毕业设计（论文）单颗磨粒划擦试验平台的机构设计

1、*大学 毕 业 论 文（科 学 研 究 报 告）题 目 单颗磨粒划擦试验平台 的机构设计 院(系)别 机电及自动化学院 专 业 机械工程及自动化 届 别 2010 学 号 姓 名 指导老师 副教授 *教 务 处 2014年06月摘 要 磨削过程是磨具表面有效磨粒共同完成的微量切削过程，构成砂轮的细小磨粒的切削作用是磨削的基础，因此单颗磨粒磨削的机理研究成为认识复杂磨削机理的一种重要手段。本文设计了单颗磨粒划擦试验平台，主要包括直线划擦运动机构，进给机构，试样夹持机构及软件控制机构等组成，并进行了部件的选型及试验平台的搭建。利用该单颗磨粒划擦试验平台进行了低速划擦中碳钢、蓝宝石试验，观察一定速度

2、范围内不同划擦深度的划痕形貌并进行统计分析，同时s型压力传感器采集和分析了划擦过程中的磨削力，通过试验检测分析单颗磨粒的微量切削过程，从而深入研究复杂的磨削机理。试验结果表明，单颗磨粒划擦速度及划擦深度对材料摩擦系数并无影响；而材料摩擦系数随压头角度增大而增大；划擦磨粒不变时，单颗磨粒的法向磨削力和切向磨削力都随着划痕深度的增加而增加。关键词：单颗磨粒,磨削力,划擦,摩擦系数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 录第1章 绪论11.1选题背景及其意义11.1.1课题研究的背景11.1.2 课题研究的目的及意义21.2国内外研究现状21.2.1 国际动态31.2.2 国内动态31.3课题主要内容及预期目标41.3.1研究的主要内容及关键问题41.3.2 课题研究的预期目标4第2章 单颗磨粒划擦试验平台的搭建52.1 试验平台方案设计52.1.1单颗磨粒磨削试验常用方案52.1.2 试验平台方案的确定62.2 实验平台各机构设计及部件选型72.2.1 平台直线运动机构设计72.2.2划擦工件的固定夹具设计102.2.3 单颗磨粒的进给机构设计112.2.4压头进给机构的固定设计122.2.5

9、拉压力传感器的信号采集142.3划擦平台的整体装配及运动仿真15第3章 金刚石单颗磨粒划擦试验163.1 单颗磨粒划擦试验设备163.2 划擦试验工件的制备183.2.1 试样的加工及表面处理183.2.2 划擦试验标准试块的制作203.3 划擦试验结果213.4试验结果讨论38第4章 结论39致谢40参考文献41第一章 绪论1.1选题背景及其意义1.1.1课题研究的背景磨削加工是硬磨料颗粒作为切削工具去除材料的加工方法，尽管目前硬车削已经代替了很多磨削加工，但由于粘结技术的进步和高级磨料的应用，磨削依然在机械加工方式中保持着及其重要的地位，是机械加工中不可替代而且是逐渐扩展的加工方法。与其它

10、加工方法相比，磨削具有加工精度高、应用范围广、加工表面质量好、自锐性能优良等优点。随着机械产品精度、可靠性和使用寿命的要求不断提高，高硬度、高强度、高耐磨性、高功能性的新型材料的应用增多，给磨削加工提出了许多难题，诸如材料的磨削加工性、已加工表面完整性等问题，函待解决1,2。产品的表面质量关系到产品的使用性能，而且直接影响制造成本和生产效率。磨削机理研究是磨削技术发展的基础，通过理论分析、磨削实验、模拟与仿真，揭示磨削过程诸现象的本质，总结磨削过程中的规律，确定合理的磨削规范与磨削用量，用于指导生产实际2。磨削过程是一个复杂过程，究其本质是大量离散分布在砂轮表面的磨粒完成的滑擦（弹性变形）、耕

11、犁（塑性变形）、切削（形成切屑）作用的综合效果,各种物理、力学现象产生机理复杂2-6。因此，对磨削过程的研究是一个跨学科的问题。对于磨削的研究，大致有两种方式：一是从宏观角度，将砂轮看做一个整体，通过磨削试验来研究磨削力、磨削温度等磨削物理量；二是从介观角度着手，将磨削过程看做是磨具表面大量排列参差不齐，分布不规则的形状各异的磨粒共同完成的切削过程2,7。由于磨粒数量多，几何形状不规则、磨削速度高，每颗磨粒的磨削切深小且不一致等原因，因此磨削是一种多变量的复杂过程，在科学研究中，把复杂现象抽象成一种简化的模式，来进行理论分析和试验，用来探讨一些最本质的问题，是一种常用的方法7。构成砂轮的细小磨

