CN112378979B - 一种用于检测磨具表面磨粒尖锐程度的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种用于检测磨具表面磨粒尖锐程度的装置及方法，包括电极探头、运算放大器、显示器；电极探头包括用于接收和传输检测电信号的正负极连接装置、正极、负极；正极包括位于上层的第一金属片、位于中层的电解液和位于下层的阴离子交换膜；负极包括第二金属片；使用该装置检测磨具表面磨粒尖锐程度的方法包括以下步骤：测得被测砂轮表面的电动势；测得标准件表面的电动势；通过标准件的电动势与标准件的粒径构建函数曲线，通过曲线求被测件的粒径；通过电化学原理将磨具表面磨粒尖端凸起的曲率半径与电池电动势直接联系起来，定量地检测任意复杂形状的表面锐度，可便携式检测，可以检测任意自由表面，不受表面形状尺寸的影响。

Description

一种用于检测磨具表面磨粒尖锐程度的装置及方法
技术领域
本发明属于磨具尖锐程度检测技术领域，具体涉及一种用于检测磨具表面磨粒尖锐程度的装置及方法。
背景技术
磨具表面磨粒的尖锐程度直接决定了磨具的磨削性能，尖锐的磨粒可以快速的切削材料，提高磨削效率，减小热效应，加工零件精度高。磨具表面磨粒越尖锐，通常认为磨具就越锋利。
目前对磨具表面(如砂轮)只停留在定性的观察阶段，如光学显微镜观察，扫描电子显微镜观察，激光扫描共聚焦显微镜和原子力显微镜三维表面形貌观察。
光学显微镜观察是指将所要观察的磨具表面直接置于样品台上，选择适当的放大倍数通过目镜观察磨具表面，目测磨粒尺寸和形貌。这种方法简单易行，但其主观差异大，主要依靠观察人员的经验，而且只是定性的目测观察，无法给出准确数值。此外，光镜景深很小，难以观察凹凸不平的表面，所以对粗颗粒砂轮磨具来说观察效果很差。
扫描电子显微镜是利用电子枪发射出的电子经高电压加速形成高能电子束，高能电子束经由两个电磁透镜被聚焦成直径微小的光点,在透过最后一级带有扫描线圈的电磁透镜后,电子束以光栅状扫描的方式逐点轰击到样品表面,同时激发出不同深度的电子信号[1]，其中二次电子信号对表面形貌敏感，具有很大的景深，常用于观察样品表面形貌特征。但扫描电镜对样品有尺寸要求，长宽高一般不得超过50mmx50mmx10mm。此外扫描电镜需要在较高的真空度下观察，对于树脂粘结剂或者多孔磨具样品抽真空很困难。
激光扫描共聚焦显微镜利用激光在样品表面进行逐点、逐行、逐面快速扫描成像，用同一个物镜接收扫描激光和荧光，物镜的焦点即扫描激光的聚焦点，也是瞬时成像的物点。***经一次调焦，扫描限制在样品的一个平面内。调焦深度不一样时，就可以获得样品不同深度层次的图像，经过计算机分析和模拟显示出样品表面三维形貌。但该方法得到的三维形貌图像不一定就是磨具表面凸起的磨粒图像，而且有些硬质磨粒是透明的，如金刚石，激光光源在扫描时会被反射或者折射吸收，难以准确成像。
原子力显微镜,通用的工作模式有接触和敲击式。在敲击模式中,一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品时,悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描过程中,反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定,亦即作用在样品上的力恒定,通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面形貌图。但原子力显微镜成像范围太小，速度慢，受探头的影响太大。
以上方法对样品都有尺寸要求，不宜太大，也无法连续观测曲面和多孔等复杂表面的形貌，而且显微观察属于微区逐点采样观测，不具备宏观统计特征，观测结果差异大。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于检测磨具表面磨粒尖锐程度的装置及方法，用于提供便携式检测，且可以检测任意自由表面，不受被检表面形状尺寸的影响。
本发明解决其技术问题的技术方案为：一种用于检测磨具表面磨粒尖锐程度的装置，包括电极探头、运算放大器、显示器；
所述电极探头包括用于接收和传输检测电信号的正负极连接装置、正极、负极；
所述正极包括位于上层的第一金属片、位于中层的第一电解液层和位于下层的阴离子交换膜；
所述负极包括第二金属片；
