一種球形磨頭預(yù)修硬脆材料摩擦副的高速摩擦測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于摩擦學(xué)測(cè)試及精密與超精密加工領(lǐng)域，具體涉及一種球形磨頭預(yù)修硬 脆材料摩擦副的高速摩擦測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 摩擦磨損發(fā)生在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械、材料切削加工、機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)等場(chǎng)合，摩擦系數(shù)及 磨損歷程對(duì)于零件材料的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷卻潤(rùn)滑方式的選擇等方面具有重要意義。其中 高速摩擦磨損又有著和一般摩擦磨損不同的特征:①高速(線速度大于15m/s)產(chǎn)生的慣性 力會(huì)影響潤(rùn)滑油的附著能力，將潤(rùn)滑油從摩擦區(qū)域擠出或甩出，造成摩擦系數(shù)的增大;②高 速摩擦伴隨著實(shí)際接觸點(diǎn)的劇烈塑性變形，從而增加了接觸點(diǎn)處的材料流動(dòng)，減小了剪切 阻力，進(jìn)而減小了摩擦系數(shù);③高速摩擦中實(shí)際接觸點(diǎn)處的塑性變形導(dǎo)致了熱量的產(chǎn)生和 溫度的上升，增加了摩擦副之間的化學(xué)親和作用，從而增加了摩擦系數(shù)。鑒于高速摩擦物理 過程的復(fù)雜性，高速摩擦磨損已經(jīng)成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題。
[0003] -般摩擦磨損的測(cè)試包括球盤、銷盤、盤盤、四球等各種摩擦方法及其相關(guān)摩擦磨 損試驗(yàn)機(jī)中，摩擦副在摩擦初期產(chǎn)生磨合作用，經(jīng)過一段時(shí)間后摩擦狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn) 定磨損階段，此時(shí)儀器測(cè)量摩擦副的相對(duì)位移、摩擦力等物理量，計(jì)算出摩擦系數(shù)和磨損 率。對(duì)于高速摩擦現(xiàn)有的試驗(yàn)方法存在以下問題:①高速過程中摩擦副實(shí)現(xiàn)磨合過程的條 件較為苛刻，甚至不會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定磨損階段而直接到達(dá)嚴(yán)重磨損階段;②高速摩擦過程的對(duì) 磨工具磨損嚴(yán)重，即使達(dá)到了穩(wěn)定磨損階段，對(duì)磨工具的幾何形狀也已經(jīng)發(fā)生了明顯的改 變，影響了測(cè)試的精度和準(zhǔn)確性;③高速摩擦中高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的巨大慣性力嚴(yán)重影響了 摩擦測(cè)試的精度。因?yàn)樯鲜鰡栴}的限制，現(xiàn)有的商業(yè)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速水平大概 在5000rpm(直徑50mm的摩擦盤），線速度約合7.87m/s，難以達(dá)到高速摩擦的測(cè)試要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供了一種球形磨頭預(yù)修硬脆材料 摩擦副的高速摩擦測(cè)試方法，旨在減少磨合過程，利用球形磨頭對(duì)硬脆材料制成的摩擦盤 進(jìn)行在線修盤，保證摩擦副的形狀精度和相對(duì)位置精度，同時(shí)通過動(dòng)平衡增加摩擦過程的 穩(wěn)定性，力反饋裝置可保證摩擦測(cè)試過程中對(duì)磨工具與摩擦盤間的壓力恒定，從而實(shí)現(xiàn)高 速摩擦測(cè)試。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種球形磨頭預(yù)修硬脆材料摩擦副的摩擦測(cè)試方法，包括：
[0007] 1)將硬脆材料制成的摩擦盤固定在電主軸上，摩擦盤可通過電主軸旋轉(zhuǎn);對(duì)該摩 擦盤進(jìn)行在線動(dòng)平衡；
[0008] 2)采用球形磨頭對(duì)該摩擦盤進(jìn)行修盤，以在摩擦盤表面形成端面跳動(dòng)量?jī)?yōu)于IT1 級(jí)，表面平均粗糙度Ra優(yōu)于10nm的修盤區(qū)域，具體步驟如下：
[0009] 2-1)球形磨頭粗加工修盤：摩擦盤的轉(zhuǎn)速范圍為3000~lOOOOrpm，球形磨頭以 8000~20000rpm的轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)，同時(shí)從摩擦盤外側(cè)以10~50μηι的切深沿摩擦盤徑向進(jìn)給，進(jìn) 給速度范圍為0.4~1.2mm/s，進(jìn)給距離為摩擦盤直徑的1/4~1/2;
