一种倾角法预修硬脆材料的单颗磨粒划擦实验方法

摘要

一种倾角法预修硬脆材料的单颗磨粒划擦实验方法。其包括将硬脆材料切割成长条形状试样，并将试样与具有沟槽的金属底座背衬固结；试样表面通过倾角的方法打磨和抛光至规定粗糙度和平面度；将单颗金刚石颗粒固结在刀盘上，动平衡并对金刚石颗粒对刀；刀盘按指定转速旋转，同时试样水平进给，单颗金刚石磨粒在试样表面划擦出一系列间距可控的划痕，在此过程中通过测力系统和声发射装置采集划擦过程中的数据；本发明能保证磨粒和试样之间在较长划擦距离上的稳定接触,各条划痕的深度呈梯度变化，且划痕间距离可控。同时在相同划擦条件下实现划痕深度分级，避免了实验过程中的不稳定因素，节省了实验次数，提高了单颗磨粒划擦实验的精度。

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技术领域，特别是涉及一种倾角法预修硬脆材料的单颗磨粒划擦实验方法。

背景技术

磨粒的实际加工过程可以看作是砂轮表面大量排列参差不齐、分布不规则和形状各异的单颗磨粒共同作用的切削过程。在硬脆材料的磨削加工机理研究中,常把复杂的磨粒综合作用过程抽象成一种简化的单颗粒划擦过程来探究本质的磨粒切削问题。单一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。

现有的单颗磨粒的划擦、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远低于磨削的砂轮线速度,很难模拟磨粒真实加工过程。球盘划擦测试实际上是一种典型的摩擦学测试方法,材料去除方式与磨粒加工有很大不同。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,微米以下的划痕较短，且划痕变化剧烈，划痕深度大多在几十甚至几百微米,而这与实际的单颗磨粒作用深度极为不同。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。上述问题极大地制约了单颗磨粒划擦试验技术的进步。

针对硬脆性材料磨削加工时的材料损伤演化，脆性—延性转变和磨粒临界磨削深度研究,单颗磨粒划擦沟槽深度在几十微米以上的部分几乎没有实际意义,只有在微米和微米以下的部分才是所要重点观察、测量和分析的对象。为了对硬脆性材料的磨削性能进行全面的分析,要求单颗磨粒磨削所生成的沟槽深度在微米和微米以下的部分足够长,且变化平稳，否则很难观察到硬脆材料磨削加工时材料脆性—延性转变过程中局部细节特征。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种倾角法预修硬脆材料的单颗磨粒划擦实验方法。

为了达到上述目的，本发明提供的倾角法预修硬脆材料的单颗磨粒划擦实验方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)将硬脆材料切割成长条形状的试样，首先在平面磨床上对试样的一个表面进行打磨抛光，取下试样并翻转，将试样的上述抛光面固结在金属底座顶面上的倾斜状背衬沟槽内，然后通过倾角的方法对试样的另一个表面进行打磨抛光而形成斜抛光面，直至两表面达到规定的粗糙度及平面度；

2)取下试样并固定在测力仪上，然后以斜抛光面朝上的方式一起固定在数控机床的工作台上,之后将单颗金刚石磨粒固结在刀盘的底面上，并将刀盘通过动平衡块调整至动平衡；然后使单颗金刚石磨粒触碰在数控机床的对刀仪上，完成对刀；

3)启动刀盘按指定转速旋转，同时通过工作台使试样水平进给，在此过程中单颗金刚石磨粒将在试样的斜抛光面上划擦出一系列间距可控的划痕，与此同时通过测力仪和声发射装置采集划擦过程中的数据；

