畢業(yè)設(shè)計（論文）單顆磨粒劃擦試驗平臺的機構(gòu)設(shè)計

1、*大學(xué) 畢 業(yè) 論 文（科 學(xué) 研 究 報 告）題 目 單顆磨粒劃擦試驗平臺 的機構(gòu)設(shè)計 院(系)別 機電及自動化學(xué)院 專 業(yè) 機械工程及自動化 屆 別 2010 學(xué) 號 姓 名 指導(dǎo)老師 副教授 *教 務(wù) 處 2014年06月摘 要 磨削過程是磨具表面有效磨粒共同完成的微量切削過程，構(gòu)成砂輪的細(xì)小磨粒的切削作用是磨削的基礎(chǔ)，因此單顆磨粒磨削的機理研究成為認(rèn)識復(fù)雜磨削機理的一種重要手段。本文設(shè)計了單顆磨粒劃擦試驗平臺，主要包括直線劃擦運動機構(gòu)，進給機構(gòu)，試樣夾持機構(gòu)及軟件控制機構(gòu)等組成，并進行了部件的選型及試驗平臺的搭建。利用該單顆磨粒劃擦試驗平臺進行了低速劃擦中碳鋼、藍(lán)寶石試驗，觀察一定速度

2、范圍內(nèi)不同劃擦深度的劃痕形貌并進行統(tǒng)計分析，同時s型壓力傳感器采集和分析了劃擦過程中的磨削力，通過試驗檢測分析單顆磨粒的微量切削過程，從而深入研究復(fù)雜的磨削機理。試驗結(jié)果表明，單顆磨粒劃擦速度及劃擦深度對材料摩擦系數(shù)并無影響；而材料摩擦系數(shù)隨壓頭角度增大而增大；劃擦磨粒不變時，單顆磨粒的法向磨削力和切向磨削力都隨著劃痕深度的增加而增加。關(guān)鍵詞：單顆磨粒,磨削力,劃擦,摩擦系數(shù)abstract grinding process is the micro-cutting process that is jointly completed by the valid abrasive particle

3、s on the surface of grinding apparatus, and the cutting which brings about wee abrasive particles of grinding wheels is the basis for grinding, so the research on the mechanism of single abrasive particle grinding is greatly helpful to recognize complex grinding mechanism.in this paper, the cutting

4、work-piece experimental platform of single abrasive particle was made by linear scratch motion mechanism,feed mechanism,samples clamping mechanism,software control mechanism etc.at the same time,selecting the component and assembling the experimental platform was also needed.then,the scratching expe

5、riment on the medium carbon steel and sapphire under low-speeds can be done with the help of experimental platform.the scratch topographies at various depth with various speed were observed and the length and the width of scratches were analysed statistically. with the help of the s-typed pressure s

6、ensors,the grinding force was measured and analysed in the process of scratching.experiments will be made to detect and analyze the micro-cutting process of single abrasive particle and thus initiate an in-depth research on complex grinding mechanism.the experiment results showed that the friction c

7、oefficient had nothing to do with speed and scratching depth while it increased as the angle of single diamond indenter increased.the single diamond indenter grinding force increased with the depth of the increase of scratches.key words：single abrasive particle,grinding force,scratch,friction coeffi

8、cient目 錄第1章 緒論11.1選題背景及其意義11.1.1課題研究的背景11.1.2 課題研究的目的及意義21.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1 國際動態(tài)31.2.2 國內(nèi)動態(tài)31.3課題主要內(nèi)容及預(yù)期目標(biāo)41.3.1研究的主要內(nèi)容及關(guān)鍵問題41.3.2 課題研究的預(yù)期目標(biāo)4第2章 單顆磨粒劃擦試驗平臺的搭建52.1 試驗平臺方案設(shè)計52.1.1單顆磨粒磨削試驗常用方案52.1.2 試驗平臺方案的確定62.2 實驗平臺各機構(gòu)設(shè)計及部件選型72.2.1 平臺直線運動機構(gòu)設(shè)計72.2.2劃擦工件的固定夾具設(shè)計102.2.3 單顆磨粒的進給機構(gòu)設(shè)計112.2.4壓頭進給機構(gòu)的固定設(shè)計122.2.5

9、拉壓力傳感器的信號采集142.3劃擦平臺的整體裝配及運動仿真15第3章 金剛石單顆磨粒劃擦試驗163.1 單顆磨粒劃擦試驗設(shè)備163.2 劃擦試驗工件的制備183.2.1 試樣的加工及表面處理183.2.2 劃擦試驗標(biāo)準(zhǔn)試塊的制作203.3 劃擦試驗結(jié)果213.4試驗結(jié)果討論38第4章 結(jié)論39致謝40參考文獻41第一章 緒論1.1選題背景及其意義1.1.1課題研究的背景磨削加工是硬磨料顆粒作為切削工具去除材料的加工方法，盡管目前硬車削已經(jīng)代替了很多磨削加工，但由于粘結(jié)技術(shù)的進步和高級磨料的應(yīng)用，磨削依然在機械加工方式中保持著及其重要的地位，是機械加工中不可替代而且是逐漸擴展的加工方法。與其它

10、加工方法相比，磨削具有加工精度高、應(yīng)用范圍廣、加工表面質(zhì)量好、自銳性能優(yōu)良等優(yōu)點。隨著機械產(chǎn)品精度、可靠性和使用壽命的要求不斷提高，高硬度、高強度、高耐磨性、高功能性的新型材料的應(yīng)用增多，給磨削加工提出了許多難題，諸如材料的磨削加工性、已加工表面完整性等問題，函待解決1,2。產(chǎn)品的表面質(zhì)量關(guān)系到產(chǎn)品的使用性能，而且直接影響制造成本和生產(chǎn)效率。磨削機理研究是磨削技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，通過理論分析、磨削實驗、模擬與仿真，揭示磨削過程諸現(xiàn)象的本質(zhì)，總結(jié)磨削過程中的規(guī)律，確定合理的磨削規(guī)范與磨削用量，用于指導(dǎo)生產(chǎn)實際2。磨削過程是一個復(fù)雜過程，究其本質(zhì)是大量離散分布在砂輪表面的磨粒完成的滑擦（彈性變形）、耕

