一种CBN刀具预修黑色金属试件的单颗磨?；量焱２馐苑椒?/invention-title>技术领域
本发明属于机械加工中的材料性能测试及精密与超精密加工领域，具体涉及一种
CBN刀具预修黑色金属试件的单颗磨?；量焱２馐苑椒?。
背景技术
快停测试方法也叫快速落刀测试方法，是指利用外力使刀具或磨粒迅速离开切削
或磨削区域，从而“冻结”在刀具或磨粒退出瞬时与试件的接触状态，保持试件材料变形瞬
间的状态被记录下来，并且不被后续的加工过程破坏。这个变形瞬间可以通过后续的金相
制样和显微观察进行更深入的分析。这种方法可以深入研究切削或磨削过程中的材料去除
机理，在金属切削领域已有多种快停装置被开发出来，相应的测试结果也在相关论文中有
报道，但是在磨削领域中，用于单颗磨?；恋目焱２馐苑椒ɑ刮醇ǖ?。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种CBN刀具预修黑色金属
试件的单颗磨?；量焱２馐苑椒?，通过使安装磨粒的工具头迅速脱离磨粒和试件的接触
区域，实现单磨?；凉讨心チ：褪约哟プ刺摹岸辰帷?，通过金相制样及相应的显微
观察，可以更好的了解磨粒去除材料过程中的材料变形、已加工表面形成、界面摩擦等相关
机理，进而为磨削等磨粒加工过程材料去除机理的深入研究提供手段。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种CBN刀具预修黑色金属试件的单颗磨?；量焱２馐苑椒?，包括：
1)将黑色金属试件固定在电主轴上，试件可通过电主轴旋转；对该试件进行在线
动平衡；
2)采用CBN单点刀具对该试件进行修盘，以在试件表面形成端面跳动量优于IT1
级，表面平均粗糙度Ra优于10nm的修盘区域，具体步骤如下：
2-1)CBN单点刀具粗加工修盘：立式车削模式，修盘的同时对CBN单点刀具和试件
进行冷却，修盘时试件的转速范围为2000～10000rpm，CBN单点刀具从试件外侧以10～50μm
的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.4～1.2mm/s，进给距离为试件直径的1/4～1/2；
2-2)CBN单点刀具精加工修盘：立式车削模式，修盘的同时对CBN单点刀具和试件
进行冷却，修盘时试件的转速范围为2000～10000rpm，CBN单点刀具从试件外侧以2～10μm
的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.1～0.3mm/s，进给距离为试件直径的1/4～1/2；
3)CBN单点刀具触碰对刀仪，确定修盘区域与对刀仪对刀平面的高度差h0；将CBN
单点刀具更换为顶端固接有单颗磨粒的工具头，工具头顶端的磨粒触碰对刀仪，再将工具
头沿试件旋转的轴向方向上移h0+δ，以使工具头顶端的磨粒位于试件修盘区域上方δ处，完
成对刀；
4)将工具头移至修盘区域的划擦点正上方，并下移δ+ap以使划擦深度为ap；根据需
测试的划擦速度v和划擦点所在的划擦半径R，通过计算试件的设定转速n；试件
按照设定转速n转动，且工具头沿径向进给，以使磨粒在修盘区域划擦形成螺旋形划痕，划
擦过程中工具头瞬间与试件脱离，脱离瞬间工具头顶端的瞬时线速度高于试件转动线速
度，以“冻结”脱离瞬间磨粒与试件的接触状态；此过程中通过与工具头相连的测量系统采
集划擦过程中的数据；划擦的同时对工具头和试件进行冷却。
一实施例中：所述磨粒为金刚石、CBN、氧化物陶瓷或氮化物陶瓷，磨粒形状为球
形、圆锥形或多棱锥形；该磨粒通过机械夹持、电镀或钎焊固接在工具头顶端；所述工具头
为压头。
一实施例中：所述试件为圆盘形；由于测试时端面半径较小部分线速度较小，不能
实现较高的划擦速度，为了提高效率，修盘时球形磨头进给距离小于试件半径，使得所述修
