CN104483056B - 一种超硬磨粒动态把持力测试***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超硬磨粒动态把持力测试***及方法，将待测试样与测试工件在竖直方向上按照设定条件装配固定好后，通过磨粒旋转、测试工件水平移动二维动态加载方式进行施力，若磨粒未脱落，可逐步调整增加磨粒进入测试工件的深度反复测试，直至磨粒脱落或破碎，并且将水平和竖直方向测试的力的合力定义为磨粒把持力，以此实现磨粒最大动态把持力的测试。该测试***和方法比现有技术更接近于实际工况，较为准确直观，以计算合力来表征把持力的方式也更科学合理，能够真实反映磨粒把持力的大小，为进一步研究超硬材料制品制造及应用技术研究、磨削机理研究奠定了基础。
Description
技术领域
本发明属于磨料磨具制造与磨削加工领域，具体涉及一种超硬磨粒动态把持力测试***及方法。
背景技术
磨削加工是精密加工的主要加工方法，作为磨削加工工具的磨具是由磨料和结合剂等组成。近年来，随着高速磨床、超硬材料、智能控制技术的发展，对磨料磨具及其应用也提出了更高的要求，尤其是期待磨具表层磨粒把持力大小能够量化、可控。
磨粒把持力是随着超硬材料的应用而出现的新概念，主要指在超硬材料制品中结合剂固结磨粒参与磨削，阻止磨粒脱落的能力。磨粒把持力小，则磨粒易脱落，砂轮形状精度难以保持、砂轮寿命低、磨削成本高；磨粒把持力大，则磨粒易钝化，砂轮自锐性差、磨削效率低、磨削质量差。在超硬材料制品及其应用领域，超硬材料制品是否具备合适的磨粒把持力是决定其磨削性能的关键。
关于磨粒把持力的研究一直是行业内研究热点之一，绝大部分学者从磨粒受力分析、结合剂增强、磨粒形状、配方组分、磨粒裸露高度等方面来定性分析，并提出改善磨粒把持力的措施。如杨雪峰在其硕士论文“陶瓷结合剂对金刚石颗粒把持力的研究”中，通过对金刚石颗粒受力分析和理想化假设，建立了把持力计算的力学模型也有部分学者通过理想化假设，建立了磨粒把持力计算的力学模型来实现把持力的检测。但是由于超硬材料制品组织结构复杂，磨粒颗粒小、磨粒在砂轮表面的裸露高度及分布不确定等，磨削力不完全等同于把持力，通过单纯的定性分析、理论计算不能真实反映磨粒把持力的大小。
也有部分学者通过理想化的假设测量磨粒在滑擦、耕犁状态下磨削力的变化,分析磨削参数及磨粒形状对磨削力的影响。例如张国青、詹友基等在“钎焊金刚石磨粒剪切强度评价研究”等论文中就采用了多项理想化假设，提出了一种新的测试单粒磨粒焊接强度方法，通过剪切强度反映单粒磨粒同钎料界面的结合强度。这种测试装置和方式的不足之处在于仅考虑了在实际磨削过程中金刚石颗粒会受到导致金刚石破坏甚至脱落的切向作用力，从而用剪切力的大小来表征金刚石根据的钎焊强度，这与磨削加工主要作用力是法向力极不吻合；另外，该测试方式在实验时使金刚石在一次测试中即脱落，这更不符合超硬材料砂轮磨削的真实情况等。由此可见，这种测试装置和测试方式与实际应用工况的偏差较大，不能确切反映磨削加工的真实情形。
发明内容
本发明的目的是提供一种超硬磨粒动态把持力测试***，以解决目前无法对超硬磨粒把持力进行实际测试的技术问题，同时提供一种使用该***的测试方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种超硬磨粒动态把持力测试***，包括用于固定待测磨粒试样的基座及用于驱动基座沿竖直方向上下移动的第一竖移机构和用于驱动测试工件沿竖直方向上下移动的第二竖移机构，所述基座上连接有用于驱动其在垂直平面内转动的旋转驱动机构，所述测试工件用于在测试时与待测磨粒试样的磨粒正对应接触；所述第二竖移机构设置于一滑台上，该滑台连接有用于驱动其沿水平方向运动的横移驱动机构；该***还包括分别用于检测竖直方向力和水平方向力的测力仪。
所述第一竖移机构为粗调整移动机构，第二竖移机构为微进给机构。
所述用于检测竖直方向力和水平方向力的测力仪包括竖向测力仪和水平测力仪，所述竖向测力仪设置于微进给机构与测试工件之间，水平测力仪设置于横移驱动机构与滑台之间。
该测试***安装于一机架上，该机架的一侧还设有用于显示第一竖移机构和第二竖移机构调整过程的视频监控装置，该装置与一计算机控制连接。