11、犁（塑性變形）、切削（形成切屑）作用的綜合效果,各種物理、力學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生機理復(fù)雜2-6。因此，對磨削過程的研究是一個跨學(xué)科的問題。對于磨削的研究，大致有兩種方式：一是從宏觀角度，將砂輪看做一個整體，通過磨削試驗來研究磨削力、磨削溫度等磨削物理量；二是從介觀角度著手，將磨削過程看做是磨具表面大量排列參差不齊，分布不規(guī)則的形狀各異的磨粒共同完成的切削過程2,7。由于磨粒數(shù)量多，幾何形狀不規(guī)則、磨削速度高，每顆磨粒的磨削切深小且不一致等原因，因此磨削是一種多變量的復(fù)雜過程，在科學(xué)研究中，把復(fù)雜現(xiàn)象抽象成一種簡化的模式，來進行理論分析和試驗，用來探討一些最本質(zhì)的問題，是一種常用的方法7。構(gòu)成砂輪的細(xì)小磨

12、粒的切削作用是磨削的基礎(chǔ)，單顆磨粒切削作用作為磨削的一種簡化模式，成為認(rèn)識復(fù)雜磨削作用的一種重要手段。1.1.2 課題研究的目的及意義單顆磨粒切削實驗以及國內(nèi)外最新研究發(fā)現(xiàn)，他們所用設(shè)備都是用粒度較大的磨粒粘結(jié)在基體盤上。進行切削實驗時，磨粒尖端較鈍，如果速度太高，磨粒不僅會因受到大的沖擊，導(dǎo)致其從基體盤上脫落。此外，因為速度過快，單顆磨粒劃擦?xí)r間不大于傳感器感應(yīng)時間，從而使采集磨粒受力信號的傳感器無法正常穩(wěn)定的采集到信號，導(dǎo)致實驗失敗。因此，一般單顆磨粒磨削實驗速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實際的磨削速度，且其結(jié)果的重復(fù)性不好，切削過程物理量的檢測也有很大難度8。這樣，設(shè)計出具有高精度、高穩(wěn)定性且磨削速度可達

13、實際磨削速度，能夠測出穩(wěn)定切削過程物理量（例如磨削力）的設(shè)備具有重要的研究意義?；谝陨蠁晤w磨粒的研究背景，導(dǎo)師及研究生師兄提出了試驗工件在試驗平臺上高速旋轉(zhuǎn)，而單顆磨粒沿徑向緩慢進給的研究思路。單顆磨粒緩慢進給使得磨粒到工件中心距變化量可忽略不計，這樣可以視為單顆磨粒在工件表面連續(xù)高速劃擦，十分接近實際磨削過程中磨粒的切削運動。為了驗證此方案的可行性，將其分為兩部分分步驗證。一部分是工件在試驗平臺上高速旋轉(zhuǎn)，單顆磨粒不動進行劃擦試驗；另一部分是工件固定不動，刀具緩慢進給的劃擦試驗。這兩部分的試驗結(jié)果將擬合驗證整體設(shè)計方案的可行性。本研究課題就是上述試驗方案的第二部分，進行工件固定不動，刀具緩

14、慢進給的劃擦試驗。但是，綜合考慮設(shè)計方案的合理性及單顆磨粒與試驗工件表面平行度的要求，將設(shè)計方案改為刀具固定不動，劃擦工件緩慢直線運動。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀磨削本質(zhì)上可以歸結(jié)為砂輪表面每一顆磨粒對被加工材料進行微觀切削，因此可以將極其復(fù)雜的磨削過程簡化為單顆磨粒磨削，這樣就可以在不受其他磨粒的影響下，研究單顆磨粒的切削行為，深入探討磨削機理。正是從這個角度考慮，國內(nèi)外許多學(xué)者采用該方法對磨削過程中的磨屑形成、磨削力、磨粒磨損等進行了研究，獲得了許多有價值的研究成果。1.2.1 國際動態(tài)美國宇航與（nasa）通過恒定深度單顆磨?；猎囼?，對sic、金剛石等磨粒切削鈦合金、鋁合金等航空航天材料的磨

15、屑的變形形態(tài)和摩擦系數(shù)進行了研究9。日本熊本大學(xué)t. matsuo等設(shè)計了單顆磨粒微觀切削與劃擦試驗裝置10。他們采用粒度為 14/20#的cbn和金剛石磨粒對鋼和氧化鋁進行了微觀切削和劃擦試驗，研究了磨粒形貌對磨削力和隆起的影響。研究表明，磨削力隨磨痕截面積的增大而線性增大，且磨粒頂錐角越大，變化曲線的斜率越大；磨削力大小和隆起大小取決于磨粒的切刃方向。y. ohbuchi采用負(fù)前角為-45、-60、-75的cbn和金剛石磨粒分別對 s50c 鋼進行了正交切削試驗11。磨粒的粒度為 20/24#。他們對切向磨削力和法向磨削力進行了測量。試驗結(jié)果表明，cbn和金剛石的磨削力有很大差別,cbn的

16、切向磨削力小于金剛石的切向磨削力；磨粒前角對法向磨削力的影響比對切向磨削力的影響更大，且磨粒負(fù)前角越大，法向磨削力越大；磨粒負(fù)前角增大導(dǎo)致摩擦角減??；在cbn磨粒和金剛石磨粒的磨削表面觀察到塑性變形層；在金剛石正交切削試驗中，磨粒切刃上的法向壓力有可能導(dǎo)致磨削滯留區(qū)的形成。德國不萊梅大學(xué)e. brinksmeier研究了磨削速度較低的條件下淬火鋼磨屑的形成機理12。他采用的方法同樣為單顆磨粒劃擦。試驗中磨削速度和磨屑厚度為主要參數(shù)。研究表明，劃擦和磨削中磨屑的形成機理相同；當(dāng)磨削速度較低，磨屑厚度較小時，隆起在金屬的塑性變形中占主導(dǎo)地位；當(dāng)磨削速度較高，磨屑厚度較大時，切削在金屬的塑性變形中占

