一种通过单颗磨粒三次磨削研究初始磨削表面的研究方法

摘要

本发明涉及一种通过单颗磨粒三次磨削研究初始磨削表面的研究方法，利用预先确定好的单颗磨粒，通过控制数控磨床水平和垂直方向的进给实现不同出露高度排列和干涉方式三次磨削工件，生成仅包含一条完整磨削沟槽（沟槽和两侧的侧流、隆起）的磨削表面，进而分析这个磨痕的几何形貌特征，来研究磨粒种类、磨刃刃形、出露高度差异、磨粒之间干涉程度和磨削参数对已加工表面生成的影响。进而探究磨削沟槽生成机理，解决现有单颗磨粒磨削试验不能有效获得并研究真实完整的磨削表面沟槽的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过单颗磨粒三次磨削研究初始磨削表面的研究方法，可用于研究不同尺寸的金刚石(或立方氮化硼)磨粒在不同出露高度排列模式下、磨粒不同磨刃刃形和磨削参数(磨削速度、进给速度和磨削深度)对磨削表面生成的影响。

背景技术

砂轮的磨削表面是由众多随机分布在砂轮工作面上的磨粒在工件上磨削形成的沟槽，材料侧流和隆起以及沟槽之间相互干涉形成的。那么磨削表面上单条磨削沟槽即可看成构成磨削表面的最基本单位。研究磨削表面生成机理可以从这一基本单位入手。

单颗磨粒磨削是认识磨削过程的重要手段，通过对单颗磨粒的磨削规律的研究，能很好地认识材料的磨削机理。单颗磨粒磨削能在相似的磨削加工过程中不受到其他磨粒的影响，可以应用较大的载荷，并且放大磨削的程度，从而得到单颗磨粒磨削过程中存在的现象和规律。研究单颗磨粒磨削过程对分析磨削过程中的力、温度，材料的成屑及砂轮地貌对工件加工表面质量的影响具有重要的指导意义，为磨削过程控制提供依据。为了模拟单颗磨粒切除材料的过程，由此产生了单颗磨粒磨削试验。上世纪八十年代开始，众多学者不断开发和改进单颗磨粒实验装置，但是很少有人研究单颗磨粒磨削时磨削表面的生成，尤其是从单颗磨粒磨削的角度与砂轮磨削后的磨削表面建立联系。

磨粒位姿可控的单颗磨粒磨削试验方法。提供一种可以控制磨粒位姿的单颗磨粒磨削试验平台及其试验方法，可以约束磨粒位姿及切削形态，监测磨削过程。并使用钎焊技术或者电镀技术将磨粒紧密结合在试验芯轴上，为本发明的研究方法提供了试验基础。

从已公开的对于单颗磨粒磨削试验方法来看，无论是钟摆式还是划擦式单颗磨粒磨削试验方法，其目的大多是研究磨粒的材料去除行为。因此以此方法生成的磨削沟槽包含着沟槽和在未加工表面上的侧流、隆起。而这个沟槽和两侧的隆起与实际砂轮磨削表面上的沟槽和两侧的侧流、隆起相差甚远，如图1所示。已加工表面上的沟槽两侧的侧流，隆起受到相邻的相互干涉的沟槽影响大，而这个影响在单颗磨粒磨削单个沟槽的试验方法中是无法研究的。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供一种通过单颗磨粒三次磨削研究初始磨削表面的研究方法，利用预先确定好的单颗磨粒，通过控制数控磨床水平和垂直方向的进给实现不同出露高度排列和干涉方式三次磨削工件，生成仅包含一条完整磨削沟槽(沟槽和两侧的侧流、隆起)的磨削表面，便于研究磨粒状态以及磨削参数对磨削表面上沟槽生成的影响，进而探究磨削沟槽生成机理，解决现有单颗磨粒磨削试验不能有效获得并在其基础上研究真实完整的磨削表面沟槽的问题。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