所述基座为圆盘结构，圆盘基座外边缘上设有用于嵌装待测磨粒试样的凹槽。
所述旋转驱动机构采用低速电机，该电机的动力输出端与圆盘基座传动连接；所述横移驱动机构采用直线电机，该电机的动力输出端与滑台传动连接；所述低速电机和直线电机均与计算机通讯连接。
本发明超硬磨粒动态把持力测试方法包括如下步骤：
(1)将待测磨粒试样固定于第一竖移机构上，并使磨粒朝向测试工件方向；将根据试验要求制作好的测试工件固定于设置在可水平方向移动的滑台上的第二竖移机构上，该测试工件上设有用于容纳磨粒的预留孔；
(2)分别调节第一竖移机构和第二竖移机构，使待测磨粒试样的磨粒进入测试工件预留孔达到设定深度；
(3)启动旋转驱动机构和横移驱动机构，使基座和滑台达到设定条件时停止；
(4)若基座和滑台停止动作时磨粒未脱落，则重新更换新的测试工件，调整增加待测磨粒试样的磨粒进入测试工件预留孔的深度重新测试，直至达到设定条件停止时磨粒脱落或发生明显的松动或破碎为止；当磨粒脱落时竖直方向力和水平方向力的合力即为待测磨粒试样上磨粒的最大动态把持力。
所述旋转驱动机构采用低速电机，该电机的动力输出端与圆盘基座传动连接；所述横移驱动机构采用直线电机，该电机的动力输出端与滑台传动连接；所述低速电机和直线电机均与计算机通讯连接。
所述第一竖移机构为粗调整移动机构，第二竖移机构为微进给机构，在进行竖直方向的调节时，首先调节粗调整移动机构至磨粒即将接触测试工件的状态，再调节微进给机构使磨粒进入测试工件预留孔达到设定深度。
利用视频监控装置通过视频显示的方式对第一竖移机构和第二竖移机构进行调节。
本发明的超硬磨粒动态把持力测试***及方法首先将待测试样与测试工件在竖直方向上按照设定条件装配固定好后，通过磨粒旋转、测试工件水平移动二维动态加载方式进行施力；若磨粒未脱落，可逐步调整增加磨粒进入测试工件的深度反复测试，直至磨粒脱落，并且将水平和竖直方向的合力定义为磨粒把持力，以此实现磨粒最大动态把持力的测试。该测试***和方法比现有技术更接近于实际工况，较为准确直观；以计算合力来表征把持力的方式也更合理，能够真实反映磨粒把持力的大小，为进一步研究超硬材料制品制造及应用技术研究、磨削机理研究奠定了基础。另外，该***的结构简单、操作方便，既可用于单颗磨粒把持力测试，用于单位面积磨粒把持力测试，也可用于模拟磨粒磨削试验研究。
附图说明
图1为本发明超硬磨粒动态把持力测试***正视图；
图2为本发明超硬磨粒动态把持力测试***左视图；
图3为单颗CBN磨粒把持力测试曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
如图1～图2所示为本发明超硬磨粒动态把持力测试***实施例的原理图，由图可知，该***包括用于固定待测磨粒试样2的基座1及用于驱动基座1沿竖直方向上下移动的第一竖移机构16和用于驱动测试工件4沿竖直方向上下移动的第二竖移机构6，基座1上连接有用于驱动其在垂直平面内转动的旋转驱动机构14；上述测试工件4用于在测试时与待测磨粒试样2的磨粒3正对应接触；第二竖移机构6设置于一滑台8上，该滑台8还连接有用于驱动其沿水平方向运动的横移驱动机构10；该***还包括分别用于检测竖直方向力和水平方向力的竖向测力仪5和水平测力仪9，竖向测力仪5设置于第二竖移机构6与测试工件4之间，水平测力仪9设置于横移驱动机构10与滑台8之间。
本实施例的第一横移机构16为粗调整移动机构，第二横移机构6为微进给机构。另外，为了测量竖直方向和水平方向的移动量，该***还包括设置在微进给机构6侧边用于检测竖向位移的竖向位移传感器7和设置在滑台8侧边用于检测纵向位移的水平位移传感器11。
本实施例的基座1为圆盘结构，圆盘基座1外边缘上设有用于嵌装待测磨粒试样的凹槽。
为便于控制，这里的旋转驱动机构14采用低速电机，该电机的动力输出端与圆盘基座1传动连接；横移驱动机构10采用直线电机，该电机的动力输出端与滑台8连接。
该***整体设置在一机架12上，该机架12的一侧还设有视频监控装置17，用于显示第一竖移机构和第二竖移机构的调整过程及把持力测试过程的监控记录，该装置与一计算机13控制连接。另外，两测力仪5和9、及两位移传感器7和11、两个电机10和14均与该计算机13通信连接。