17、主導(dǎo)地位。哈德斯菲爾德大學(xué)tahsin tecelli opoz用40/50#的cbn磨粒對en24t鋼進行劃擦實驗，研究了在不同切削刃條件下，材料去除過程中的堆積比、切屑去除強度和磨粒有效切削半徑13。研究表明，形狀對耕犁和切削過程有很大影響，單切削刃比多切削刃的切削效率高，多切削刃會產(chǎn)生更多的耕犁現(xiàn)象；在整個劃擦實驗過程中，材料去除在前半段表示的更為明顯，此研究結(jié)果對磨削過程的優(yōu)化提供了重要信息。1.2.2 國內(nèi)動態(tài)西北工業(yè)大學(xué)黃奇、任敬心等最早開展了單顆磨粒磨削的試驗研究，他們分別采用立方氮化硼、碳化鎢、碳化硅三種磨粒對鈦合金進行了單顆磨粒磨削試驗14。試驗中他們對磨粒切削過程、鈦合金的

18、粘附及磨削表面特征進行了研究，并分析了磨粒的磨損特性。結(jié)果表明，三種磨粒磨削鈦合金均可以形成鋸齒狀磨屑；相比于碳化鎢和碳化硅，cbn 磨粒更適磨削鈦合金。大連理工韋秋寧利用單顆金剛石磨粒磨削硅片，探討硅片的延性域磨削機理8。研究表明：單晶硅的臨界切削深度主要取決于磨粒的刃圓半徑，磨粒刃圓半徑過小或過大都不利于脆性-延性轉(zhuǎn)變。華僑大學(xué)林思煌、徐西鵬采用單顆金剛石磨粒劃擦普通玻璃，觀察不同切深的劃痕形貌，同時測量單顆金剛石的磨削力15。研究結(jié)果顯示，當(dāng)切削深度較小時，實際劃痕寬度與理論寬度有一定的差異性；隨著切深的增大，實際寬度與理論寬度的比值趨于恒定；單顆磨粒磨削力隨劃痕長度的增大而增大。湖南大

19、學(xué)言蘭16以砂輪表面形貌測量及建模為基礎(chǔ)，通過單顆磨粒切削過程有限元仿真，將單顆磨粒切削的機理研究與aisid2淬硬冷作模具鋼磨削過程的磨削力、磨削溫度以及磨削表面質(zhì)量聯(lián)系起來，揭示砂輪狀態(tài)、磨削工藝參數(shù)與磨削表面完整性的聯(lián)系。1.3課題主要內(nèi)容及預(yù)期目標(biāo)1.3.1研究的主要內(nèi)容及關(guān)鍵問題本課題研究旨在設(shè)計出高精度、高穩(wěn)定性的新型磨粒劃痕試驗平臺，對已有劃擦試驗分類分析，提出優(yōu)化的劃痕試驗方案。并對設(shè)計中的重要零部件進行剛度校核，加工出實體裝配試驗平臺，在齒輪鋼（42crmov）和藍(lán)寶石（al2o3）試樣上進行單顆磨粒劃擦試驗，采集劃擦試驗中磨粒壓頭法向及切向力，分析各組試驗條件下劃痕溝槽的形

20、貌。課題研究中需要解決的關(guān)鍵問題：如何保證刀具與工件的平行度；法向及切向上壓力傳感器的放置；磨粒壓頭的微進給機構(gòu)設(shè)計；劃擦溝槽形貌分析。1.3.2 課題研究的預(yù)期目標(biāo)優(yōu)化試驗平臺的設(shè)計方案并完成校核及運動仿真，加工出各零部件后完成單顆磨粒劃痕試驗平臺的搭建，在不同劃擦材料、不同切深、不同速度的試驗條件下進行劃痕試驗，通過傳感器對磨粒劃擦過程中的受力進行穩(wěn)定采集，計算并對比各組劃擦摩擦系數(shù)，完成對工件材料劃擦溝槽形貌的分析研究。第2章 單顆磨粒劃擦試驗平臺的搭建磨粒在磨具上排列的間距和高低都是隨機分布的，且形狀及不規(guī)律、切學(xué)深度存在很大差異，換言之，磨削過程中砂輪表面上磨?？山频乜醋魇且话寻盐?/p>

21、小的銑刀齒，其幾何形狀和角度有很大差異。因此磨削工藝參數(shù)、砂輪特性、砂輪的跳動及振動均會對加工質(zhì)量產(chǎn)生影響，致使磨削情況相差較大，給磨削研究帶來困難。故必須把復(fù)雜的砂輪磨削過程簡化，進行理論分析和試驗，而研究單個磨粒的磨削過程就是一種常用的簡化模式。試驗平臺主要由光學(xué)平臺、直線電機、龍門結(jié)構(gòu)、微分頭、傳感器及洛氏壓頭組成。2.1 試驗平臺方案設(shè)計2.1.1單顆磨粒磨削試驗常用方案 目前常見的單顆磨粒磨削研究試驗方法有四種。（a）鐘擺式切削原理將磨粒固定在擺桿或法蘭盤上，并以一定的曲率半徑回轉(zhuǎn)，磨粒以一定的速度切入工件然后離開，即可生成深度變化的溝槽。用這種方法劃出的劃痕較短，其深度變化取決于磨