通过单颗磨粒三次磨削研究初始磨削表面的研究方法，步骤如下：

步骤一：选择磨粒参数和加工参数

(1)确定磨粒种类、尺寸、刃形、出露高度排列模式和干涉系数；

(2)确定磨削参数，即磨削速度、进给速度、磨削深度，并由此确定单颗磨粒未变形最大切厚。

所述的出露高度排列模式是采用高中低(依次高度差5μm)、高高高(出露高度一致)、高低高(即出露高度依次为高(例如：对应切深为10μm)，低(对应切深为5μm)和高(对应切深为10μm))、高中低(出露高度依次为高(例如：对应切深为10μm)，中(对应切深为7.5μm)和低(对应切深为5μm))。

干涉系数定义为磨粒相邻两次磨削中心距离Δ与刃宽的比值(如图2)，干涉系数可以从0％变化到100％，0％即为恰好不干涉，100％为完全覆盖。

步骤二：将工件表面磨平

将工件表面磨平至R_a0.4μm，方便后期观察。

步骤三：确定不同磨削深度下磨刃宽度

(1)按照预定的磨削深度，在步骤二磨出的工件表面上分别先后磨出不同磨削深度的沟槽；

(2)在三维共聚焦显微镜下测量步骤三(1)中不同磨削深度下的沟槽宽度w_i(如图4)。

步骤四：三次磨削获得初始磨削表面沟槽

(1)新取一块工件按步骤二磨平按照步骤一预定的磨削参数(磨削速度、进给速度、磨削深度)在工件表面上磨出第一条沟槽；

(2)类似地，将磨粒横向移动一个设定的干涉距离，该干涉距离＝(1-干涉系数)×磨刃宽度(由步骤三获得)。按照步骤一预定的磨削参数在步骤四(1)的工件表面上磨出第二条沟槽，这条沟槽与步骤四(1)获得的沟槽恰好满足预定的干涉系数；

(3)重复步骤四(2)的操作，按照预定的磨削参数在步骤1磨平的工件表面上磨出第三条沟槽，此时中间那条沟槽即为初始磨削表面的沟槽。

步骤五：通过白光共聚焦显微镜观察步骤四所获得的沟槽，提取出其几何特征。分析磨削表面初始沟槽的形貌特征；按照GB/T3505-2000对表面结构和轮廓的定义，测量和计算以下参数：

(1)从提取的坐标中用最小二乘法拟合轮廓中线；

(2)测量材料隆起的轮廓单元高度Z_t和轮廓峰高Z_p；

(3)测量由中线定义的沟槽宽度w_rg；

(4)计算轮廓隆起比，即中线上方材料隆起面积与下方沟槽面积比值；

(5)计算轮廓单元高度比，即轮廓单元高度Z_t与沟槽宽度w_rg的比值；

(6)计算轮廓峰高比，即轮廓峰高Z_p与沟槽宽度w_rg的比值。

有益效果：通过调整磨粒状态，能够简便地生成和保留下各种磨粒刃形和出露高度组合和磨粒干涉形式下的磨削表面，克服了磨粒钎焊时流动翻滚导致的磨粒刃形、出露高度以及干涉形式不可控的问题。通过单颗磨粒多次磨削生成的原始表面沟槽可以认为是磨削表面最小单位，并研究其几何轮廓特征，包括轮廓单元高度Z_t和轮廓峰高Z_p，轮廓隆起比，轮廓单元高度比和轮廓峰高比，能够揭示出磨粒刃形、出露高度类型、和磨粒排列不同干涉比对磨削表面生成的影响。

附图说明

图1是现有技术形成与本申请形成的沟槽、表面的比较图；其中，1-第一次磨痕、2-第二次磨痕、3-第三次磨痕、4-磨粒、5-侧边隆起；A-现有研究所得表面和沟槽、B-本申请所得沟槽、C-磨削表面；