12、粒的切削作用是磨削的基础，单颗磨粒切削作用作为磨削的一种简化模式，成为认识复杂磨削作用的一种重要手段。1.1.2 课题研究的目的及意义单颗磨粒切削实验以及国内外最新研究发现，他们所用设备都是用粒度较大的磨粒粘结在基体盘上。进行切削实验时，磨粒尖端较钝，如果速度太高，磨粒不仅会因受到大的冲击，导致其从基体盘上脱落。此外，因为速度过快，单颗磨粒划擦时间不大于传感器感应时间，从而使采集磨粒受力信号的传感器无法正常稳定的采集到信号，导致实验失败。因此，一般单颗磨粒磨削实验速度远远低于实际的磨削速度，且其结果的重复性不好，切削过程物理量的检测也有很大难度8。这样，设计出具有高精度、高稳定性且磨削速度可达

13、实际磨削速度，能够测出稳定切削过程物理量（例如磨削力）的设备具有重要的研究意义。基于以上单颗磨粒的研究背景，导师及研究生师兄提出了试验工件在试验平台上高速旋转，而单颗磨粒沿径向缓慢进给的研究思路。单颗磨粒缓慢进给使得磨粒到工件中心距变化量可忽略不计，这样可以视为单颗磨粒在工件表面连续高速划擦，十分接近实际磨削过程中磨粒的切削运动。为了验证此方案的可行性，将其分为两部分分步验证。一部分是工件在试验平台上高速旋转，单颗磨粒不动进行划擦试验；另一部分是工件固定不动，刀具缓慢进给的划擦试验。这两部分的试验结果将拟合验证整体设计方案的可行性。本研究课题就是上述试验方案的第二部分，进行工件固定不动，刀具缓

14、慢进给的划擦试验。但是，综合考虑设计方案的合理性及单颗磨粒与试验工件表面平行度的要求，将设计方案改为刀具固定不动，划擦工件缓慢直线运动。1.2国内外研究现状磨削本质上可以归结为砂轮表面每一颗磨粒对被加工材料进行微观切削，因此可以将极其复杂的磨削过程简化为单颗磨粒磨削，这样就可以在不受其他磨粒的影响下，研究单颗磨粒的切削行为，深入探讨磨削机理。正是从这个角度考虑，国内外许多学者采用该方法对磨削过程中的磨屑形成、磨削力、磨粒磨损等进行了研究，获得了许多有价值的研究成果。1.2.1 国际动态美国宇航与（nasa）通过恒定深度单颗磨粒滑擦试验，对sic、金刚石等磨粒切削钛合金、铝合金等航空航天材料的磨

15、屑的变形形态和摩擦系数进行了研究9。日本熊本大学t. matsuo等设计了单颗磨粒微观切削与划擦试验装置10。他们采用粒度为 14/20#的cbn和金刚石磨粒对钢和氧化铝进行了微观切削和划擦试验，研究了磨粒形貌对磨削力和隆起的影响。研究表明，磨削力随磨痕截面积的增大而线性增大，且磨粒顶锥角越大，变化曲线的斜率越大；磨削力大小和隆起大小取决于磨粒的切刃方向。y. ohbuchi采用负前角为-45、-60、-75的cbn和金刚石磨粒分别对 s50c 钢进行了正交切削试验11。磨粒的粒度为 20/24#。他们对切向磨削力和法向磨削力进行了测量。试验结果表明，cbn和金刚石的磨削力有很大差别,cbn的

16、切向磨削力小于金刚石的切向磨削力；磨粒前角对法向磨削力的影响比对切向磨削力的影响更大，且磨粒负前角越大，法向磨削力越大；磨粒负前角增大导致摩擦角减小；在cbn磨粒和金刚石磨粒的磨削表面观察到塑性变形层；在金刚石正交切削试验中，磨粒切刃上的法向压力有可能导致磨削滞留区的形成。德国不莱梅大学e. brinksmeier研究了磨削速度较低的条件下淬火钢磨屑的形成机理12。他采用的方法同样为单颗磨粒划擦。试验中磨削速度和磨屑厚度为主要参数。研究表明，划擦和磨削中磨屑的形成机理相同；当磨削速度较低，磨屑厚度较小时，隆起在金属的塑性变形中占主导地位；当磨削速度较高，磨屑厚度较大时，切削在金属的塑性变形中占