[0010] 2-2)球形磨頭精加工修盤：摩擦盤的轉(zhuǎn)速范圍為3000~lOOOOrpm，球形磨頭以 8000~20000rpm的轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)，同時(shí)從摩擦盤外側(cè)以2~ΙΟμπι的切深沿摩擦盤徑向進(jìn)給，進(jìn)給 速度范圍為0.1~〇.3mm/s，進(jìn)給距離為摩擦盤直徑的1/4~1/2;
[0011] 3)將對(duì)磨工具裝夾在連有力反饋裝置的夾具上；
[0012] 4)進(jìn)行摩擦測(cè)試:根據(jù)需測(cè)試的劃擦速度7和修盤區(qū)域內(nèi)測(cè)試點(diǎn)所在的測(cè)試點(diǎn)半
算摩擦盤的設(shè)定轉(zhuǎn)速η;摩擦盤按照設(shè)定轉(zhuǎn)速η轉(zhuǎn)動(dòng)，將對(duì)磨工具移至 測(cè)試點(diǎn)正上方，并下移與摩擦盤接觸，直至摩擦盤與對(duì)磨工具間壓力達(dá)到測(cè)試設(shè)定值，進(jìn)行 摩擦測(cè)試;測(cè)試過程中通過力反饋裝置保證對(duì)磨工具與摩擦盤間壓力保持恒定在測(cè)試設(shè)定 值，同時(shí)通過測(cè)量系統(tǒng)采集劃擦過程中的數(shù)據(jù)。
[0013] -實(shí)施例中:所述對(duì)磨工具為摩擦球或摩擦銷。
[0014] 一實(shí)施例中：所述摩擦盤為圓盤形。
[0015] 一實(shí)施例中：所述測(cè)量系統(tǒng)為測(cè)力和聲發(fā)射系統(tǒng)，包括相互信號(hào)連接的測(cè)力儀、聲 發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)放大器;所述對(duì)磨工具與測(cè)力儀和聲發(fā)射系統(tǒng)相連接。
[0016] 一實(shí)施例中：所述測(cè)力儀的固有頻率高于4ΚΗΖ，測(cè)力精度優(yōu)于0.01Ν。
[0017] -實(shí)施例中:所述數(shù)據(jù)采集卡的采樣速度高于2M/s。
[0018] 一實(shí)施例中：所述步驟2)中，修盤時(shí)球形磨頭的進(jìn)給距離小于摩擦盤半徑，修盤區(qū) 域?yàn)閳A環(huán)形。
[0019] -實(shí)施例中：所述步驟2)中，修盤時(shí)摩擦盤的旋轉(zhuǎn)方向與球形磨頭的旋轉(zhuǎn)方向相 同或相反。
[0020] -實(shí)施例中:所述球形磨頭軸線平行于摩擦盤旋轉(zhuǎn)軸線。
[0021 ] -實(shí)施例中：修盤的同時(shí)對(duì)球形磨頭和摩擦盤進(jìn)行冷卻。
[0022] 除有說明外，本發(fā)明所涉及的各裝置的單一處理過程以及各裝置間的連接方式均 為本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)，在此不加以詳細(xì)描述。
[0023] 本技術(shù)方案與【背景技術(shù)】相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 本發(fā)明的測(cè)試方法通過動(dòng)平衡避免了摩擦盤高速旋轉(zhuǎn)過程中的大幅端面跳動(dòng)或 徑向跳動(dòng)，從而增加摩擦過程的穩(wěn)定性；同時(shí)，利用球形磨頭對(duì)摩擦盤進(jìn)行在線加工，保證 摩擦副的形狀精度和相對(duì)位置精度，從而保證了摩擦副間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度，減少摩擦副的 磨合過程，降低磨損;再配合力反饋裝置保證摩擦測(cè)試過程中對(duì)磨工具與摩擦盤間的壓力 恒定，進(jìn)一步保證了測(cè)試的精度和準(zhǔn)確性，能夠?qū)崿F(xiàn)高速摩擦測(cè)試。
【附圖說明】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0026]圖1為本發(fā)明的測(cè)試方法原理示意圖。
[0027]圖2為本發(fā)明的修盤過程原理示意圖。
[0028]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中修盤前后摩擦盤表面三維形貌的對(duì)比，其中圖3a為修盤前 (經(jīng)常規(guī)平面精磨工藝加工），圖3b為修盤后。
[0029] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中修盤前后摩擦盤表面端面跳動(dòng)量的對(duì)比，其中圖4a為修盤 前(經(jīng)常規(guī)平面精磨工藝加工），其端面跳動(dòng)量最大值可達(dá)29. Ιμπι;圖4b為修盤后，其端面跳 動(dòng)量最大值為9·1μπι。
