本发明涉及超声振动切削原理试验研究领域，尤其涉及一种超声椭圆振动划擦试验方法。
背景技术：
超声椭圆振动切削是通过单/双激励，在刀具上施加二维振动，以二维振动的刀具切削加工的方法。与传统一维超声振动切削相比，超声椭圆振动切削具有更彻底的分离特性，可实现切削摩擦力反转、变角度切削、两个方向上的变速切削等功能，从而在获得纳米级表面粗糙度同时，显著降低刀具磨损，获得较好的切削质量。
超声椭圆振动切削是以圆或椭圆轨迹高频振动的刀具与工件表面相互作用的复杂过程，加工过程中刀具和工件的接触状态、超声振动状态、接触时间等因素相互影响，使得对超声椭圆振动切削过程的研究变的困难。为了减少不同因素对切削过程的影响，通常采用划擦试验研究超声椭圆振动切削过程，揭示材料去除机理。
现有划擦试验方法和装置多通过单颗粒金刚石压头划过工件表面获得变切深或固定切深的划痕。主要包括三种方案，第一种是采用压痕/划痕仪做试验，划擦速度很低；第二种是将单颗磨粒固定在砂轮外圆柱面或者端面，通过砂轮主轴带动砂轮旋转实现高速划擦；第三种是将金刚石压头作为刀具夹持的车床刀柄上，以车床的进给速度作为划擦速度开展试验。但普通划擦的最大问题在于单颗粒金刚石压头难以表征实际切削状态，划擦精度难以保证，且划擦基准容易变化，制约了从微观尺度上探究超声椭圆振动切削加工过程中起到的作用。
目前，国内外对超声椭圆振动划擦的研究和探索较少，为此，急需设计一种合适的划擦试验方法。
技术实现要素：
为探究超声椭圆振动切削过程材料去除机理，本发明提供了一种超声椭圆振动划擦试验方法，通过本发明实现对金刚石刀具的划擦试验。本发明基于车床主轴c轴功能，配合车床的z轴进给，利用金刚石刀具在切平试样上进行超声椭圆振动划擦试验。该方法不仅可以控制划擦速度、划痕深度以及划痕长度，且采用金刚石刀具可更为准确的表征实际切削状态，实现试件一次装夹定位，试件找平、定基准、划擦依次进行，为接近实际切削情况与高精度划擦试验提供一种可行方法。本发明采用的技术手段如下：
一种超声椭圆振动划擦试验方法，包括如下步骤：将试样安装在超精密车床主轴的真空吸盘上，将金刚石刀具设置在超精密车床z轴上的超声椭圆振动切削装置上，通过机床运行过程中c轴/z轴/x轴参数的改变，完成相应条件下金刚石刀具对试样的超声椭圆振动划擦试验。
进一步地，具体包括如下步骤：
步骤1、确保超精密车床的各个轴系的工作特性正常，待机预热至车床达到热稳定，其中，超精密车床置于预设恒温、恒湿及空气清洁度的超精密加工试验室内；
步骤2、将试样安装在超精密车床主轴的真空吸盘上，完成试样的动平衡调整；
步骤3、将超声椭圆振动切削装置通过高度微调装置安装在超精密车床的z轴上，开启超声椭圆振动切削装置，通过超声电源调整装置两相振动的振幅和相位差，在振动输出满足预设条件下完成对刀；
步骤4、采用端面车削方法，对试件端面进行车削，直到试件表面完全切到，实现表面找平；
步骤5、标记车削最后一刀时，刀具z点位置，作为划擦基准位置；
步骤6、切换车床主轴c轴功能，使得车床由主轴变为c轴；
步骤7、车床c轴带动试样旋转，设定c轴旋转角度，同时，控制x、z轴进给，进行超声椭圆振动划擦试验；
步骤8、控制车床z轴运动，将金刚石刀具退出。
步骤9、关闭超精密车床及超声椭圆振动划擦装置，取下划擦试样，得到不同状态下的超声椭圆振动划痕。
进一步地，所述步骤7中，通过控制c轴旋转速度，以进行不同划擦速度下的超声椭圆振动划擦试验；
通过控制c轴旋转角度，以进行不同划擦长度的超声椭圆振动划擦试验，同时还可实现金刚石刀具多次干涉划擦试验；
通过控制z轴进给速度，实现不同进给梯度下的变切深超声椭圆振动划擦试验；
通过控制z轴进给深度，实现不同划擦深度下的超声椭圆振动划擦试验；
通过控制z轴进给深度，并保持该深度，实现不同划擦深度下的定切深超声椭圆振动划擦试验；
通过控制x轴进给速度，实现螺旋轨迹下的超声椭圆振动划擦试验。
进一步地，所述的超精密加工试验室的温度控制在20±0.1℃，湿度控制在35±5％，洁净度控制在800级以上。