17、主导地位。哈德斯菲尔德大学tahsin tecelli opoz用40/50#的cbn磨粒对en24t钢进行划擦实验，研究了在不同切削刃条件下，材料去除过程中的堆积比、切屑去除强度和磨粒有效切削半径13。研究表明，形状对耕犁和切削过程有很大影响，单切削刃比多切削刃的切削效率高，多切削刃会产生更多的耕犁现象；在整个划擦实验过程中，材料去除在前半段表示的更为明显，此研究结果对磨削过程的优化提供了重要信息。1.2.2 国内动态西北工业大学黄奇、任敬心等最早开展了单颗磨粒磨削的试验研究，他们分别采用立方氮化硼、碳化钨、碳化硅三种磨粒对钛合金进行了单颗磨粒磨削试验14。试验中他们对磨粒切削过程、钛合金的

18、粘附及磨削表面特征进行了研究，并分析了磨粒的磨损特性。结果表明，三种磨粒磨削钛合金均可以形成锯齿状磨屑；相比于碳化钨和碳化硅，cbn 磨粒更适磨削钛合金。大连理工韦秋宁利用单颗金刚石磨粒磨削硅片，探讨硅片的延性域磨削机理8。研究表明：单晶硅的临界切削深度主要取决于磨粒的刃圆半径，磨粒刃圆半径过小或过大都不利于脆性-延性转变。华侨大学林思煌、徐西鹏采用单颗金刚石磨粒划擦普通玻璃，观察不同切深的划痕形貌，同时测量单颗金刚石的磨削力15。研究结果显示，当切削深度较小时，实际划痕宽度与理论宽度有一定的差异性；随着切深的增大，实际宽度与理论宽度的比值趋于恒定；单颗磨粒磨削力随划痕长度的增大而增大。湖南大

19、学言兰16以砂轮表面形貌测量及建模为基础，通过单颗磨粒切削过程有限元仿真，将单颗磨粒切削的机理研究与aisid2淬硬冷作模具钢磨削过程的磨削力、磨削温度以及磨削表面质量联系起来，揭示砂轮状态、磨削工艺参数与磨削表面完整性的联系。1.3课题主要内容及预期目标1.3.1研究的主要内容及关键问题本课题研究旨在设计出高精度、高稳定性的新型磨粒划痕试验平台，对已有划擦试验分类分析，提出优化的划痕试验方案。并对设计中的重要零部件进行刚度校核，加工出实体装配试验平台，在齿轮钢（42crmov）和蓝宝石（al2o3）试样上进行单颗磨粒划擦试验，采集划擦试验中磨粒压头法向及切向力，分析各组试验条件下划痕沟槽的形

20、貌。课题研究中需要解决的关键问题：如何保证刀具与工件的平行度；法向及切向上压力传感器的放置；磨粒压头的微进给机构设计；划擦沟槽形貌分析。1.3.2 课题研究的预期目标优化试验平台的设计方案并完成校核及运动仿真，加工出各零部件后完成单颗磨粒划痕试验平台的搭建，在不同划擦材料、不同切深、不同速度的试验条件下进行划痕试验，通过传感器对磨粒划擦过程中的受力进行稳定采集，计算并对比各组划擦摩擦系数，完成对工件材料划擦沟槽形貌的分析研究。第2章 单颗磨粒划擦试验平台的搭建磨粒在磨具上排列的间距和高低都是随机分布的，且形状及不规律、切学深度存在很大差异，换言之，磨削过程中砂轮表面上磨粒可近似地看作是一把把微

21、小的铣刀齿，其几何形状和角度有很大差异。因此磨削工艺参数、砂轮特性、砂轮的跳动及振动均会对加工质量产生影响，致使磨削情况相差较大，给磨削研究带来困难。故必须把复杂的砂轮磨削过程简化，进行理论分析和试验，而研究单个磨粒的磨削过程就是一种常用的简化模式。试验平台主要由光学平台、直线电机、龙门结构、微分头、传感器及洛氏压头组成。2.1 试验平台方案设计2.1.1单颗磨粒磨削试验常用方案 目前常见的单颗磨粒磨削研究试验方法有四种。（a）钟摆式切削原理将磨粒固定在摆杆或法兰盘上，并以一定的曲率半径回转，磨粒以一定的速度切入工件然后离开，即可生成深度变化的沟槽。用这种方法划出的划痕较短，其深度变化取决于磨

22、粒切削刃回转半径，划痕长度一般小于几毫米，速度较低，远低于磨削速度。若提高速度，会导致传感器无法采集到信号或采集的信号不完整。（b）球-盘滑擦切削原理将金刚石涂层球头与传感器连接或者将金刚石颗粒焊接在传感器上，通过给传感器加载，使得金刚石涂层球头或金刚石颗粒与摩擦盘接触，摩擦盘是缓慢旋转的，传感器可以沿摩擦盘径向作小范围进给运动。此装置主要用于确定二个物体之间的摩擦系数，还能根据摩擦球的磨损情况确定磨损率8-11。根据摩擦试验工作原理可知，摩擦实验装置可以用作单颗磨粒的切削试验，但此实验装置采用一般均为超大颗粒金刚石，实验平台振动较大。即使换成小颗粒金刚石，传感器径向进给量非常小，只能做单次实