还包括涂敷在待测砂轮上的第二电解液层，所述第二电解液层的涂覆面积大于阴离子交换膜与第二金属片的下端面面积之和，所述第二电解液层的浓度等于第一电解液层的浓度，所述第二电解液层分别与阴离子交换膜和第二金属片接触；
所述的第一电解液层、第二电解液层的电解液为与第一金属片、第二金属片对应的金属盐溶液，即第一电解液层、第二电解液层与第一金属片、第二金属片符合溶液浓差电池的原理。
所述第一金属片的上端与正负极连接装置的正极接入端连接，所述第二金属片的上端与正负极连接装置的负极接入端连接，所述正负极连接装置的信号输出端通过运算放大器与显示器连接。
运算放大器的作用是将上述浓差电池的微小电信号放大，以便后续在显示器上显示。运算放大器是一个模拟信号放大电路，可以在它的输入端输入一个变化的直流电压，在输出端就输出一个幅度放大的，且波形完全相同的不失真的信号。
为了使负极能够适应不同表面，以方便非水平面的检测，还包括用于调整第二金属片高度的螺纹顶出装置，所述螺纹顶出装置穿过正负极连接装置与正负极连接装置螺纹连接，所述螺纹顶出装置的顶出端与第二金属片的上端接触。
由于负极发生氧化反应不断溶解，属于消耗品，为了使负极可以拆卸更换，所述第二金属片与正负极连接装置之间可拆卸连接。
作为优选地，所述第一金属片、第二金属片为锌片，所述第一电解液层、第二电解液层为ZnSO4电解液，所述阴离子交换膜为只允许SO4 2-通过的阴离子交换膜。
一种使用该装置检测磨具表面磨粒尖锐程度的方法，包括以下步骤，
S1：将第二电解液层均匀涂覆在待测砂轮切刃表面，涂覆面积大于电极探头两极的接触面积，第二电解液层的和第一电解液层为同种电解质溶液且浓度相同；
S2：将待测砂轮静置，使电解液层部分挥发；
S3：打开显示器，将电极探头的正极、负极置于待测的涂覆表面，读出待测砂轮表面磨粒凸起部位的电动势信号数值，电动势信号越大，砂轮切刃磨粒凸起就越尖锐。
还包括以下步骤，
S4：选取不同粒径的砂轮作为标准件砂轮；
S5：分别将电解液层均匀涂覆在标准件砂轮切刃表面，涂覆面积大于电极探头两极的接触面积；
S6：将标准件砂轮静置，使电解液层部分挥发，挥发时间与步骤S2的挥发时间相同；
S7：将电极探头的正极、负极置于标准件砂轮的待测涂覆表面，分别测出在相同的挥发时间下，不同粒径的标准件砂轮表面磨粒凸起部位的电动势信号数值；
S8：将标准件砂轮表面磨粒凸起部位的电动势信号数值与标准件砂轮的粒径建立对应的函数曲线；
S9:通过函数曲线求标准件砂轮表面磨粒凸起部位的电动势信号数值对应的粒径的值。
本发明的有益效果为：通过电化学原理将磨具表面磨粒尖端凸起的曲率半径与电池电动势直接联系起来，可以定量地检测任意复杂形状的表面锐度，可在现场提供便携式检测，还可以检测任意自由表面，不受被检表面形状尺寸的影响，检测的数据具有宏观统计性，准确可靠。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明电极探头的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2所示，一种用于检测磨具表面磨粒尖锐程度的装置，包括电极探头1、运算放大器2、显示器3；
所述电极探头1包括用于接收和传输检测电信号的正负极连接装置4、正极、负极；
所述正极包括位于上层的第一金属片5、位于中层的第一电解液层6和位于下层的阴离子交换膜7；
所述负极包括第二金属片8；
还包括涂敷在待测砂轮10上的第二电解液层9，所述第二电解液层9的涂覆面积大于阴离子交换膜7与第二金属片8的下端面面积之和，所述第二电解液层9的浓度等于第一电解液层6的浓度，所述第二电解液层9分别与阴离子交换膜7和第二金属片8接触；
所述的第一电解液层6、第二电解液层9的电解液为与第一金属片5、第二金属片8对应的金属盐溶液，即第一电解液层6、第二电解液层9与第一金属片5、第二金属片8符合溶液浓差电池的原理。
所述第一金属片5的上端与正负极连接装置4的正极接入端连接，所述第二金属片8的上端与正负极连接装置4的负极接入端连接，所述正负极连接装置4的信号输出端通过运算放大器2与显示器3连接。
运算放大器2的作用是将上述浓差电池的微小电信号放大，以便后续在显示器3上显示。运算放大器2是一个模拟信号放大电路，可以在它的输入端输入一个变化的直流电压，在输出端就输出一个幅度放大的，且波形完全相同的不失真的信号。