22、粒切削刃回轉(zhuǎn)半徑，劃痕長度一般小于幾毫米，速度較低，遠(yuǎn)低于磨削速度。若提高速度，會導(dǎo)致傳感器無法采集到信號或采集的信號不完整。（b）球-盤滑擦切削原理將金剛石涂層球頭與傳感器連接或者將金剛石顆粒焊接在傳感器上，通過給傳感器加載，使得金剛石涂層球頭或金剛石顆粒與摩擦盤接觸，摩擦盤是緩慢旋轉(zhuǎn)的，傳感器可以沿摩擦盤徑向作小范圍進給運動。此裝置主要用于確定二個物體之間的摩擦系數(shù)，還能根據(jù)摩擦球的磨損情況確定磨損率8-11。根據(jù)摩擦試驗工作原理可知，摩擦實驗裝置可以用作單顆磨粒的切削試驗，但此實驗裝置采用一般均為超大顆粒金剛石，實驗平臺振動較大。即使換成小顆粒金剛石，傳感器徑向進給量非常小，只能做單次實

23、驗，實驗的可重復(fù)性較差。另外，摩擦盤的旋轉(zhuǎn)速度低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于磨削速度。（c）直線滑擦切削原理一般是在納米劃痕試驗機上進行的恒壓力劃痕試驗，試驗過程中對磨粒施加一恒定載荷，即可在試件表面劃出深度恒定的劃痕，通過改變載荷的大小即可得到一系列深淺不一的劃痕。由于結(jié)構(gòu)限制，恒壓力劃痕試驗的速度一般為每秒鐘幾毫米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實際的磨削速度。（d）楔形滑擦切削原理為了生成深度緩慢變化的磨削溝槽，所采取的方法一般是在被切削試件的底面一個薄的墊片以便將試件傾斜一微小角度，采用這種方法得到的劃痕深度變化取決于工件傾斜角度大小。 但此裝置的速度低，一般遠(yuǎn)低于磨削速度。圖2-1 常用的單顆磨粒切削試驗原理圖16fig.

24、2-1 the principle diagram of common cutting test with single diamond grit tool162.1.2 試驗平臺方案的確定鑒于以上幾種劃擦試驗方案可以看出，已有的試驗方案多為劃擦工件固定，單顆磨粒刀具旋轉(zhuǎn)或者移動，在工件表面產(chǎn)生單顆磨粒劃痕。這種試驗方案往往磨粒旋轉(zhuǎn)、移動速度過大，因此需要靈敏度極高的測力儀或者傳感器才能得到單顆磨粒在劃擦過程中的受力變化，否則當(dāng)測力儀或傳感器開始采集信號時磨粒已經(jīng)離開劃擦溝槽。此外，這些劃擦試驗所得到的劃擦溝槽往往過短，如劃痕試驗機上所做的實驗劃痕長度在4mm左右，不利于劃擦溝槽檢測數(shù)據(jù)的重復(fù)

25、性。綜上所述，為了能讓傳感器穩(wěn)定的采集不同切深下的受力變化，并得到長度適中的劃痕，試驗平臺的設(shè)計方案初步定為單顆磨粒固定不動，劃擦工件直線運動，如圖2-2所示。圖2-2 單顆磨粒劃痕試驗原理圖fig.2-2 the schematic diagram for scratching workpiece experiment with single abrasive particle2.2 實驗平臺各機構(gòu)設(shè)計及部件選型2.2.1 平臺直線運動機構(gòu)設(shè)計在單顆磨粒固定不動的條件下，如何實現(xiàn)劃擦工件的直線運動呢？基于本試驗平臺設(shè)計要求，劃擦工件需要實現(xiàn)平穩(wěn)的低速直線運動，速度為0.1mm/s左右，并要求

26、劃擦工件的上端面和磨粒保證一定的平行度。因此，調(diào)研符合要求的進給機構(gòu)后，選擇使用直線電機實現(xiàn)以上功能。管狀直線電機(也稱桿狀直線電機、棒狀直線電機、桿狀線性馬達、管狀線性馬達)的基本結(jié)構(gòu)是由一個帶內(nèi)置高能永磁體的不銹鋼軸定子和一個含有精密無鐵芯線圈的滑塊動子組成。由于環(huán)形繞組可以實現(xiàn)360的磁力線垂直切割，所以定子的磁通均得到了最高效的利用，實現(xiàn)了在其他直線電機中不可能實現(xiàn)的高推力密度和高效率17。在直線電機的選購中有幾個重要的問題需要考慮：動子的位移精度及速度精度；對動子移動位移及速度的控制及波動度分析；放置劃擦工件的動子滑臺及直線電機地板平面的平面度控制；有效推力范圍的要求；動子滑臺的承載

27、能力要足夠大。為滿足以上幾點性能要求，對直線電機各個部分進行分析以選擇選購類型。2.2.1.1 0.1m分辨率光柵光柵尺，也稱為光柵尺位移傳感器（光柵尺傳感器），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置。光柵尺經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)控機床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點。由于實驗需要，將檢測動子滑臺直線位移的標(biāo)尺光柵固定在滿足光柵尺安裝平行度要求的大理石直線電機底座（00級）側(cè)面，而將光柵讀書頭固定在動子滑臺側(cè)面，隨動子滑臺的位移進行位移檢測。此直線電機標(biāo)尺光柵和光柵讀頭是由英國雷尼紹renishaw公司生產(chǎn)的，規(guī)格

28、為分辨率0.1m，實際可達到的相對位移誤差小于5m，試驗中控制軟件對速度及位移的誤差檢測圖可驗證此精度。 2.2.1.2 mega-fab 交流伺服驅(qū)動器交流伺服驅(qū)動器型號為d2-0423-s-b【04代表額定輸出功率為400w，2代表電壓相位為單相/三相，3代表電壓電源（ac）=100v/200v，s代表standard標(biāo)準(zhǔn)控制界面，b代表機框為frameb】，輸出電壓電流為373v/9.6a，輸入電壓為110v/220v。試驗中，將此交流伺服驅(qū)動器連接電腦，通過lightening驅(qū)動器控制軟件設(shè)置參數(shù)以控制直線電機的操作模式、位移速度、加速度、原點位置、位移范圍等參數(shù)，也可實現(xiàn)單點運動控