23、验，实验的可重复性较差。另外，摩擦盘的旋转速度低，远远低于磨削速度。（c）直线滑擦切削原理一般是在纳米划痕试验机上进行的恒压力划痕试验，试验过程中对磨粒施加一恒定载荷，即可在试件表面划出深度恒定的划痕，通过改变载荷的大小即可得到一系列深浅不一的划痕。由于结构限制，恒压力划痕试验的速度一般为每秒钟几毫米，远远低于实际的磨削速度。（d）楔形滑擦切削原理为了生成深度缓慢变化的磨削沟槽，所采取的方法一般是在被切削试件的底面一个薄的垫片以便将试件倾斜一微小角度，采用这种方法得到的划痕深度变化取决于工件倾斜角度大小。 但此装置的速度低，一般远低于磨削速度。图2-1 常用的单颗磨粒切削试验原理图16fig.

24、2-1 the principle diagram of common cutting test with single diamond grit tool162.1.2 试验平台方案的确定鉴于以上几种划擦试验方案可以看出，已有的试验方案多为划擦工件固定，单颗磨粒刀具旋转或者移动，在工件表面产生单颗磨粒划痕。这种试验方案往往磨粒旋转、移动速度过大，因此需要灵敏度极高的测力仪或者传感器才能得到单颗磨粒在划擦过程中的受力变化，否则当测力仪或传感器开始采集信号时磨粒已经离开划擦沟槽。此外，这些划擦试验所得到的划擦沟槽往往过短，如划痕试验机上所做的实验划痕长度在4mm左右，不利于划擦沟槽检测数据的重复

25、性。综上所述，为了能让传感器稳定的采集不同切深下的受力变化，并得到长度适中的划痕，试验平台的设计方案初步定为单颗磨粒固定不动，划擦工件直线运动，如图2-2所示。图2-2 单颗磨粒划痕试验原理图fig.2-2 the schematic diagram for scratching workpiece experiment with single abrasive particle2.2 实验平台各机构设计及部件选型2.2.1 平台直线运动机构设计在单颗磨粒固定不动的条件下，如何实现划擦工件的直线运动呢？基于本试验平台设计要求，划擦工件需要实现平稳的低速直线运动，速度为0.1mm/s左右，并要求

26、划擦工件的上端面和磨粒保证一定的平行度。因此，调研符合要求的进给机构后，选择使用直线电机实现以上功能。管状直线电机(也称杆状直线电机、棒状直线电机、杆状线性马达、管状线性马达)的基本结构是由一个带内置高能永磁体的不锈钢轴定子和一个含有精密无铁芯线圈的滑块动子组成。由于环形绕组可以实现360的磁力线垂直切割，所以定子的磁通均得到了最高效的利用，实现了在其他直线电机中不可能实现的高推力密度和高效率17。在直线电机的选购中有几个重要的问题需要考虑：动子的位移精度及速度精度；对动子移动位移及速度的控制及波动度分析；放置划擦工件的动子滑台及直线电机地板平面的平面度控制；有效推力范围的要求；动子滑台的承载

27、能力要足够大。为满足以上几点性能要求，对直线电机各个部分进行分析以选择选购类型。2.2.1.1 0.1m分辨率光栅光栅尺，也称为光栅尺位移传感器（光栅尺传感器），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。由于实验需要，将检测动子滑台直线位移的标尺光栅固定在满足光栅尺安装平行度要求的大理石直线电机底座（00级）侧面，而将光栅读书头固定在动子滑台侧面，随动子滑台的位移进行位移检测。此直线电机标尺光栅和光栅读头是由英国雷尼绍renishaw公司生产的，规格

28、为分辨率0.1m，实际可达到的相对位移误差小于5m，试验中控制软件对速度及位移的误差检测图可验证此精度。 2.2.1.2 mega-fab 交流伺服驱动器交流伺服驱动器型号为d2-0423-s-b【04代表额定输出功率为400w，2代表电压相位为单相/三相，3代表电压电源（ac）=100v/200v，s代表standard标准控制界面，b代表机框为frameb】，输出电压电流为373v/9.6a，输入电压为110v/220v。试验中，将此交流伺服驱动器连接电脑，通过lightening驱动器控制软件设置参数以控制直线电机的操作模式、位移速度、加速度、原点位置、位移范围等参数，也可实现单点运动控