盘区域为圆环形。
一实施例中：所述测量系统为测力和声发射系统，包括相互信号连接的测力仪、声
发射系统、数据采集卡和信号放大器；所述工具头与测力仪和声发射系统相连接。
一实施例中：所述测力仪的固有频率高于4KHz，测力精度优于0.01N；所述数据采
集卡的采样速度高于2M/s。
一实施例中：所述步骤2)中，所述修盘区域为圆环形。
一实施例中：所述工具头在沿试件旋转的轴向方向和径向方向的定位精度均优于
0.1μm。
一实施例中：所述对刀仪的定位精度优于0.1μm。
一实施例中：所述步骤4)中，工具头通过高刚度弹簧或气动冲头瞬间与试件脱离。
一实施例中：所述工具头轴线平行于试件旋转轴线。
除有说明外，本发明所涉及的各装置的单一处理过程以及各装置间的连接方式均
为本领域常规技术，在此不加以详细描述。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1.本发明的单颗磨?；量焱２馐苑椒?，在划擦过程中，使安装磨粒的工具头迅
速脱离磨粒和试件的接触区域，实现单磨?；凉讨型牙胨布淠チ：褪约哟プ刺?br />“冻结”，通过显微观察，可以更好的了解磨粒去除材料过程中的材料变形、已加工表面形
成、界面摩擦等相关机理，进而为磨削等磨粒加工过程材料去除机理的深入研究提供手段。
2.本发明对主轴-试件系统进行在线动平衡，避免了高速旋转过程中的大幅端面
跳动或径向跳动，从而保持磨粒和试件间的稳定接触状态；同时，利用CBN车刀超精密加工
技术对试件进行在线加工，同时提高了试件的形状精度和表面光洁度，提升了试件回转精
度和磨粒运动精度，从而保证了磨粒和试件间的相对运动精度，配合动平衡，进一步保证了
磨粒和试件之间在较长划擦距离上能够持续稳定接触，从而实现磨粒的高速高精度划擦测
试，进而保证快停测试的准确性。
3.按照本领域的常识，试件的已加工表面质量必须优于相关磨削工艺得到的表面
质量，最好高出一个数量级，得到的划痕测试结果才能用于磨削过程去除机理的分析；由于
本发明大大提升了试件表面的质量，因此能够满足磨削过程去除机理等高精度分析的要
求，可用于摩擦磨损过程及磨削加工中材料去除机理的研究。
4.磨?；辽疃却笥谑约砻嫫鸱潭鹊?倍以上才能保证划擦的稳定性，由于
本发明大大提升了试件表面的质量，试件表面精度和光洁度好，即使是小粒度的磨粒也能
实现稳定高精度划擦，因此可以用于小粒度磨粒的单颗磨?；敛馐?，进一步拓展了本发
明的应用范围，也是对本行业单颗磨?；潦匝榧际醯募蟠俳?。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的测试方法原理示意图。
图2为本发明的修盘过程原理示意图。
图3为本发明的快停原理示意图，其中图3b为图3a中A处放大示意图，也为“冻结”
磨粒与试件脱离瞬间示意图。
图4为本发明实施例1中修盘前后试件表面三维形貌的对比，其中图4a为修盘前
(经常规精车工艺加工)，图4b为修盘后。
图5为本发明实施例1中修盘前后试件表面端面跳动量的对比，其中图5a为修盘前
(经常规精车工艺加工)，其端面跳动量最大值可达17.9μm；图5b为修盘后，其端面跳动量最
大值为2.8μm。
图6为本发明实施例1中划痕的SEM照片和三维形貌示意图。
图7为本发明实施例1中磨粒与试件脱离瞬间即划痕最前端被“冻结”区域的三维
形貌示意图。
图8为本发明实施例1中磨粒与试件脱离瞬间即划痕最前端被“冻结”区域的二维
截面形貌示意图。
图9为本发明对比例中修盘区域和未修盘区域的单颗磨粒连续划擦快停测试结果
示意图。
附图标记：试件1，工具头2，修盘区域3，对刀仪4，CBN车刀5。
具体实施方式
下面通过实施例具体说明本发明的内容：
实施例1
一种CBN(立方氮化硼)刀具预修黑色金属试件的单颗磨粒连续划擦测试方法，所
采用的装置包括：