29、制，并檢測速度、位移等參數(shù)的波動范圍。單顆磨粒劃擦試驗中，首先設(shè)定磨粒對應(yīng)位置為動子滑臺中點，依照劃擦工件的寬度在有效行程內(nèi)設(shè)定位移范圍，實現(xiàn)在劃擦工件上產(chǎn)生一條足夠長的溝槽。然后根據(jù)事先定好的不同組實驗數(shù)據(jù)先后設(shè)定動子滑臺的移動速度及磨粒切深值。2.2.1.3 大理石底板（00級）大理石平板平面精度（d為對角線mm，測量溫度一般在202）000級=1(1+d/1000)um00級=2(1+d/1000)um0級=4(1+d/1000)um1級=8(1+d/1000)um制作工藝大理石底板采用優(yōu)質(zhì)的天然大理石料經(jīng)機械加工，精研而成。黑色光澤，結(jié)構(gòu)精密質(zhì)地均勻，穩(wěn)定性好；強度大、硬度高。并具有：

30、不生銹耐酸堿、不磁化、不變型、耐磨性好等優(yōu)點，并能在重負(fù)荷及一般溫度下保持穩(wěn)定。00級的大理石底板平面度可在光柵尺安裝要求范圍內(nèi)，保證標(biāo)尺光柵安裝后，光柵讀書頭的檢測精度。此外，與光學(xué)平臺的安裝足以保證動子滑臺和單顆磨粒的平行度要求。2.2.1.4直線電機有效推力及動子滑臺承載能力參考已有的劃擦研究，單顆磨粒劃擦切深較小，法向力一般不大于40n，則可知切向力小于40n。因此，動子滑臺的有效推力應(yīng)大于切向力最大值，故選擇額定推力為40n的直線電機；另外，動子滑臺的承載能力決定了不影響動子移動速度的條件下，動子滑臺可裝在的工件質(zhì)量。在調(diào)研后知，滿足以上各因素的動子滑臺承載能力為100kg，遠(yuǎn)大于本

31、實驗所加載的劃擦工件質(zhì)量。2.2.1.5直線電機型號及廠家選擇經(jīng)大量調(diào)研，在能夠滿足以上試驗要求條件下性價比最高的直線電機供應(yīng)商為深圳市英諾伺服技術(shù)有限公司，選擇由該公司定制的servo shaft 2506系列直線電機。試驗所需直線電機主要參數(shù)為：額定推力40 n；峰值推力121n；額定電流2.5a；峰值電流持續(xù)時間1s；系統(tǒng)分辨率0.1um；有效行程300mm，如圖2-3所示。圖2-3servo shaft 2506直線電機fig.2-3 servo shaft 2506 linear motor2.2.2劃擦工件的固定夾具設(shè)計上述試驗思路是將劃擦工件固定在動子滑臺上，即由直線電機控制劃擦

32、工件的直線位移。然而，如何將劃擦工件固定在動子滑臺上并使傳感器可以采集切向力成為了試驗平臺設(shè)計的一個問題。由于需要在劃擦工件側(cè)面放置一個拉壓力傳感器，因此不能將劃擦工件設(shè)計為階梯狀直接固定在動子滑臺上。這樣，需設(shè)計一個專用夾具裝夾工件及拉壓力傳感器。經(jīng)觀測，動子滑臺上已加工有若干標(biāo)準(zhǔn)的螺紋孔，選擇其中長間距88、寬間距50的四個m6螺紋孔作為固定專用夾具的基準(zhǔn)。初步夾具設(shè)計，夾具壁厚為8mm，m6螺釘連接夾具體及傳感器（量程5kg），同時夾緊工件。但此夾具體設(shè)計使劃擦工件寬度過小，無法實現(xiàn)之前提出的設(shè)計要求。因此，改良夾具設(shè)計如圖2-4所示，改良后的裝夾效果可使劃擦工件寬度達50mm,可以得到

33、足夠長度的劃痕以便檢測及受力信號采集。圖2-4 夾具設(shè)計效果圖fig.2-4 the working sketch of fixture design2.2.3 單顆磨粒的進給機構(gòu)設(shè)計單顆磨粒劃擦試驗預(yù)先設(shè)定的幾組切深為10 um、20 um、30 um，為實現(xiàn)單顆磨?？蛇M行易操作的進給功能，將如圖2-4所示的洛氏壓頭（天然金剛石）固定在進給機構(gòu)上來調(diào)節(jié)磨粒切深。圖2-5 天然金剛石壓頭（90壓頭， 120壓頭）fig.2-5natural diamond indenter(90 degree typed indenter,120 degree typed indenter)首先單顆磨粒選用實

34、驗室的兩個洛氏壓頭，壓頭磨粒角度分別為90和120，如圖所示?？紤]到壓頭在進給改變切深的同時，需要有傳感器采集劃擦過程中磨粒所受的法向力，則將洛氏壓頭裝在拉壓力傳感器（10kg量程）上，將其視為一個整體，實現(xiàn)了在連續(xù)劃擦過程中的壓力信號連續(xù)采集。因此，打有m6中心螺紋孔的另一個傳感器端面便成為了與能實現(xiàn)進給功能的部件配合的基準(zhǔn)。由上述可知，不同組實驗所需切深變化量為10 um的倍數(shù)，故進給機構(gòu)的精度就是10 um。實驗中常見的可控制、檢測伸長量的儀器就是螺旋測微器，其組成部件微分頭的探頭伸長量就是靠固定套管上的刻度標(biāo)控制，旋轉(zhuǎn)套筒便可使探頭伸長或縮短一定的長度，操作簡單，控制精度較高。選擇微分