[0030] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例2得到的摩擦系數(shù)曲線，其中橫坐標(biāo)為摩擦?xí)r間，縱坐標(biāo)為摩 擦系數(shù)。
[0031 ]附圖標(biāo)記:摩擦盤1，真空吸盤2，摩擦球3，修盤區(qū)域4，夾具5，力反饋裝置6，球形磨 頭，7。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面通過實(shí)施例具體說明本發(fā)明的內(nèi)容：
[0033] -種球形磨頭預(yù)修硬脆材料摩擦副的高速摩擦測(cè)試方法，所采用的裝置包括：
[0034] 機(jī)床，圓盤形硬脆材料制成的摩擦盤1通過真空吸盤2裝接在機(jī)床的電主軸上，且 摩擦盤1可通過電主軸旋轉(zhuǎn)；
[0035] 動(dòng)平衡儀，用于對(duì)摩擦盤1進(jìn)行在線動(dòng)平衡；
[0036] 球形磨頭7，用于對(duì)摩擦盤1端面進(jìn)行修盤;該球形磨頭7可裝拆地裝接在支架，并 通過支架可移動(dòng)地裝接在機(jī)床;球形磨頭7軸線平行于摩擦盤1旋轉(zhuǎn)軸線；
[0037] 對(duì)磨工具，為摩擦球或摩擦銷，裝夾在連有力反饋裝置6的夾具5上;該夾具5可裝 拆地裝接在支架，并通過支架可移動(dòng)地裝接在機(jī)床;對(duì)磨工具可以通過夾具5和支架在摩擦 盤1旋轉(zhuǎn)的軸向方向和徑向方向上移動(dòng)，且在兩個(gè)方向的定位精度越高越好，最好優(yōu)于ο.?μ m;該力反饋裝置6為壓力-位移反饋調(diào)節(jié)裝置，可通過檢測(cè)對(duì)磨工具與摩擦盤1間壓力變化， 反饋性地通過夾具5對(duì)對(duì)磨工具在軸向方向上的高度進(jìn)行微調(diào)，從而保證對(duì)磨工具與摩擦 盤1間壓力能夠保持恒定；
[0038]測(cè)量系統(tǒng)，為測(cè)力和聲發(fā)射系統(tǒng)，包括相互信號(hào)連接的測(cè)力儀、聲發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)據(jù) 采集卡和信號(hào)放大器;該對(duì)磨工具與測(cè)力儀和聲發(fā)射系統(tǒng)相連接;數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)連接計(jì) 算機(jī);測(cè)力儀的固有頻率高于4KHz，測(cè)力精度優(yōu)于0.01N;所述數(shù)據(jù)采集卡的采樣速度高于 2M/s〇
[0039] 冷風(fēng)機(jī)：用于對(duì)修盤過程中的球形磨頭和摩擦盤，以及劃擦過程中的對(duì)磨工具和 摩擦盤進(jìn)行吹風(fēng)冷卻。
[0040] 具體測(cè)試方法如下：
[0041] 1)將6英寸(直徑約150mm)的藍(lán)寶石晶圓即摩擦盤1用真空吸盤2裝夾固定在機(jī)床 的電主軸上，摩擦盤1可通過電主軸旋轉(zhuǎn);用動(dòng)平衡儀對(duì)該摩擦盤1進(jìn)行在線動(dòng)平衡，以減少 摩擦盤1在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)，從而保證劃擦過程中對(duì)磨工具和摩擦盤1能穩(wěn)定地接觸；
[0042] 2)采用球形磨頭7對(duì)該摩擦盤1進(jìn)行修盤，先進(jìn)行粗加工，再進(jìn)行精加工，以在摩擦 盤1表面形成端面跳動(dòng)量3μπι，表面平均粗糙度Ra 10nm的圓環(huán)形修盤區(qū)域4,以降低摩擦盤1 端面跳動(dòng)量，提高表面質(zhì)量，進(jìn)一步保證劃擦過程中對(duì)磨工具和摩擦盤1能穩(wěn)定地接觸;具 體步驟如下：
[0043] 2-1)球形磨頭粗加工修盤:修盤的同時(shí)開啟冷風(fēng)機(jī)，使冷風(fēng)對(duì)準(zhǔn)球形磨頭7和摩擦 盤1進(jìn)行冷卻，修盤時(shí)摩擦盤1的轉(zhuǎn)速為3000rpm，球形磨頭7以lOOOOrpm的轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)，同時(shí)從 摩擦盤1外側(cè)以1〇μπι的切深沿摩擦盤徑向進(jìn)給，進(jìn)給速度范圍為0.4~1.2mm/s，進(jìn)給距離為 45mm；
[0044] 2-2)球形磨頭精加工修盤:修盤的同時(shí)開啟冷風(fēng)機(jī)，使冷風(fēng)對(duì)準(zhǔn)球形磨頭7和摩擦 盤1進(jìn)行冷卻，修盤時(shí)摩擦盤1的轉(zhuǎn)速為3000rpm，球形磨頭7以lOOOOrpm的轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)，同時(shí)從 摩擦盤外側(cè)以2μπι的切深沿摩擦盤徑向進(jìn)給，進(jìn)給速度范圍為0.1~0.3mm/s，進(jìn)給