级，表面平均粗糙度Ra优于5nm， 且背衬端面修盘区域与试件端面的平行度在IT1级以内，记为修盘区域；另一区域不进行修盘， 记为未修盘区域。

将上述硬脆试件采用本发明的测试方法进行单颗磨粒连续划擦测试，在相同测试参数下在 试件端面形成划痕，划痕深度很小，可达到微米级。结果显示，在划痕深度很小的情况下，在 背衬的修盘区域对应的试件端面区域内，划痕形成连贯的螺旋形，呈均匀间隔分布，检测其深 度方向误差小于1μm/1mm，表明磨粒和试件在较长划擦距离上均能持续稳定接触，从而可以 实现磨粒的高速高精度划擦测试；而背衬未修盘区域对应的试件端面区域内，划痕不能形成连 贯螺旋形，划痕间隔不一，划痕深浅、划痕宽度均具有肉眼可见的差异性，表明磨粒和试件之 间无法持续稳定接触，难以实现磨粒的高速高精度划擦测试。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明 专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。