为了使负极能够适应不同表面，以方便非水平面的检测，还包括用于调整第二金属片8高度的螺纹顶出装置11，所述螺纹顶出装置11穿过正负极连接装置4与正负极连接装置4螺纹连接，所述螺纹顶出装置11的顶出端与第二金属片8的上端接触。
由于负极发生氧化反应不断溶解，属于消耗品，为了使负极可以拆卸更换，所述第二金属片8与正负极连接装置4之间可拆卸连接。
作为优选地，所述第一金属片5、第二金属片8为锌片，所述第一电解液层6为ZnSO4电解液，所述阴离子交换膜7为只允许SO4 2-通过的阴离子交换膜。
一种使用权利要求1所述装置检测磨具表面磨粒尖锐程度的方法，包括以下步骤，
S1：将第二电解液层9均匀涂覆在待测砂轮切刃表面，涂覆面积大于电极探头两极的接触面积，第二电解液层9的和第一电解液层6为同种电解质溶液且浓度相同；
S2：将待测砂轮静置，使电解液层9部分挥发；
S3：打开显示器，将电极探头的正极、负极置于待测的涂覆表面，读出待测砂轮表面磨粒凸起部位的电动势信号数值，电动势信号越大，砂轮切刃磨粒凸起就越尖锐。
还包括以下步骤，
S4：选取不同粒径的砂轮作为标准件砂轮；
S5：分别将电解液层9均匀涂覆在标准件砂轮切刃表面，涂覆面积大于电极探头两极的接触面积；
S6：将标准件砂轮静置，使电解液层9部分挥发，挥发时间与步骤S2的挥发时间相同；
S7：将电极探头的正极、负极置于标准件砂轮的待测涂覆表面，分别测出在相同的挥发时间下，不同粒径的标准件砂轮表面磨粒凸起部位的电动势信号数值；
S8：将标准件砂轮表面磨粒凸起部位的电动势信号数值与标准件砂轮的粒径建立对应的函数曲线；
S9:通过函数曲线求标准件砂轮表面磨粒凸起部位的电动势信号数值对应的粒径的值。
本发明是根据不同曲率半径的溶液蒸汽压不同，导致溶液中电解质浓度出现差异，进而形成浓差电池的原理检测电信号。
根据弯曲表面上的蒸汽压Kelvin公式
Figure BDA0002682720890000061
M为液体的摩尔质量，ρ为液体的密度，R为理想气体常数，T为热力学温度，γ为液体表面张力，Po为平面液体蒸汽压，Pr为曲面液体蒸汽压，R’为曲面液体曲率半径。
由公式可知液体曲率半径越小，其蒸汽压越高，就越容易挥发。当电解质溶液涂覆在凹凸不平的固体表面上时，表面上凸起的尖端越尖锐，尖端上溶液中的溶剂挥发速度就越快，此时尖端溶液发生浓缩，电解质离子浓度升高。这样同样的电解质溶液涂覆在不同凹凸形貌的表面，其电解质浓度不同。
根据此原理设计浓差电池，进而检测表面的电动势。
在室温条件下，通过研究磨粒曲率半径和切割时间对砂轮锐度的影响，选用不同金刚石粒径的铜基金属砂轮，粒径分别为5μm，10μm，20μm，40μm，75μm，和相同金刚石粒径(40μm)但切割不同时间的金属砂轮，在166r/s的转速下分别切割硅片5s，10s，15s，20s，25s。用0.3mm的锌片作为第一金属片、第二金属片的材料，电解液层和电解液为ZnSO4溶液，浓度为0.05mol˙kg-1。在本实施例中，装置中的电解液层和需要涂覆的电解液为同种电解质溶液且浓度相同，在需要涂覆的电解液挥发后浓度产生了变化，符合浓差电池的原理，为了便于描述，这里将同样的电解质溶液分为第一电解液层6和电解液9是为了便与描述，先将ZnSO4溶液均匀涂敷在待测砂轮10切刃表面，静置10s，待溶剂挥发一部分。正极利用只允用SO42-通过的阴离子交换膜7与待测表面的电解液9接触；负极探头为0.3mm的锌片，直接与待测表面电解液9接触，这样就构成了浓差电池。由于电池两极第一电解液层6和电解液9浓度不同，故电极电势也不同，电势差即为电池的电动势，通过运算放大器2的电信号放大，在显示器3上即可读出电动势的数值，该电动势的大小可以反应了磨粒曲率半径的大小，即电动势越大，磨粒金刚石粒径越小，故砂轮切刃磨粒凸起就越尖锐。实验结果如下表所示：
表1：不同金刚石粒径的铜基金属砂轮电化学锐度检测结果
Figure BDA0002682720890000071
表2：金刚石粒径为40μm的铜基金属砂轮切割不同时间后电化学锐度检测结果
Figure BDA0002682720890000072
从表1可以看出，磨粒金刚石粒径越小，浓差电池电动势越大，故砂轮切刃磨粒凸起就越尖锐，这与事实相符合。但在实际切割加工过程中往往大粒径磨粒砂轮切割材料显得更“锋利”，这是由于在相同的进给速度下，单位时间内大粒径磨粒切削的材料体积多的缘故，这与本发明所讨论的磨粒凸起的尖锐程度是两个不同概念，同时大粒径磨粒砂轮也不利于精细加工。相反，磨粒粒径越小，凸起越尖锐就越有利于硅元等半导体器件的精细加工。
