[发明专利]一种可控制高精度磨削机理研究实验装置有效

专利信息
申请号: 201310554164.4 申请日: 2013-11-11
公开(公告)号: CN103630453A 公开(公告)日: 2014-03-12
发明(设计)人: 金滩;李平;尚振涛;郭宗福;易军;吴耀;谢桂芝 申请(专利权)人: 湖南大学;湖大海捷(湖南)工程技术研究有限公司
主分类号: G01N3/56 分类号: G01N3/56
代理公司: 北京康盛知识产权代理有限公司 11331 代理人: 张良
地址: 410082 *** 国省代码: 湖南;43
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摘要:
搜索关键词: 一种 控制 高精度 磨削 机理 研究 实验 装置
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种材料测试技术和机械工程精密加工领域的可控制高精度磨削机理研究实验装置和研究方法,尤其涉及的是磨削加工中砂轮线速度大于30m/s时相邻磨粒与磨粒之间的干涉作用对难加工材料精密/超精密表面形成机理和材料去除机理研究的实验装置和方法。

背景技术

随着科学技术和工业生产的发展,对机械产品及其零部件使用性能的要求越来越高,如要求材料的比强度高、耐高温、耐腐蚀、低应变及表面/亚表面低损伤甚至无损伤等。为此,出现了许多新型难加工材料,如新型结构陶瓷、功能陶瓷、现代光学材料、光学晶体及单晶硅片等。由于这些难加工材料具有一系列优良的机械物理性能,所以它在激光技术、光通讯、光电子、航空航天航海及国防工业领域中均得到了广泛应用。然而,这些难加工材料在磨削加工时往往易产生磨削力大、磨削温度高、砂轮易磨损、磨削比较低、表面完整性差等缺陷。如果精密加工的零件在磨削加工后存在表面划伤、表面粗糙等有害的加工痕迹和较大的表面/亚表面损伤、大的残余拉应力或压应力、表面硬化及污染层、晶格畸变层等缺陷,势必会造成高性能要求的精密零件疲劳寿命降低乃至灾难性的后果。其中,是否深入理解难加工材料的磨削机理及是否合理选择了磨削工艺参数都将会对磨削加工后零件的表面完整性产生至关重要的影响,表面形成机理和材料去除机理是由材料特性、磨料几何形状、磨料切入运动及作用在工件和磨粒上的机械及热载荷等因素交互作用决定的,而磨削工艺参数是由砂轮线速度、工作台进给速度及磨削深度等因素综合作用的结果。此外,砂轮是磨削加工过程中的关键执行元件,砂轮的表面状况对已加工表面质量具有重大影响,材料的高效去除、磨削表面的高质量成形以及冷却液的有效供给都要求砂轮表面上的磨粒必须具有合理的切削刃间距、表面等高性及足够的容屑空间,否则,易造成工件加工效率低,加工质量难以保证,表面/亚表面损伤大等不足。

磨削机理一直以来都是精密/超精密加工研究中的难点。作为砂轮磨削过程的一种简化模型,单颗磨粒磨削是探讨复杂磨削机理的有效方法。然而,一方面,与砂轮的磨削试验相比,单颗磨粒磨削试验要求试验装置必须具有很高的精度,同时满足高转速条件下的强度要求;另一方面,磨削过程是由大量磨粒同时与被加工材料相互作用并完成材料的去除,在此过程中,由于参与磨削的磨粒数量多、磨粒切削刃形状及位置的随机性大、磨削速度高等多种因素相互影响,仅仅依靠单颗磨粒磨削来研究表面形成机理和材料去除机理是不够的。由于砂轮表面磨粒的分布是杂乱无章的,在磨削过程中磨粒与磨粒之间存在干涉作用,这在一定程度上势必会对表面成形和材料去除造成影响,为了多角度全方位地研究磨削机理,双颗磨粒和多颗磨粒磨削将成为系统研究表面形成机理和材料去除机理必不可少的研究方法。因此,为了提高难加工材料的加工效率、获得较高的磨削加工性及高质量的工件表面完整性,通过金刚石单颗磨粒、双颗磨粒及多颗磨粒磨削试验研究,深入分析磨削参数及磨粒与磨粒之间的干涉作用对表面形成机理和材料去除机理的影响规律是研究难加工材料磨削机理、工艺优化和指导砂轮设计与制造阶段及磨削过程中砂轮修整等的重要途径。

目前,进行表面形成机理和材料去除机理研究的成熟设备主要集中于划擦试验装置:如美国MTS公司的生产的NanoIndenter XP划痕仪、美国Hysitron公司生产的TriboIndenter划痕仪、美国NANOVEA公司生产的SMT划痕仪、英国MML公司生产的NanoTestTM Vantage纳米力学测试系统、印度Ducom公司生产的Model TR-102-M3划痕仪和瑞士CSM公司生产的Nano Scratch Tester(NST)划痕仪等。这些应用于材料测试领域的专用划擦试验装置具有较高的试验精度和良好的稳定性及实时监测功能,然而,这些划擦试验装置的划擦速度较低,且最大的划擦速度为60mm/min,远远低于磨削加工时的砂轮线速度(通常大于15m/s),与高速/超高速磨削情况下的砂轮线速度更是无法比拟。因此,在研究工程应用性较强的磨削加工材料磨削机理时,此类划擦试验装置无法准确模拟砂轮磨削加工时工件表面的物理变化过程。

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