29、制，并检测速度、位移等参数的波动范围。单颗磨粒划擦试验中，首先设定磨粒对应位置为动子滑台中点，依照划擦工件的宽度在有效行程内设定位移范围，实现在划擦工件上产生一条足够长的沟槽。然后根据事先定好的不同组实验数据先后设定动子滑台的移动速度及磨粒切深值。2.2.1.3 大理石底板（00级）大理石平板平面精度（d为对角线mm，测量温度一般在202）000级=1(1+d/1000)um00级=2(1+d/1000)um0级=4(1+d/1000)um1级=8(1+d/1000)um制作工艺大理石底板采用优质的天然大理石料经机械加工，精研而成。黑色光泽，结构精密质地均匀，稳定性好；强度大、硬度高。并具有：

30、不生锈耐酸碱、不磁化、不变型、耐磨性好等优点，并能在重负荷及一般温度下保持稳定。00级的大理石底板平面度可在光栅尺安装要求范围内，保证标尺光栅安装后，光栅读书头的检测精度。此外，与光学平台的安装足以保证动子滑台和单颗磨粒的平行度要求。2.2.1.4直线电机有效推力及动子滑台承载能力参考已有的划擦研究，单颗磨粒划擦切深较小，法向力一般不大于40n，则可知切向力小于40n。因此，动子滑台的有效推力应大于切向力最大值，故选择额定推力为40n的直线电机；另外，动子滑台的承载能力决定了不影响动子移动速度的条件下，动子滑台可装在的工件质量。在调研后知，满足以上各因素的动子滑台承载能力为100kg，远大于本

31、实验所加载的划擦工件质量。2.2.1.5直线电机型号及厂家选择经大量调研，在能够满足以上试验要求条件下性价比最高的直线电机供应商为深圳市英诺伺服技术有限公司，选择由该公司定制的servo shaft 2506系列直线电机。试验所需直线电机主要参数为：额定推力40 n；峰值推力121n；额定电流2.5a；峰值电流持续时间1s；系统分辨率0.1um；有效行程300mm，如图2-3所示。图2-3servo shaft 2506直线电机fig.2-3 servo shaft 2506 linear motor2.2.2划擦工件的固定夹具设计上述试验思路是将划擦工件固定在动子滑台上，即由直线电机控制划擦

32、工件的直线位移。然而，如何将划擦工件固定在动子滑台上并使传感器可以采集切向力成为了试验平台设计的一个问题。由于需要在划擦工件侧面放置一个拉压力传感器，因此不能将划擦工件设计为阶梯状直接固定在动子滑台上。这样，需设计一个专用夹具装夹工件及拉压力传感器。经观测，动子滑台上已加工有若干标准的螺纹孔，选择其中长间距88、宽间距50的四个m6螺纹孔作为固定专用夹具的基准。初步夹具设计，夹具壁厚为8mm，m6螺钉连接夹具体及传感器（量程5kg），同时夹紧工件。但此夹具体设计使划擦工件宽度过小，无法实现之前提出的设计要求。因此，改良夹具设计如图2-4所示，改良后的装夹效果可使划擦工件宽度达50mm,可以得到

33、足够长度的划痕以便检测及受力信号采集。图2-4 夹具设计效果图fig.2-4 the working sketch of fixture design2.2.3 单颗磨粒的进给机构设计单颗磨粒划擦试验预先设定的几组切深为10 um、20 um、30 um，为实现单颗磨粒可进行易操作的进给功能，将如图2-4所示的洛氏压头（天然金刚石）固定在进给机构上来调节磨粒切深。图2-5 天然金刚石压头（90压头， 120压头）fig.2-5natural diamond indenter(90 degree typed indenter,120 degree typed indenter)首先单颗磨粒选用实

34、验室的两个洛氏压头，压头磨粒角度分别为90和120，如图所示。考虑到压头在进给改变切深的同时，需要有传感器采集划擦过程中磨粒所受的法向力，则将洛氏压头装在拉压力传感器（10kg量程）上，将其视为一个整体，实现了在连续划擦过程中的压力信号连续采集。因此，打有m6中心螺纹孔的另一个传感器端面便成为了与能实现进给功能的部件配合的基准。由上述可知，不同组实验所需切深变化量为10 um的倍数，故进给机构的精度就是10 um。实验中常见的可控制、检测伸长量的仪器就是螺旋测微器，其组成部件微分头的探头伸长量就是靠固定套管上的刻度标控制，旋转套筒便可使探头伸长或缩短一定的长度，操作简单，控制精度较高。选择微分