35、頭作為磨粒及傳感器的微進給機構(gòu)會帶來一個問題，就是直徑6.5mm的探頭頂端有2mm厚的硬質(zhì)合金材料，且探頭無螺紋。這樣的話，需要在細(xì)長桿件的探頭頂部加工m6的螺紋。螺紋加工基本的工藝思路是切出探頭頂端2mm厚的硬質(zhì)合金頂頭，將直徑6.5mm的探頭前端長約68mm的部分車/磨至直徑6mm，倒角，板牙攻m6螺紋。實際的加工過程是使用精密切割機切出探頭頂端的硬質(zhì)合金材料，用直徑1.5mm的中心鉆在切出的探頭端面打中心孔，在車床上車削探頭頂部長為8mm的直徑6的桿，再用板牙攻m6的螺紋使其能夠和傳感器固定，實現(xiàn)磨粒壓頭的進給功能，如圖2-6所示。圖2-6金剛石壓頭夾具及傳感器fig.2-6 the c

36、lamp of the diamond indenter and the sensor2.2.4壓頭進給機構(gòu)的固定設(shè)計上一節(jié)完成了壓頭進給機構(gòu)的設(shè)計，為實現(xiàn)單顆磨粒不動，工件直線位移的目的，需要將壓頭進給機構(gòu)固定。由于直線電機固定在光學(xué)平臺上，光學(xué)平臺上分布著間距25mm的m6螺紋孔矩陣，因此可以設(shè)計一個龍門結(jié)構(gòu)固定在光學(xué)平臺上便于固定壓頭進給機構(gòu)。經(jīng)測量，微分頭探頭和套管之間的黑色部分為m12細(xì)牙螺紋，螺紋部分長度為15mm，于是可以在龍門結(jié)構(gòu)上端面中心打直徑12的通孔，微分頭套管和龍門上端面間放置一個墊片以減小配合精度低而產(chǎn)生的晃動，而龍門下端面出用螺母將微分頭夾緊，達到單顆磨粒固定的效果

37、。龍門根據(jù)實驗室平臺定位孔間距設(shè)定龍門寬度，在不干涉直線電機運動的條件下，選擇龍門固定基準(zhǔn)孔間距275，且側(cè)壁厚度為8mm。然而龍門結(jié)構(gòu)的設(shè)計高度由劃擦工件高度，壓頭進給機構(gòu)長度等決定。經(jīng)測量，光學(xué)平臺至動子滑臺平面高度為84.5mm；為提高壓頭進給機構(gòu)穩(wěn)定性，將龍門結(jié)構(gòu)的橫梁厚度設(shè)計為10mm；微分頭套管端面至壓頭磨粒的高度范圍是60，75；夾具設(shè)計時，劃擦工件高度略大于夾具體高度35mm。因此，龍門結(jié)構(gòu)高度設(shè)計為190mm，如圖2-7所示。圖2-7 龍門設(shè)計圖fig.2-7 the picture of the blueprint for gantry龍門的強度應(yīng)用ansys進行校核，固定

38、龍門的兩個下斷面，在微分頭和龍門固定連接出法向加載10n壓力，切向加載4n壓力，龍門變形如圖2-8所示容易看出龍門結(jié)構(gòu)在劃擦過程中產(chǎn)生的應(yīng)力很小，故設(shè)計滿足強度要求。圖2-8 龍門結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力圖fig.2-8 the equivalent stress map of the gantry under scratching condition2.2.5拉壓力傳感器的信號采集本單顆磨粒劃擦試驗平臺在采集劃擦過程中法向及切向受力情況使用jlbs型硬幣式微小s型拉壓力傳感器，切向量程為5kg，法向量程為10kg。jlbs-v型拉壓力傳感器采用了箔式應(yīng)變片貼在合金鋼彈性體上，具有測量精度高、穩(wěn)定性能好、

39、溫度漂移小、輸出對稱性好、結(jié)構(gòu)緊湊的特點。傳感器如圖所示，精度為0.1%，靈敏度為1.94 mv/v，蠕變（固體材料在保持應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時間延長而增加的現(xiàn)象）為0.05fs/30min，非線性及滯后誤差均為0.03 %fs，重復(fù)性誤差0.02 %fs，零點溫度系數(shù)及輸出溫度系數(shù)均為0.03 %fs/10，輸入阻抗70015 ，輸出阻抗65015 ，絕緣電阻5000 m，工作溫度范圍-20 +70，允許過負(fù)荷150 %fs，材料為合金鋼。s型拉壓力傳感器接線連接至配套的儀表xmt808-s顯示表，常溫下精度為0.2%(fs)，可穩(wěn)定顯示拉壓力傳感器在劃擦過程中所受的壓力，便于低速劃擦下

40、對試驗數(shù)據(jù)的記錄，如圖2-9所示。圖2-9傳感器及顯示表fig.2-9 sensor and display2.3劃擦平臺的整體裝配及運動仿真本劃擦試驗平臺的運動仿真應(yīng)用solidworks，驗證整體設(shè)計方案的可行性，如圖2-10所示。圖2-10基于solidworks的試驗平臺設(shè)計及運動仿真fig.2-10 design of the experimental platform and the motion simulation based on solidworks在solidworks軟件中首先完成試驗平臺的整體建模搭建，再設(shè)計運動分析，線性馬達加載在動子滑臺上，線性馬達方向指向壓頭方向

41、，要想對移動的零部件選取不銹鋼永磁軸，在設(shè)定的兩點范圍內(nèi)做直線等速運動，進行單顆磨粒的劃擦試驗。鑒于solidworks運動仿真效果，初步確定本試驗平臺的可行性。第3章 金剛石單顆磨粒劃擦試驗3.1 單顆磨粒劃擦試驗設(shè)備完成實驗平臺的運動仿真及各個部件的加工后，將整體試驗平臺搭建如圖3-1所示。圖3-1 單顆磨粒劃擦實驗平臺照片fig.3-1 the picture of the cutting work-piece experimental platform of single abrasive particle單顆磨粒壓頭的進給機構(gòu)細(xì)節(jié)如圖3-2所示。圖3-2 單顆磨粒微進給機構(gòu)細(xì)節(jié)圖fi