4)取下试样，检测各划痕的显微形貌，对比划痕实际切深和最大理论切深的差异；最后将试样沿划痕的长度方向进行切割，检测硬脆材料亚表面的损伤和裂纹扩展情况。

在步骤1)中，所述的金属底座采用不锈钢材料制成。

在步骤1)中，所述的打磨抛光后试样的表面粗糙度小于5nm，平面度小于公差等级IT1。

在步骤1)中，所述的背衬沟槽的倾斜角度θ为0.2°～2°。

在步骤2)中，所述的单颗金刚石磨粒的尖端为正三棱锥形，棱面夹角为90°～120°。

在步骤3)中，所述的刀盘的转速范围为1500～50000r/min，刀盘的半径为30～100mm。

在步骤3)中，所述的划痕的间距ΔL通过公式

在步骤3)中，所述的一系列划痕中，单条划痕的深度由浅至深再变浅变化，各划痕的深度之间出现分级的梯度变化，每一级划痕的最大理论切深为

在步骤3)中，所述的一系列划痕中，每一级划痕的最大深度范围为0.005～20μm，划痕的数量为5～7条。

本发明提供的倾角法预修硬脆材料的单颗磨粒划擦实验方法的优点和积极效果是：能够保证磨粒和试样之间在较长划擦距离上的稳定接触,各条划痕的深度分级梯度变化，并且划痕之间的距离可控。实现了单颗金刚石磨粒的高速高精度划擦,从而可以稳定、精确地采集单颗金刚石磨粒划擦过程中的切削力、切屑变形、声发射等物理量,相关测试结果可用于磨削加工中材料去除机理和摩擦磨损过程的研究。此外，本方法可以灵活地调整划擦划痕的间距和深度，一次实验可以完整得到深度阶梯变化的划痕，从而快速、准确地获取各种划擦深度分级的数据。本方法实际上将划擦测试实验和实验试样进行组合，并在同样划擦条件下实现深度分级，避免了实验过程中的不稳定因素，节省了实验次数，提高了单颗金刚石磨粒划擦实验的精度。

附图说明

图1为本发明提供的倾角法预修硬脆材料的单颗磨粒划擦实验方法流程图。

图2为采用本发明提供的倾角法预修硬脆材料的单颗磨粒划擦实验方法的实验原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施实例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施实例仅仅是本发明一部分实施实例，而不是全部的实施实例。基于本发明中的实施实例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施实例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，本发明提供的倾角法预修硬脆材料的单颗磨粒划擦实验方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)将硬脆材料切割成长条形状的试样2，首先在平面磨床上对试样2的一个表面进行打磨抛光，取下试样2并翻转，将试样2的上述抛光面固结在金属底座1顶面上的倾斜状背衬沟槽7内，然后通过倾角的方法对试样2的另一个表面进行打磨抛光而形成斜抛光面，直至两表面达到规定的粗糙度及平面度；所述的金属底座1采用不锈钢材料制成。打磨抛光后试样2的表面粗糙度小于5nm，平面度小于公差等级IT1。背衬沟槽7的倾斜角度θ为0.2°～2°。

2)取下试样2并固定在测力仪上，然后以斜抛光面朝上的方式一起固定在数控机床的工作台上,之后将单颗金刚石磨粒4固结在刀盘5的底面上，并将刀盘5通过动平衡块6调整至动平衡；然后使单颗金刚石磨粒4触碰在数控机床的对刀仪上，完成对刀；所述的单颗金刚石磨粒4的尖端为正三棱锥形，棱面夹角为90°～120°。

3)启动刀盘5按指定转速旋转，同时通过工作台使试样2水平进给，在此过程中单颗金刚石磨粒4将在试样2的斜抛光面上划擦出一系列间距可控的划痕3，与此同时通过测力仪和声发射装置采集划擦过程中的数据；所述的刀盘5的转速范围为1500～50000r/min，刀盘5的半径为30～100mm。

所述的划痕3的间距ΔL通过公式

所述的一系列划痕3中，单条划痕3的深度由浅至深再变浅变化，各划痕3的深度之间出现分级的梯度变化，每一级划痕3的最大理论切深为

所述的一系列划痕3中，每一级划痕3的最大深度范围为0.005～20μm，划痕3的数量为5～7条。

4)取下试样2，检测各划痕3的显微形貌，对比划痕实际切深和最大理论切深的差异；最后将试样2沿划痕3的长度方向进行切割，检测硬脆材料亚表面的损伤和裂纹扩展情况。

以上所述，仅为本发明较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。