35、头作为磨粒及传感器的微进给机构会带来一个问题，就是直径6.5mm的探头顶端有2mm厚的硬质合金材料，且探头无螺纹。这样的话，需要在细长杆件的探头顶部加工m6的螺纹。螺纹加工基本的工艺思路是切出探头顶端2mm厚的硬质合金顶头，将直径6.5mm的探头前端长约68mm的部分车/磨至直径6mm，倒角，板牙攻m6螺纹。实际的加工过程是使用精密切割机切出探头顶端的硬质合金材料，用直径1.5mm的中心钻在切出的探头端面打中心孔，在车床上车削探头顶部长为8mm的直径6的杆，再用板牙攻m6的螺纹使其能够和传感器固定，实现磨粒压头的进给功能，如图2-6所示。图2-6金刚石压头夹具及传感器fig.2-6 the c

36、lamp of the diamond indenter and the sensor2.2.4压头进给机构的固定设计上一节完成了压头进给机构的设计，为实现单颗磨粒不动，工件直线位移的目的，需要将压头进给机构固定。由于直线电机固定在光学平台上，光学平台上分布着间距25mm的m6螺纹孔矩阵，因此可以设计一个龙门结构固定在光学平台上便于固定压头进给机构。经测量，微分头探头和套管之间的黑色部分为m12细牙螺纹，螺纹部分长度为15mm，于是可以在龙门结构上端面中心打直径12的通孔，微分头套管和龙门上端面间放置一个垫片以减小配合精度低而产生的晃动，而龙门下端面出用螺母将微分头夹紧，达到单颗磨粒固定的效果

37、。龙门根据实验室平台定位孔间距设定龙门宽度，在不干涉直线电机运动的条件下，选择龙门固定基准孔间距275，且侧壁厚度为8mm。然而龙门结构的设计高度由划擦工件高度，压头进给机构长度等决定。经测量，光学平台至动子滑台平面高度为84.5mm；为提高压头进给机构稳定性，将龙门结构的横梁厚度设计为10mm；微分头套管端面至压头磨粒的高度范围是60，75；夹具设计时，划擦工件高度略大于夹具体高度35mm。因此，龙门结构高度设计为190mm，如图2-7所示。图2-7 龙门设计图fig.2-7 the picture of the blueprint for gantry龙门的强度应用ansys进行校核，固定

38、龙门的两个下断面，在微分头和龙门固定连接出法向加载10n压力，切向加载4n压力，龙门变形如图2-8所示容易看出龙门结构在划擦过程中产生的应力很小，故设计满足强度要求。图2-8 龙门结构等效应力图fig.2-8 the equivalent stress map of the gantry under scratching condition2.2.5拉压力传感器的信号采集本单颗磨粒划擦试验平台在采集划擦过程中法向及切向受力情况使用jlbs型硬币式微小s型拉压力传感器，切向量程为5kg，法向量程为10kg。jlbs-v型拉压力传感器采用了箔式应变片贴在合金钢弹性体上，具有测量精度高、稳定性能好、

39、温度漂移小、输出对称性好、结构紧凑的特点。传感器如图所示，精度为0.1%，灵敏度为1.94 mv/v，蠕变（固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象）为0.05fs/30min，非线性及滞后误差均为0.03 %fs，重复性误差0.02 %fs，零点温度系数及输出温度系数均为0.03 %fs/10，输入阻抗70015 ，输出阻抗65015 ，绝缘电阻5000 m，工作温度范围-20 +70，允许过负荷150 %fs，材料为合金钢。s型拉压力传感器接线连接至配套的仪表xmt808-s显示表，常温下精度为0.2%(fs)，可稳定显示拉压力传感器在划擦过程中所受的压力，便于低速划擦下

40、对试验数据的记录，如图2-9所示。图2-9传感器及显示表fig.2-9 sensor and display2.3划擦平台的整体装配及运动仿真本划擦试验平台的运动仿真应用solidworks，验证整体设计方案的可行性，如图2-10所示。图2-10基于solidworks的试验平台设计及运动仿真fig.2-10 design of the experimental platform and the motion simulation based on solidworks在solidworks软件中首先完成试验平台的整体建模搭建，再设计运动分析，线性马达加载在动子滑台上，线性马达方向指向压头方向

41、，要想对移动的零部件选取不锈钢永磁轴，在设定的两点范围内做直线等速运动，进行单颗磨粒的划擦试验。鉴于solidworks运动仿真效果，初步确定本试验平台的可行性。第3章 金刚石单颗磨粒划擦试验3.1 单颗磨粒划擦试验设备完成实验平台的运动仿真及各个部件的加工后，将整体试验平台搭建如图3-1所示。图3-1 单颗磨粒划擦实验平台照片fig.3-1 the picture of the cutting work-piece experimental platform of single abrasive particle单颗磨粒压头的进给机构细节如图3-2所示。图3-2 单颗磨粒微进给机构细节图fi