42、g.3-2 the detailed drawing of the micro-feed mechanism for the cutting work-piece of single abrasive particle再將mega-fab 交流伺服驅(qū)動器連接實驗室電腦，應(yīng)用lightening軟件對動子平臺進行微進給控制，實現(xiàn)劃擦工件的慢速移動，控制界面如圖3-3所示。圖3-3 軟件控制界面fig.3-3 control interface of the lightening software控制界面主要控制參數(shù)細(xì)節(jié)如圖3-4所示，通過設(shè)置點對點移動的極限位置p1、p2可以控制劃擦工件的移動距

43、離，設(shè)置電機速度可以調(diào)整不同組試驗的劃擦速度條件。圖3-4 直線電機控制界面細(xì)節(jié)圖fig.3-4 the detailed drawing of control interface of the linear motor3.2 劃擦試驗工件的制備3.2.1 試樣的加工及表面處理劃擦工件選用三塊齒輪鋼及一塊藍(lán)寶石試樣，為保證試樣的平面度，對試樣的兩個端面進行精磨及拋光。對于藍(lán)寶石試樣，用專用夾具將其加緊在如圖3-5所示的精密平面磨床上，選用2000#樹脂金剛石砂輪先在動平衡實驗機上調(diào)整動平衡，當(dāng)檢測的不平衡重量小于0.08g時調(diào)整完畢，將校正好的砂輪裝上精密平面磨床對藍(lán)寶石試樣進行精磨，直至劃擦

44、平面的表面粗糙度達到2m。圖3-5 精密平面磨床fig.3-5 the high precision surface grinding machine對于已加工過的齒輪鋼試樣，使用如圖3-6所示的金相磨拋機拋光，用800c砂紙和紅色絨布拋光，直至試樣劃擦平面達到鏡面級別。圖3-6 金相磨拋機fig.3-6 metallographic polishing machine3.2.2 劃擦試驗標(biāo)準(zhǔn)試塊的制作鑒于劃擦工件尺寸與機構(gòu)設(shè)計時差異較大，因此改變劃擦工件設(shè)計方案，將劃擦工件固定在立方體標(biāo)準(zhǔn)墊塊上以達到設(shè)計要求的劃擦高度。試樣的高度的固定考慮到應(yīng)滿足粘著力遠(yuǎn)大于劃擦切向力且需要易于將劃擦工件從

45、墊塊上取下，故將標(biāo)準(zhǔn)墊塊放于實驗室數(shù)顯電熱板上加熱至90度，用石蠟塊在上端面融化少許，再將劃擦工件放于融化了的石蠟上，待其完全冷卻便完成了劃擦工件的固定，如圖3-7所示。圖3-7中碳鋼實驗試樣fig.3-7 medium-carbon steel experimental sample3.3 劃擦試驗結(jié)果本試驗選取三塊齒輪鋼及一塊藍(lán)寶石試樣進行劃擦試驗，對如圖3-8所示的試樣塊進行數(shù)據(jù)分析。 圖3-8 劃擦試樣效果圖fig.3-8 the working sketch of the scratched samples（1）第一塊齒輪鋼試樣的劃痕實驗測定不同速度下90金剛石壓頭在近似切深條件下的

46、受力情況及試樣的摩擦系數(shù)，如圖3-9所示壓頭在0.5mm/s速度下的受力情況及劃痕的溝槽形貌：溝槽寬度90m，溝槽高度6m。圖3-9 0.5mm/s速度下90壓頭的劃痕分析表fig.3-9 the analysis table of the scratch trace under 0.5mm/s speed with 90 degree indenter如圖3-10所示90金剛石壓頭在0.2mm/s速度下的受力情況及劃痕的溝槽形貌：溝槽寬度140m，溝槽高度10m。圖3-10 0.2mm/s速度下90壓頭的劃痕分析表fig.3-10 the analysis table of the scra

47、tch trace under 0.2mm/s speed with 90 degree indenter如圖3-11所示90金剛石壓頭在0.1mm/s速度下的受力情況及劃痕的溝槽形貌：溝槽寬度140m，溝槽高度12m。圖3-11 0.1mm/s速度下90壓頭的劃痕分析表fig.3-11 the analysis table of the scratch trace under 0.1mm/s speed with 90 degree indenter基于第一塊齒輪鋼試樣的三組試驗數(shù)據(jù)，計算得到各個劃擦速度下齒輪鋼試樣的摩擦系數(shù)，如圖3-12擬合其摩擦系數(shù)發(fā)現(xiàn)：不同速度下的齒輪鋼試樣的摩擦系數(shù)

48、近似約等于0.1365，其相關(guān)系數(shù)為0.99，證明了在相同條件下，速度對材料摩擦系數(shù)并無影響。圖3-12 速度條件對中碳鋼試樣摩擦系數(shù)影響的研究fig.3-12 the research for the influence between speed and friction coefficient of the medium-carbon steel sample （2）第二塊齒輪鋼試樣的劃痕試驗測定不同速度下120金剛石壓頭在近似切深條件下的受力情況及試樣的摩擦系數(shù)，如圖3-13所示壓頭在0.5mm/s速度下的受力情況及劃痕的溝槽形貌：溝槽寬度120m，溝槽高度7m。圖3-13 0.5mm

49、/s速度下120壓頭的劃痕分析表fig.3-13 the analysis table of the scratch trace under 0.5mm/s speed with 120 degree indenter如圖3-14所示120金剛石壓頭在0.2mm/s速度下的受力情況及劃痕的溝槽形貌：溝槽寬度140m，溝槽高度12m。圖3-14 0.2mm/s速度下120壓頭的劃痕分析表fig.3-14 the analysis table of the scratch trace under 0.2mm/s speed with 120 degree indenter 如圖3-15所示120金