机床，圆盘形黑色金属试件1装接在机床的电主轴上，且试件1可通过电主轴旋转；
动平衡仪，用于对试件1进行在线动平衡；
CBN单点刀具，为CBN单点车刀5，用于对试件1端面进行修盘；该CBN单点车刀5可装
拆地装接在支架，并通过支架可移动地装接在机床；
工具头2，用于进行划擦测试；该工具头2顶端固接有单颗的磨粒；该工具头2可与
CBN单点刀具相替换装拆地装接在支架，并通过支架可移动地装接在机床；工具头2与高刚
度弹簧或气动冲头相连，通过高刚度弹簧或气动冲头实现工具头2与试件1的瞬间脱离；工
具头2轴线平行于试件1旋转轴线，工具头2可以在试件1旋转的轴向方向和径向方向上移
动，且在两个方向的定位精度均优于0.1μm；
对刀仪4，用于对CBN单点刀具和工具头2进行对刀，定位精度优于0.1μm；装接在机
床，并与试件1间的相对位置保持固定；
测量系统，为测力和声发射系统，包括相互信号连接的测力仪、声发射系统、数据
采集卡和信号放大器；该工具头2与测力仪和声发射系统相连接；数据采集卡信号连接计算
机；
冷风机：用于对修盘过程中的CBN单点刀具和试件，以及划擦过程中的工具头和试
件进行吹风冷却。
具体测试方法如下：
1)将直径400mm、厚度20mm的45钢圆盘形试件1用磁力吸盘或机械夹具等方式固定
在机床的电主轴上，试件1可通过电主轴旋转；用动平衡仪对该试件1进行在线动平衡，以减
少试件1在高速旋转时的振动，从而保证划擦过程中磨粒和试件1能稳定地接触；
2)采用CBN单点车刀5对该试件1进行修盘，先进行粗加工，再进行精加工，以在试
件1表面形成端面跳动量5.1μm，表面平均粗糙度Ra4.57nm的圆环形修盘区域3，以降低试
件1端面跳动量，提高表面质量，进一步保证划擦过程中磨粒和试件1能稳定地接触，具体步
骤如下：
2-1)CBN单点车刀粗加工修盘：立式车削模式，修盘的同时开启冷风机，使冷风对
准CBN单点车刀5和试件1进行冷却，修盘时试件1的转速为3000rpm，CBN单点车刀5从试件1
外侧以10μm的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.4～1.2mm/s，进给距离为100mm；
2-2)CBN单点车刀精加工修盘：立式车削模式，修盘的同时开启冷风机，使冷风对
准CBN单点车刀5和试件1进行冷却，修盘时试件1的转速为3000rpm，CBN单点车刀5从试件1
外侧以2μm的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.1～0.3mm/s，进给距离为100mm；
必要时可重复多次修盘以使试件端面达到上述表面质量。
修盘前后试件1表面三维形貌和端面跳动量的对比分别见图4和图5；
3)CBN单点车刀5触碰对刀仪4，确定修盘区域3与对刀仪4对刀平面的高度差h0；将
CBN单点车刀5从支架上取下，更换为顶端钎焊有单颗半径0.04mm的球形磨粒的工具头2，工
具头2顶端逐渐靠近对刀仪4，当测量系统数据产生突变时表示工具头2顶端的磨粒刚好触
碰对刀仪4对刀平面，再将工具头2沿试件旋转的轴向方向上移h0+δ，以使工具头2顶端的磨
粒位于试件1修盘区域3上方δ处，完成对刀，从而保证后续测试时能够准确控制划擦深度；
4)将工具头2水平移至修盘区域3的划擦点正上方，并下移δ+ap以使划擦深度为ap；
根据需测试的划擦速度v和划擦点所在的划擦半径R，通过计算试件1的设定转
速n；本实施例之中，n＝10000rpm，划擦速度v为157m/s(对应R＝150mm位置)～209m/s(对应
R＝200mm位置)，划擦深度ap分别设定为6μm；开启冷风机，使冷风对准工具头和试件进行冷
却，试件1按照上述设定转速n转动，且工具头2沿径向以2m/s的速度进给，以使磨粒在修盘
区域3形成间距为200μm的连续螺旋形划痕，划痕圈数大于3个；划擦过程中通过与工具头2