42、g.3-2 the detailed drawing of the micro-feed mechanism for the cutting work-piece of single abrasive particle再将mega-fab 交流伺服驱动器连接实验室电脑，应用lightening软件对动子平台进行微进给控制，实现划擦工件的慢速移动，控制界面如图3-3所示。图3-3 软件控制界面fig.3-3 control interface of the lightening software控制界面主要控制参数细节如图3-4所示，通过设置点对点移动的极限位置p1、p2可以控制划擦工件的移动距

43、离，设置电机速度可以调整不同组试验的划擦速度条件。图3-4 直线电机控制界面细节图fig.3-4 the detailed drawing of control interface of the linear motor3.2 划擦试验工件的制备3.2.1 试样的加工及表面处理划擦工件选用三块齿轮钢及一块蓝宝石试样，为保证试样的平面度，对试样的两个端面进行精磨及抛光。对于蓝宝石试样，用专用夹具将其加紧在如图3-5所示的精密平面磨床上，选用2000#树脂金刚石砂轮先在动平衡实验机上调整动平衡，当检测的不平衡重量小于0.08g时调整完毕，将校正好的砂轮装上精密平面磨床对蓝宝石试样进行精磨，直至划擦

44、平面的表面粗糙度达到2m。图3-5 精密平面磨床fig.3-5 the high precision surface grinding machine对于已加工过的齿轮钢试样，使用如图3-6所示的金相磨抛机抛光，用800c砂纸和红色绒布抛光，直至试样划擦平面达到镜面级别。图3-6 金相磨抛机fig.3-6 metallographic polishing machine3.2.2 划擦试验标准试块的制作鉴于划擦工件尺寸与机构设计时差异较大，因此改变划擦工件设计方案，将划擦工件固定在立方体标准垫块上以达到设计要求的划擦高度。试样的高度的固定考虑到应满足粘着力远大于划擦切向力且需要易于将划擦工件从

45、垫块上取下，故将标准垫块放于实验室数显电热板上加热至90度，用石蜡块在上端面融化少许，再将划擦工件放于融化了的石蜡上，待其完全冷却便完成了划擦工件的固定，如图3-7所示。图3-7中碳钢实验试样fig.3-7 medium-carbon steel experimental sample3.3 划擦试验结果本试验选取三块齿轮钢及一块蓝宝石试样进行划擦试验，对如图3-8所示的试样块进行数据分析。 图3-8 划擦试样效果图fig.3-8 the working sketch of the scratched samples（1）第一块齿轮钢试样的划痕实验测定不同速度下90金刚石压头在近似切深条件下的

46、受力情况及试样的摩擦系数，如图3-9所示压头在0.5mm/s速度下的受力情况及划痕的沟槽形貌：沟槽宽度90m，沟槽高度6m。图3-9 0.5mm/s速度下90压头的划痕分析表fig.3-9 the analysis table of the scratch trace under 0.5mm/s speed with 90 degree indenter如图3-10所示90金刚石压头在0.2mm/s速度下的受力情况及划痕的沟槽形貌：沟槽宽度140m，沟槽高度10m。图3-10 0.2mm/s速度下90压头的划痕分析表fig.3-10 the analysis table of the scra

47、tch trace under 0.2mm/s speed with 90 degree indenter如图3-11所示90金刚石压头在0.1mm/s速度下的受力情况及划痕的沟槽形貌：沟槽宽度140m，沟槽高度12m。图3-11 0.1mm/s速度下90压头的划痕分析表fig.3-11 the analysis table of the scratch trace under 0.1mm/s speed with 90 degree indenter基于第一块齿轮钢试样的三组试验数据，计算得到各个划擦速度下齿轮钢试样的摩擦系数，如图3-12拟合其摩擦系数发现：不同速度下的齿轮钢试样的摩擦系数

48、近似约等于0.1365，其相关系数为0.99，证明了在相同条件下，速度对材料摩擦系数并无影响。图3-12 速度条件对中碳钢试样摩擦系数影响的研究fig.3-12 the research for the influence between speed and friction coefficient of the medium-carbon steel sample （2）第二块齿轮钢试样的划痕试验测定不同速度下120金刚石压头在近似切深条件下的受力情况及试样的摩擦系数，如图3-13所示压头在0.5mm/s速度下的受力情况及划痕的沟槽形貌：沟槽宽度120m，沟槽高度7m。图3-13 0.5mm

49、/s速度下120压头的划痕分析表fig.3-13 the analysis table of the scratch trace under 0.5mm/s speed with 120 degree indenter如图3-14所示120金刚石压头在0.2mm/s速度下的受力情况及划痕的沟槽形貌：沟槽宽度140m，沟槽高度12m。图3-14 0.2mm/s速度下120压头的划痕分析表fig.3-14 the analysis table of the scratch trace under 0.2mm/s speed with 120 degree indenter 如图3-15所示120金