50、剛石壓頭在0.1mm/s速度下的受力情況及劃痕的溝槽形貌：溝槽寬度170m，溝槽高度12m。圖3-15 0.1mm/s速度下120壓頭的劃痕分析表fig.3-15 the analysis table of the scratch trace under 0.1mm/s speed with 120 degree indenter基于第二塊齒輪鋼試樣的三組試驗數(shù)據(jù)，計算得到各個劃擦速度下齒輪鋼試樣的摩擦系數(shù)，如圖3-16擬合其摩擦系數(shù)可以驗證上述結(jié)論：不同速度下的齒輪鋼試樣的摩擦系數(shù)近似約等于0.1423，其相關(guān)系數(shù)為0.99，證明了在相同條件下，速度對材料摩擦系數(shù)并無影響。圖3-16 速度條

51、件對中碳鋼試樣摩擦系數(shù)影響的研究fig.3-16 the research for the influence between speed and friction coefficient of the medium-carbon steel sample 對比圖3-12和3-16可知，120的金剛石壓頭劃擦齒輪鋼試樣的摩擦系數(shù)要大于90壓頭劃擦的摩擦系數(shù)，驗證了劃擦磨粒角度對摩擦系數(shù)的影響。此外，由第一塊和第二塊齒輪鋼試樣劃痕的溝槽分析報告可得：當(dāng)速度相同，切深相近時，120壓頭劃痕的溝槽寬度要大于90壓頭劃痕的溝槽寬度。 （3）第三塊齒輪鋼試樣的劃痕實驗測定不同切深條件下90金剛石壓頭在相

52、同速度0.5mm/s條件下的受力情況及試樣的摩擦系數(shù)。未驗證本劃擦實驗平臺受力數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，同組試驗讀取多個法向力及切向力，如圖3-17所示壓頭在初始法向受力1.96n條件下的受力情況及劃痕的溝槽形貌：溝槽寬度75m，溝槽高度3.4m。圖3-17 初始法向力1.96n條件下90壓頭的劃痕分析表fig.3-17 the analysis table of the scratch trace under 1.96n initial normal force with 90 degree indenter 如圖3-18所示90壓頭在初始法向受力2.94n條件下的受力情況及劃痕的溝槽形貌：溝槽寬度

53、100m，溝槽高度6.67m。圖3-18 初始法向力2.94n條件下90壓頭的劃痕分析表fig.3-18 the analysis table of the scratch trace under 2.94n initial normal force with 90 degree indenter如圖3-19所示90壓頭在初始法向受力3.92n條件下的受力情況及劃痕的溝槽形貌：溝槽寬度100m，溝槽高度7.9m。圖3-19 初始法向力3.92n條件下90壓頭的劃痕分析表fig.3-19 the analysis table of the scratch trace under 3.92n in

54、itial normal force with 90 degree indenter鑒于以上三組不同切深條件下90金剛石壓頭在0.5mm/s速度條件下的受力情況及試樣劃痕構(gòu)造分析可知，三種切深下的平均摩擦系數(shù)分別為0.15601、0.15820、0.15616，平均摩擦系數(shù)數(shù)值相當(dāng)接近，故認(rèn)為切深的大小對材料摩擦系數(shù)也無影響。（4）第四塊藍(lán)寶石試樣的劃痕試驗測定相同切深、相同速度0.5mm/s條件下90金剛石壓頭的受力情況及試樣的摩擦系數(shù)，如圖3-20所示壓頭劃擦藍(lán)寶石試樣的受力情況及劃痕的溝槽形貌。圖3-20 90金剛石壓頭劃擦藍(lán)寶石劃痕分析表fig.3-20 the analysis ta

55、ble of the scratch trace on the al2o3 scratched by 90 degree single diamond indenter 基于第四塊藍(lán)寶石試樣的各組試驗數(shù)據(jù)，計算得到相同切深、相同速度0.5mm/s條件下90金剛石壓頭劃擦藍(lán)寶石的摩擦系數(shù)約為0.199，因此與第一塊齒輪鋼試樣0.5mm/s條件下的試驗數(shù)據(jù)對比能夠驗證以下結(jié)論：相同速度、相同壓頭角度、近似切深條件下，藍(lán)寶石的摩擦系數(shù)大于齒輪鋼的摩擦系數(shù)。3.4試驗結(jié)果討論以上各組試驗通過控制速度、切深、壓頭角度變量以探究材料摩擦系數(shù)和各個變量的關(guān)系。其中切深是控制劃擦前壓頭壓緊在試樣上的初始法向力

56、實現(xiàn)的，初始法向力越大，劃痕的切深越大，各組切深試驗初始法向力為1.96n、2.94n、3.92n和4.9n。但由于劃擦試樣的彈性形變及單顆磨粒進給機構(gòu)各配合的誤差，實際切深增大幅度較小。此外，劃擦工件藍(lán)寶石和齒輪鋼表面質(zhì)量的保證也對試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性起到關(guān)鍵作用，前文提到藍(lán)寶石使用2000#樹脂金剛石砂輪精磨，而齒輪鋼試樣在磨拋機上拋光以保證兩個端面的平面度。另外，試樣加工好后用石蠟固定在墊塊上，這樣又會引入粘著間隙的波動從而影響試樣對光學(xué)平面的平面度。第4章 結(jié)論 通過以上研究可以得出如下結(jié)論：、當(dāng)相同的金剛石壓頭在近似切深條件下劃擦工件時，不同劃擦速度下測出的摩擦系數(shù)近似相等，存在極高的相關(guān)度，并和齒輪鋼的理論摩擦系數(shù)相近，驗證了劃擦速度對材料摩擦