由表2可知砂轮在切削过程中金刚石发生磨耗，凸起尖端被磨平变钝，此时随着切割时间的增加电动势减小；当切割时间增加到15s时，随后电动势又反向增加，这是由于砂轮在切削过程中，“钝化”的金刚石磨粒脱落，随后又露出新的尖锐磨粒的缘故，也就是砂轮的自锐性，该现象也符合实际的生产实践。
综上所述，本发明对磨具刃口锐度的检测准确可靠，可以选取不同粒径的标准件进行测量并记录电动势建立电动势与磨粒曲率半径的对应函数曲线，从而通过被测摩具的电动势得出被测磨具刃口磨粒的曲率半径的近似值，也就是量化磨粒凸起的尖锐程度。
目前切割砂轮等磨具一般通过切割供给电流数值来判断磨具的锋利程度，也有用切割力和扭矩作为评判标准，但这些参数都不能直接反应磨具的锐度，两种没有直接联系，而且由于机械能量内耗和切割材料的不同，这些参数数值差异很大。而且这些评判手段必须建立在有损检测条件下，不适合新的成品磨具检测。此外，通过显微镜观察磨具表面除了对样品有尺寸要求之外，也无法连续观测曲面和多孔等复杂表面的形貌，更不能定量评估磨具磨粒的锐度。
本发明通过电化学原理将磨具表面磨粒尖端凸起的曲率半径与电池电动势直接联系起来，可以定量地检测任意复杂形状的表面锐度，可在现场提供便携式检测，还可以检测任意自由表面，不受被检表面形状尺寸的影响，检测的数据具有宏观统计性，准确可靠。

Claims (6)

1.一种用于检测磨具表面磨粒尖锐程度的装置，其特征在于：包括电极探头、运算放大器、显示器；
所述电极探头包括用于接收和传输检测电信号的正负极连接装置、正极、负极；
所述正极包括位于上层的第一金属片、位于中层的第一电解液层和位于下层的阴离子交换膜；
所述负极包括第二金属片；
还包括涂敷在待测砂轮上的第二电解液层，所述第二电解液层的涂覆面积大于阴离子交换膜与第二金属片的下端面面积之和，所述第二电解液层的浓度等于第一电解液层的浓度，所述第二电解液层分别与阴离子交换膜和第二金属片接触；
所述第一金属片的上端与正负极连接装置的正极接入端连接，所述第二金属片的上端与正负极连接装置的负极接入端连接，所述正负极连接装置的信号输出端通过运算放大器与显示器连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于检测磨具表面磨粒尖锐程度的装置，其特征在于：还包括用于调整第二金属片高度的螺纹顶出装置，所述螺纹顶出装置穿过正负极连接装置与正负极连接装置螺纹连接，所述螺纹顶出装置的顶出端与第二金属片的上端接触。
3.根据权利要求1所述的一种用于检测磨具表面磨粒尖锐程度的装置，其特征在于：所述第二金属片与正负极连接装置之间可拆卸连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于检测磨具表面磨粒尖锐程度的装置，其特征在于：所述第一金属片、第二金属片为锌片，所述电解液层为ZnSO4电解液，所述阴离子交换膜为只允许SO4 2-通过的阴离子交换膜。
5.一种使用权利要求1所述装置检测磨具表面磨粒尖锐程度的方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1：将第二电解液层均匀涂覆在待测砂轮切刃表面，涂覆面积大于电极探头两极的接触面积，第二电解液层的和第一电解液层为同种电解质溶液且浓度相同；
S2：将待测砂轮静置，使电解液层部分挥发；
S3：打开显示器，将电极探头的正极、负极置于待测的涂覆表面，读出待测砂轮表面磨粒凸起部位的电动势信号数值，电动势信号越大，砂轮切刃磨粒凸起就越尖锐。
6.根据权利要求5所述的的方法，其特征在于：还包括以下步骤，
S4：选取不同粒径的砂轮作为标准件砂轮；
S5：分别将电解液层均匀涂覆在标准件砂轮切刃表面，涂覆面积大于电极探头两极的接触面积；
S6：将标准件砂轮静置，使电解液层部分挥发，挥发时间与步骤S2的挥发时间相同；
S7：将电极探头的正极、负极置于标准件砂轮的待测涂覆表面，分别测出在相同的挥发时间下，不同粒径的标准件砂轮表面磨粒凸起部位的电动势信号数值；
S8：将标准件砂轮表面磨粒凸起部位的电动势信号数值与标准件砂轮的粒径建立对应的函数曲线；
S9:通过函数曲线求标准件砂轮表面磨粒凸起部位的电动势信号数值对应的粒径的值。
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