进一步地，所述的超精密加工车床为具有z轴、x轴、主轴/c轴的三轴超精密车床。
进一步地，所述的划擦速度可在超精密车床c轴最大转速内任意选择，划擦深度可以通过超精密车床的z轴进给设定，划擦深度的精度依赖于超精密车床的进给精度，划擦长度可以通过超精密车床c轴的旋转角度设置，同时还可实现金刚石刀具的多次干涉划擦试验。
进一步地，所述的超声椭圆振动切削装置是由纵向振动和弯曲振动合成的椭圆振动轨迹，且每相振动的振幅可通过调整超声电源激励电压行进独立调整，两相振动的相位差也可通过超声电源进行调整，从而实现对超声椭圆振动轨迹的调整。
本发明超声椭圆振动划擦试验方法，与其他单颗粒划擦试验方法对比，本发明具有以下优点：
本发明采用金刚石刀具代替单颗粒金刚石压头，基于车床主轴c轴功能，配合车床的z轴进给，可获得接近实际切削情况下的切削痕迹，有利于从微观尺度上探究超声椭圆振动切削加工过程中起到的作用。
本发明配合车床的z轴进给实现变切深、变速度划擦试验，相比普通划擦试验，该方法可实现高速划擦，且划擦基准定位准确，划擦精度高，实现试件一次装夹定位，试件找平、定基准、划擦依次进行，为实现高精度划擦试验提供一种可行方法。
本发明通过控制c轴旋转速度，可以用于探究不同划擦速度下的超声椭圆振动切削机理。
本发明通过控制c轴旋转角度，可以用于探究不同划擦长度下的超声椭圆振动切削机理，同时还可实现金刚石刀具多次干涉划擦试验。
本发明通过控制z轴进给深度，可以用于探究不同进给梯度下的变切深超声椭圆振动切削机理。
本发明通过控制x轴进给速度，可以用于探究螺旋轨迹下的超声椭圆振动切削机理。
基于上述理由本发明可在超声振动切削原理试验研究领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中超精密加工车床的简易结构示意图，其中1是x轴，2是超精密车床，3是主轴/c轴，4是真空吸盘，5是试样，6是划痕，7金刚石刀具，8是超声椭圆振动切削装置，9是z轴，11是高度微调装置，12是超声电源。
图2是本发明实施例中变切深与定切身划擦示意图。
图3是本发明实施例中划擦角度示意图。
图4是本发明实施例中变切深钨合金试件超声椭圆振动划擦示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本实施例提供了一种超声椭圆振动划擦试验方法，主要装置简图如图1所示，具体包括如下步骤：确保超精密车床2的各个轴系(x轴1、z轴9、主轴/c轴3)的工作特性正常，待机预热至车床达到热稳定，其中，超精密车床2置于预设恒温、恒湿及空气清洁度的超精密加工试验室内；本实施例中超精密加工试验室的温度控制在20±0.1℃，湿度控制在35±5％，洁净度控制在800级以上；
将试样5安装在超精密车床主轴3的真空吸盘4上，完成试样5的动平衡调整；本实施例中试样材料为钨合金95w-3ni-2fe，形状为圆柱状，动平衡调整精度等级为g40；
将超声椭圆振动切削装置8通过高度微调装置11安装在超精密车床2的z轴9上，开启超声椭圆振动切削装置8，通过超声电源12调整装置两相振动的振幅和相位差，谐振频率为40khz，输出的划擦速度方向的振幅为4μm，划痕方向的振幅为2μm，相位差为π/2，待机5分钟，在振动输出较为稳定时完成对刀；
采用端面车削方法，对试件5端面进行车削，直到试件5表面完全切到，实现表面找平；标记车削最后一刀时，刀具z点位置，作为划擦基准位置；
超精密车床2的c轴3带动试样5旋转，设定c轴2的旋转角度，同时控制x轴1、z轴9的进给，配合金刚石刀具7(前角为0°，后角为10°，刀具的刃口半径为1mm，切削钝圆半径小于50nm)，进行超声椭圆振动划擦试验；