图2是磨粒两次磨削干涉系数示意图；其中1，1-干涉距离Δ、2-磨粒磨刃宽度；干涉距离Δ＝(1-干涉系数)×磨刃宽度；

图3是在磨平的工件表面上磨出第一条沟槽的示意图；

图4是根据磨削深度确定磨刃宽度的测量示意图；

图5是在磨平的工件表面上磨出两条沟槽的示意图；

图6是在磨平的工件表面上磨出三条沟槽后的磨削表面示意图；

图7是坐标数据提取示意图。

具体实施方式

本发明通过以下步骤可以获得不同磨粒种类、刃型、出露高度排列、干涉形式下的磨削表面并研究其对磨削表面生成的影响：

实施例1：

步骤1：磨粒选取

(1)选择单晶CBN磨粒，目数40/45#，直径355-425μm；刃形为双斜刃；出露高度排列为“高中低”排列，依次高度差5μm，其中“高”所指的磨削深度为20μm，“中”所指的磨削深度为15μm，“低”所指的磨削深度为10μm；干涉模式为密排，恰无干涉；

(2)确定磨削参数为：磨削速度v_s＝20m/s，进给速度v_w＝34.21mm/min，磨削深度a_p＝0.02mm，单颗磨粒最大未变形切厚a_gmax＝0.5μm。

步骤2：将工件表面磨平：将工件表面磨平至R_a0.4，方便后期观察。

步骤3：确定不同磨削深度下磨刃宽度(参照图4)；

(1)按照步骤1中所确定的出露高度“高”所代表的磨削深度20μm磨削工件并测量获得磨刃宽度为124μm；

(2)按照步骤1中所确定的出露高度“中”所代表的磨削深度15μm磨削工件并测量获得磨刃宽度为100μm；

(3)按照步骤1中所确定的出露高度“低”所代表的磨削深度10μm磨削工件并测量获得磨刃宽度为70μm。

步骤4：三次磨削获得初始磨削表面沟槽：

(1)新取一块工件，按步骤二磨平。依照预定的磨削参数在步骤1磨平的工件表面上磨出第一条沟槽(如图3所示)；

(2)因为本例中干涉模式为恰不干涉，干涉系数为0％，则干涉距离＝(100％-0％)×磨刃宽度＝磨刃宽度，即将磨粒横向移动一个磨刃宽度，按照预定的磨削参数在步骤1磨平的工件表面上磨出第二条沟槽(图5)，这条沟槽与(1)获得的沟槽恰好不干涉；

(3)重复步骤4(2)的操作，按照预定的磨削参数在磨平的工件表面上磨出第三条沟槽，此时中间那条沟槽即为初始磨削表面的沟槽。

步骤5：通过白光共聚焦显微镜观察步骤4所获得的沟槽，提取出其几何特征。分析磨削表面(图6)初始沟槽的形貌特征。按照GB/T 3505-2000对表面结构和轮廓的定义，测量和计算以下参数(图7)：

(1)从提取的坐标中用最小二乘法拟合轮廓中线；

(2)测量材料隆起的轮廓单元高度Z_t为7.89μm和轮廓峰高Z_p为4.49μm；

(3)测量由中线定义的沟槽宽度w_rg为43.87μm；

(4)计算轮廓隆起比为1.94；

(5)计算轮廓单元高度比为0.18；

(6)计算轮廓峰高比为0.10。

结论：本实施例成功地获得了CBN磨粒以双斜刃和出露高度排列为“高中低”排列下的磨削表面。并且定量表征了该磨削表面：按照表面粗糙度计算方法通过坐标拟合出表面轮廓中线，测量了轮廓单元高度和轮廓峰高，计算了轮廓隆起比，轮廓单元高度比和轮廓峰高比。获得了此种刃形和出露高度模式下表面形成的过程，能够与不同刃形和出露高度模式下的磨削表面对比进而解释磨削表面形成过程和影响因素。