相连的测力仪和声发射系统采集划擦过程中的数据，并通过信号放大器传输至数据采集
卡，再传输至计算机进行计算，可得到划擦力、声发射信号等物理量；划擦过程中，当工具头
2顶端的单颗磨?；林林本段?50mm的圆周上(划擦速度为157m/s)时，工具头2通过高刚
度弹簧或气动冲头瞬间与试件1脱离，且脱离瞬间工具头2顶端的瞬时线速度高于试件1转
动线速度，以“冻结”磨?；凉讨型牙胨布淠チＳ胧约?的接触状态；
需要说明的是，本领域中常用的通过高刚度弹簧或气动冲头使工具头脱离试件的
方式中，工具头固接在高刚度弹簧或气动冲头上，脱离时在高刚度弹簧或气动冲头的带动
下沿圆弧脱离，因此上述脱离瞬间工具头顶端的瞬时线速度指的是脱离瞬间工具头沿圆弧
运动的切向速度，此时的运动方向平行于试件旋转轴线并远离试件。
5)对划痕进行显微观察和三维形貌测量，如图6所示；划痕最前端被“冻结”区域的
三维形貌及其二维截面形貌如图7和图8所示。
根据需要，还可以对单颗磨粒前面被“冻结”的变形区域进行取样、镶嵌、磨光、抛
光和腐蚀，制成金相试样并对金相试样进行显微观察。
本实施例之中，所述测力仪的固有频率高于4KHz，测力精度优于0.01N；所述数据
采集卡的采样速度高于2M/s。
实施例2
本实施例与实施例1所不同之处在于，所述工具头顶端钎焊有单颗半径0.08mm的
球状磨粒，其余同实施例1。
根据需要，所述磨?？梢晕鸶帐?、CBN、氧化物陶瓷或氮化物陶瓷；磨粒形状还可
以为圆锥形或多棱锥形；该磨粒通过机械夹持、电镀或钎焊固接在工具头顶端；所述工具头
可以为压头或其他的固结磨粒形式。
根据需要，修盘的参数在如下范围内调整并进行一次或多次修盘，可在试件表面
形成端面跳动量优于IT1级，表面平均粗糙度Ra优于10nm的修盘区域：
2-1)CBN单点刀具粗加工修盘：立式车削模式，修盘的同时对CBN单点刀具和试件
进行冷却，修盘时试件的转速范围为2000～10000rpm，CBN单点刀具从试件外侧以10～50μm
的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.4～1.2mm/s，进给距离为试件直径的1/4～1/2；
2-2)CBN单点刀具精加工修盘：立式车削模式，修盘的同时对CBN单点刀具和试件
进行冷却，修盘时试件的转速范围为2000～10000rpm，CBN单点刀具从试件外侧以2～10μm
的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.1～0.3mm/s，进给距离为试件直径的1/4～1/2。
对比例
取黑色金属试件，经常规精车工艺加工后，将试件表面分为两个区域，其中一个区
域按照本发明的修盘步骤进行修盘，使其表面质量达到端面跳动量优于IT1级，表面平均粗
糙度Ra优于10nm，记为修盘区域；另一区域不进行修盘，记为未修盘区域。
将上述试件采用本发明的测试方法进行单颗磨粒连续划擦快停测试，在相同测试
参数下在修盘区域和未修盘区域上形成划痕，划痕深度很小，可达到微米级，其对比结果如
图9所示，可以看出，在划痕深度很小的情况下，修盘区域的划痕形成连贯的螺旋形，呈均匀
间隔分布，检测其深度方向误差小于1μm/1mm，表明磨粒和试件在修盘区域内的较长划擦距
离上均能持续稳定接触，从而可以实现磨粒的高速高精度划擦快停测试；而未修盘区域的
划痕不能形成连贯螺旋形，划痕间隔不一，划痕深浅、划痕宽度均具有肉眼可见的差异性，
表明磨粒和试件之间无法持续稳定接触，更无法用于磨粒的高速高精度划擦快停测试。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依
本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。