控制c轴2的旋转角度，以进行不同划擦长度的超声椭圆振动划擦试验，如图3、图4所示，同时还可实现金刚石刀具多次干涉划擦试验；控制z轴9的进给速度，实现不同进给梯度下的变切深超声椭圆振动划擦试验；控制z轴9的进给深度，实现不同划擦深度下的超声椭圆振动划擦试验；控制z轴9的进给深度，并保持该深度，实现不同划擦深度下的定切深超声椭圆振动划擦试验，如图2所示；控制x轴1的进给速度，实现螺旋轨迹下的超声椭圆振动划擦试验；
划擦速度可在超精密车床2最大转速内任意选择，划擦深度可以通过超精密车床2的轴向进给设定，划擦深度的精度依赖于超精密车床2的进给精度，划擦长度可以通过超精密车床c轴3的旋转角度设置，同时还可实现金刚石刀具7的多次干涉划擦试验；本实施例中划擦参数设置为：θ＝15°-720°，f＝0-8μm，n＝5-25r/min，其中θ为旋转角度，f为进给量，n为主轴转速；
控制超精密车床2的轴向进给，将金刚石刀具7退出；
关闭超精密车床2及超声椭圆振动划擦装置8，取下划擦试样5，得到超声椭圆振动划痕6。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
1.一种超声椭圆振动划擦试验方法，其特征在于，包括如下步骤：将试样安装在超精密车床主轴的真空吸盘上，将金刚石刀具安装在超精密车床z轴上的超声椭圆振动切削装置上，通过机床运行过程中c轴/z轴/x轴参数的改变，完成相应条件下金刚石刀具对试样的超声椭圆振动划擦试验。
2.根据权利要求1所述的超声椭圆振动划擦试验方法，其特征在于，具体包括如下步骤，
步骤1、确保超精密车床的各个轴系的工作特性正常，待机预热至车床达到热稳定，其中，超精密车床置于预设恒温、恒湿及空气清洁度的超精密加工试验室内；
步骤2、将试样安装在超精密车床主轴的真空吸盘上，完成试样的动平衡调整；
步骤3、将超声椭圆振动切削装置通过高度微调装置安装在超精密车床的z轴上，开启超声椭圆振动切削装置，通过超声电源调整装置两相振动的振幅和相位差，在振动输出满足预设条件下完成对刀；
步骤4、采用端面车削方法，对试件端面进行车削，直到试件表面完全切到，实现表面找平；
步骤5、标记车削最后一刀时，刀具z点位置，作为划擦基准位置；
步骤6、切换车床主轴c轴功能，使得车床由主轴变为c轴；
步骤7、车床c轴带动试样旋转，设定c轴旋转角度，同时，控制x、z轴进给，进行超声椭圆振动划擦试验；
步骤8、控制车床z轴运动，将金刚石刀具退出。
步骤9、关闭超精密车床及超声椭圆振动划擦装置，取下划擦试样，得到不同状态下的超声椭圆振动划痕。
3.根据权利要求2所述的超声椭圆振动划擦试验方法，其特征在于，所述步骤7中，通过控制c轴旋转速度，以进行不同划擦速度下的超声椭圆振动划擦试验；
通过控制c轴旋转角度，以进行不同划擦长度的超声椭圆振动划擦试验，同时还可实现金刚石刀具多次干涉划擦试验；
通过控制z轴进给速度，实现不同进给梯度下的变切深超声椭圆振动划擦试验；
通过控制z轴进给深度，实现不同划擦深度下的超声椭圆振动划擦试验；
通过控制z轴进给深度，并保持该深度，实现不同划擦深度下的定切深超声椭圆振动划擦试验；
通过控制x轴进给速度，实现螺旋轨迹下的超声椭圆振动划擦试验。
4.根据权利要求1所述的超声椭圆振动划擦试验方法，其特征在于，所述的超精密加工试验室的温度控制在20±0.1℃，湿度控制在35±5％，洁净度控制在800级以上。
5.根据权利要求1所述的超声椭圆振动划擦试验方法，其特征在于，所述的超精密加工车床为具有z轴、x轴、主轴/c轴的三轴超精密车床。
6.根据权利要求3所述的超声椭圆振动划擦试验方法，其特征在于，划擦速度可在超精密车床c轴最大转速内任意选择，划擦深度可以通过超精密车床的z轴进给设定，划擦深度的精度依赖于超精密车床的进给精度，划擦长度可以通过超精密车床c轴的旋转角度设置，同时还可实现金刚石刀具的多次干涉划擦试验。
7.根据权利要求1所述的超声椭圆振动划擦试验方法，其特征在于，所述的超声椭圆振动切削装置是由纵向振动和弯曲振动合成的椭圆振动轨迹，且每相振动的振幅可通过调整超声电源激励电压行进独立调整，两相振动的相位差也可通过超声电源进行调整，从而实现对超声椭圆振动轨迹的调整。
技术总结