50、刚石压头在0.1mm/s速度下的受力情况及划痕的沟槽形貌：沟槽宽度170m，沟槽高度12m。图3-15 0.1mm/s速度下120压头的划痕分析表fig.3-15 the analysis table of the scratch trace under 0.1mm/s speed with 120 degree indenter基于第二块齿轮钢试样的三组试验数据，计算得到各个划擦速度下齿轮钢试样的摩擦系数，如图3-16拟合其摩擦系数可以验证上述结论：不同速度下的齿轮钢试样的摩擦系数近似约等于0.1423，其相关系数为0.99，证明了在相同条件下，速度对材料摩擦系数并无影响。图3-16 速度条

51、件对中碳钢试样摩擦系数影响的研究fig.3-16 the research for the influence between speed and friction coefficient of the medium-carbon steel sample 对比图3-12和3-16可知，120的金刚石压头划擦齿轮钢试样的摩擦系数要大于90压头划擦的摩擦系数，验证了划擦磨粒角度对摩擦系数的影响。此外，由第一块和第二块齿轮钢试样划痕的沟槽分析报告可得：当速度相同，切深相近时，120压头划痕的沟槽宽度要大于90压头划痕的沟槽宽度。 （3）第三块齿轮钢试样的划痕实验测定不同切深条件下90金刚石压头在相

52、同速度0.5mm/s条件下的受力情况及试样的摩擦系数。未验证本划擦实验平台受力数据采集的稳定性，同组试验读取多个法向力及切向力，如图3-17所示压头在初始法向受力1.96n条件下的受力情况及划痕的沟槽形貌：沟槽宽度75m，沟槽高度3.4m。图3-17 初始法向力1.96n条件下90压头的划痕分析表fig.3-17 the analysis table of the scratch trace under 1.96n initial normal force with 90 degree indenter 如图3-18所示90压头在初始法向受力2.94n条件下的受力情况及划痕的沟槽形貌：沟槽宽度

53、100m，沟槽高度6.67m。图3-18 初始法向力2.94n条件下90压头的划痕分析表fig.3-18 the analysis table of the scratch trace under 2.94n initial normal force with 90 degree indenter如图3-19所示90压头在初始法向受力3.92n条件下的受力情况及划痕的沟槽形貌：沟槽宽度100m，沟槽高度7.9m。图3-19 初始法向力3.92n条件下90压头的划痕分析表fig.3-19 the analysis table of the scratch trace under 3.92n in

54、itial normal force with 90 degree indenter鉴于以上三组不同切深条件下90金刚石压头在0.5mm/s速度条件下的受力情况及试样划痕构造分析可知，三种切深下的平均摩擦系数分别为0.15601、0.15820、0.15616，平均摩擦系数数值相当接近，故认为切深的大小对材料摩擦系数也无影响。（4）第四块蓝宝石试样的划痕试验测定相同切深、相同速度0.5mm/s条件下90金刚石压头的受力情况及试样的摩擦系数，如图3-20所示压头划擦蓝宝石试样的受力情况及划痕的沟槽形貌。图3-20 90金刚石压头划擦蓝宝石划痕分析表fig.3-20 the analysis ta

55、ble of the scratch trace on the al2o3 scratched by 90 degree single diamond indenter 基于第四块蓝宝石试样的各组试验数据，计算得到相同切深、相同速度0.5mm/s条件下90金刚石压头划擦蓝宝石的摩擦系数约为0.199，因此与第一块齿轮钢试样0.5mm/s条件下的试验数据对比能够验证以下结论：相同速度、相同压头角度、近似切深条件下，蓝宝石的摩擦系数大于齿轮钢的摩擦系数。3.4试验结果讨论以上各组试验通过控制速度、切深、压头角度变量以探究材料摩擦系数和各个变量的关系。其中切深是控制划擦前压头压紧在试样上的初始法向力

56、实现的，初始法向力越大，划痕的切深越大，各组切深试验初始法向力为1.96n、2.94n、3.92n和4.9n。但由于划擦试样的弹性形变及单颗磨粒进给机构各配合的误差，实际切深增大幅度较小。此外，划擦工件蓝宝石和齿轮钢表面质量的保证也对试验数据的准确性起到关键作用，前文提到蓝宝石使用2000#树脂金刚石砂轮精磨，而齿轮钢试样在磨抛机上抛光以保证两个端面的平面度。另外，试样加工好后用石蜡固定在垫块上，这样又会引入粘着间隙的波动从而影响试样对光学平面的平面度。第4章 结论 通过以上研究可以得出如下结论：、当相同的金刚石压头在近似切深条件下划擦工件时，不同划擦速度下测出的摩擦系数近似相等，存在极高的相关度，并和齿轮钢的理论摩擦系数相近，验证了划擦速度对材料摩擦