利用本发明获取的压力、拉力、位移、力矩、时间等信号以及设定的相关参数(如磨粒露出高度、磨料几何形状参数、磨粒深入试件深度等)，既可用于磨粒动态把持力测试，也可用于单位面积磨粒动态把持力测试，还可用于模拟磨粒磨削试验研究，下面举例予以说明。
实施例1：单颗CBN磨粒把持力测试
本发明超硬磨粒动态把持力测试方法包括如下步骤：
(1)将待测磨粒(100/120#)试样固定于第一竖移机构上，并使磨粒露出面下垂并朝向测试工件方向；将根据试验要求制作好的测试工件固定于设置在可水平方向移动的滑台上的第二竖移机构上，该测试工件上设有用于容纳磨粒的预留孔。
首先按要求制备待测超硬磨粒试样：选取测试磨粒3，并与结合剂一起制备出单颗磨粒试样2，并通过开刃使超硬磨粒露出合适的高度，通过显微镜测试记录试样的外露磨粒形状、磨粒裸露高度等相关参数；同时根据试验要求选择相应的材料，按照要求制作好测试工件4，并在工件的设定位置预制一小孔(预留孔)，孔径略大于磨粒3直径，该孔的深度没有严格要求，能够容纳裸露的磨粒即可。磨粒试样2和测试工件4均准备好后，将磨粒试样2固定于圆盘基座1上，将测试工件4通过竖向测力仪5固定到第二竖移机构上，圆盘基座安装在低速电机14的主轴上，并使磨粒露出面下垂并朝向测试工件方向。
(2)分别调节第一竖移机构16和第二竖移机构6，使待测磨粒试样2的磨粒3进入测试工件4预留孔达到设定深度，这里的设定深度是技术人员根据实践经验自己确定的。
本实施例的第一竖移机构为粗调整移动机构，第二竖移机构为微进给机构；连接所有仪器、通讯线缆及电源开始测试，在竖向位移调节时，首先调节粗调整移动机构至磨粒即将接触测试工件的状态，再调节微进给机构使磨粒进入测试工件预留孔达到设定深度。另外，可以利用视频监控装置17通过视频显示的方式对粗调整移动机构和微进给机构进行调节。
(3)启动旋转驱动机构和横移驱动机构，使其达到预设截止条件时停止：这里的旋转驱动机构14采用低速电机，横移驱动机构10采用直线电机，按照设定的磨削试验条件(选用逆向磨削方式，低速电机主轴转速1rpm、时间设定20s，直线电机进给速度500mm/min、行程设定10mm)，启动低速电机和直线电机开始测试，计算机记录竖向测力仪5、水平测力仪9、竖向位移传感器11、水平位移传感器7、两电机的力矩以及视频监控17等的检测及监控信号。
另外需要说明的是这里的预设截止条件是指旋转驱动机构和横移驱动机构的停止条件，就本实施例而言，是指低速电机转动时间达到预设的时间阈值或者转动角度达到设置的角度阈值，一般通过角度限定时角度阈值不超过180度。
(4)若基座1和滑台8停止动作时磨粒3未脱落，则重新更换新的测试工件4，调整增加待测磨粒试样的磨粒3进入测试工件4预留孔的4深度重新测试。随着磨粒进入测试工件深度的加大，磨粒动态把持力也相应的加大，直至磨粒脱落或发生明显的松动或破碎；即可认定此时竖直方向力和水平方向力的合力即为待测磨粒试样上磨粒的最大动态把持力。如图3所示为6次测试记录图。
竖直方向力和水平方向力的合力根据勾股定理，即可计算单颗磨粒的动态把持力大小，计算公式如下：
其中，F把为磨粒动态把持力，Fx为切向力(水平方向)，Fy为法向力(竖直方向)。
另外，通过对电机的力矩、转动时间及竖直方向和水平方向的位移进一步分析，可以得知磨粒把持力测试过程的动态位移情况。
(5)测试结束后，停止低速电机14和直线电机10的运行，将各机构回复原位，以便于准备下一次测试。
实施例2：磨粒微进给磨削模拟试验
(1)在测试时，首先选取测试磨粒3，并与结合剂一起制备出单颗磨粒试样2，通过开刃使磨粒3露出合适的高度；再通过显微镜测试记录外露磨粒3形状、磨粒裸露高度等相关参数；将待测磨粒试样2固定于圆盘基座1上，并使磨粒3露出面下垂并朝向待安装的测试工件4的方向；
(2)根据试验要求选择相应的材料，按照要求制作好测试工件4，并将测试工件固定到竖向测力仪5上，这里的测试工件上不设置预留孔；
(3)接通所有仪器、通讯线缆及电源，通过视频监控装置17调节粗调整移动机构16至待测磨粒试样2的磨粒3即将接触测试工件4的状态；再通过视频监控装置17细调节微进给机构6，并记录磨粒3压入测试工件4的深度；
(4)按照模拟磨削方案设定等，启动低速电机14和直线电机10开始测试，用计算机记录竖向测力仪5、水平测力仪9、竖向位移传感器11、水平位移传感器7、低速电机14、直线电机14以及视频监控17等的信号作为磨削相关信息；
(5)待磨粒3磨削过程结束，停止电机10、14的运行及计算机的所有记录，并将各机构回复原位；由于计算机自动记录了磨粒磨削试件全过程的力、位移、力矩及视频信息，供进一步数据处理和分析研究。
以上实施例仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领域的技术人员，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或者等同替换，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超硬磨粒动态把持力测试***，其特征在于：包括用于固定待测磨粒试样的基座及用于驱动基座沿竖直方向上下移动的第一竖移机构和用于驱动测试工件沿竖直方向上下移动的第二竖移机构，所述基座上连接有用于驱动其在垂直平面内转动的旋转驱动机构，所述测试工件用于在测试时与待测磨粒试样的磨粒正对应接触；所述第二竖移机构设置于一滑台上，该滑台连接有用于驱动其沿水平方向运动的横移驱动机构；该***还包括分别用于检测竖直方向力和水平方向力的测力仪；所述测试工件上设有用于容纳磨粒的预留孔；通过分别调节第一竖移机构和第二竖移机构，使待测磨粒试样的磨粒进入测试工件预留孔达到设定深度。
2.根据权利要求1所述的超硬磨粒动态把持力测试***，其特征在于：所述第一竖移机构为粗调整移动机构，第二竖移机构为微进给机构。
3.根据权利要求2所述的超硬磨粒动态把持力测试***，其特征在于：所述用于检测竖直方向力和水平方向力的测力仪包括竖向测力仪和水平测力仪，所述竖向测力仪设置于微进给机构与测试工件之间，水平测力仪设置于横移驱动机构与滑台之间。
4.根据权利要求1所述的超硬磨粒动态把持力测试***，其特征在于：该测试***安装于一机架上，该机架的一侧还设有用于显示第一竖移机构和第二竖移机构调整过程的视频监控装置，该装置与一计算机控制连接。
5.根据权利要求4所述的超硬磨粒动态把持力测试***，其特征在于：所述基座为圆盘结构，圆盘基座外边缘上设有用于嵌装待测磨粒试样的凹槽。
6.根据权利要求5所述的超硬磨粒动态把持力测试***，其特征在于：所述旋转驱动机构采用低速电机，该电机的动力输出端与圆盘基座传动连接；所述横移驱动机构采用直线电机，该电机的动力输出端与滑台传动连接；所述低速电机和直线电机均与计算机通讯连接。
7.一种超硬磨粒动态把持力测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将待测磨粒试样固定于第一竖移机构上，并使磨粒朝向测试工件方向；将根据试验要求制作好的测试工件固定于设置在可水平方向移动的滑台上的第二竖移机构上，该测试工件上设有用于容纳磨粒的预留孔；
(2)分别调节第一竖移机构和第二竖移机构，使待测磨粒试样的磨粒进入测试工件预留孔达到设定深度；
(3)启动旋转驱动机构和横移驱动机构，使基座和滑台达到设定条件时停止；
(4)若基座和滑台停止动作时磨粒未脱落，则重新更换新的测试工件，调整增加待测磨粒试样的磨粒进入测试工件预留孔的深度重新测试，直至达到设定条件停止时磨粒脱落或发生明显的松动或破碎为止；当磨粒脱落时竖直方向力和水平方向力的合力即为待测磨粒试样上磨粒的最大动态把持力。
8.根据权利要求7所述的超硬磨粒动态把持力测试方法，其特征在于：所述旋转驱动机构采用低速电机，该电机的动力输出端与圆盘基座传动连接；所述横移驱动机构采用直线电机，该电机的动力输出端与滑台传动连接；所述低速电机和直线电机均与计算机通讯连接。
9.根据权利要求7所述的超硬磨粒动态把持力测试方法，其特征在于：所述第一竖移机构为粗调整移动机构，第二竖移机构为微进给机构，在进行竖直方向的调节时，首先调节粗调整移动机构至磨粒即将接触测试工件的状态，再调节微进给机构使磨粒进入测试工件预留孔达到设定深度。
10.根据权利要求7～9任意一项所述的超硬磨粒动态把持力测试方法，其特征在于：利用视频监控装置通过视频显示的方式对第一竖移机构和第二竖移机构进行调节。
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