研磨压力设计.doc

南昌航空大学 创新能力综合训练

航空制造工程学院
创新能力综合训练
研 究 报 告

题 目： 研磨压力控制
所属课题： 平面研磨机设计
学 院： 航空制造工程学院
专业名称： 机械设计制造及其自动化
班级学号： 10031911
学生姓名： 龚益龙
合 作 者： 胡俊鹏、廖宇超
指导教师： 柴京富

二O一三年 十一月
平面研磨机设计研究
学生姓名：龚益龙 班级：10031911
指导老师：柴京富
摘要：这次做的是平面研磨机的设计。首先根据这个研究题目通过网络和资料书查找相关资料，最终通过参考这些资料形成总体精密研磨机的研究方案。完成总体研究方案后分为三个小部分来完成研究，每人负责一部分。
本人负责的部分是研磨压力控制。先分析研磨机的结构及所需要达到的要求，然后根据已掌握的知识设计几个方案，权衡利弊之后从中选出最合适的方案，再对所选的方案参数进行设计，设计完成之后对本次设计进行小结。
关键词: 压力控制，研磨，精度
主要创新点：设计出几种能够控制研磨压力的装置，然后比较着几种装置的优劣势，最后选出最适合的装置，使得压力控制更简便，更准确。

目 录
引 言 2
1.研究方法 3
2.研究结果及分析 4
2.1单面精密研磨机整体设计 4
2.2研磨压力控制设计 6
2.2.1提出方案 6
2.2.2确定方案 7
2.3研磨压力控制的参数设置 9
2.4本章小结 10
结 论 11
参考文献 12

引 言
目前，先进光学玻璃产品的制造正朝着高精度、高性能和高可靠性的方向快速发展，对许多光学玻璃产品部件表面的局部平面度及全局平面度均提出了前所未有的高要求。精密平面研磨加工作为一种精密加工方法，能很好地适应这些高尺寸精度和低表面粗糙度产品的加工需求。无论是机械研磨、化学研磨以及全局平面化学机械抛光技术等，都需要使用高精度高刚度精密研磨抛光机实现高效率加工。当前，我国高档次精密研磨设备设计制造技术水平总体不高，精密的研磨抛光机均还严重依赖于进口，而且价钱非常昂贵。因此，加强我国的高档次光电子材料极限研磨机设计制造技术及其产业化研究，以及相关使用工艺技术研究与开发尤为迫切。

1.研究方法
据相关资料可知可选的研究方法如下：⑴ 观察法 ；⑵ 调查法； ⑶ 测验法 ；⑷ 行动研究法 ；⑸ 文献法 ；⑹ 经验总结法 ；⑺ 个案研究法； ⑻ 案例研究法；⑼ 实验法。
设计本课题有三个组员，根据各自的设计任务不同而选择不同的研究方法。
首先，组员合作采用观察法、文献法和行动研究法进行总体方案的确定。到图书馆查找单面研磨机相关的资料及文献，组员间相互认真阅读，了解单面研磨机领域的发展状况，将各种研磨机的优缺点进行对比，观察研磨机结构。然后根据本课题的零件加工要求，结合各种研磨机原理，取长补短，组员间相互讨论，提出自己的新想法，收集整理，最后构思出单面研磨机的整体方案。根据整体方案对组员进行任务分工。
本人负责研磨压力控制的设计任务。针对压力研磨控制设计，按以下步骤进行研究：
（1） 首先采用案例研究法，通过案例的研究，了解压力控制的要求；
（2） 提出自己的创新点，设计一个压力控制系统；
（3） 接着通过行动研究法和实验法，借助CAD将自己设计的压力控制系统绘制出来，用ANSYS 10.0静力分析软件对系统进行仿真分析；
（4） 确定方案的实际可行性，最后得到可靠的方案。

2.研究结果及分析
2.1单面精密研磨机整体设计
综合国内外同类产品的性能参数，并考虑到设备的应用领域及其性价比，确定设计出的单面研磨机应达到以下要求：
1．主要技术参数：
(1)最低加工表面粗糙度：Ra<5 rim；
(2)最小研磨件表面平面度：≤0．0003mm／1 5mm；
(3)最小研磨厚度：0．1 0turn；
(4)最高加工件厚度一致性：±0．002mm；
2．性价比要求：
在同等加工精度和加工质量情况下，产品加工效率比较高。综合考虑设备主要技术参数及性价比，并结合实际使用要求，分析研磨机须具有相应功能如下：
(1)本设备主要用于光学玻璃、硅片等材料的精密平面研磨抛光，对于不同的材料，最佳的研磨盘转速不同，在不同的研磨阶段，磨盘的速度应控制在一定的范围，同时，为提高机器的刚度，需最大限度的减少减速传动系统的级数，综合可知，机器的动力源不但要速度可控可调，而且必须具有大的
功率；
(2)为降低动力源的振动对机器精度的影响，机器的结构设计中需增加缓振吸振系统；
(3)工件的尺寸精度要达到微米级，这要求带动研磨盘回转的主轴系统的回转精度要达到几百微米到几微米的范围；
(4)研磨盘是研磨工件的载体，在承受加载压力的情况下其自身的变形量不能太大，且为了获得良好的“嵌砂"效果，其材质又不能太硬。因此研磨盘的材料必须软硬适中；
(5)对于不同的加工工件，其被加载的研磨压力是不同的，这要求研磨加压系统的压力值是在一定范围内可控可调；
(6)为减少修整研磨盘的时间，提高生产效率，需增加具有很好的进给直线性和微小切削深度的直线导轨精密微小进给车削修整系统，作为抛光盘修整方式，将原来繁琐耗时的研磨盘修整过程大大的简单化，提高研磨效率；
(7)在研磨晶片等薄脆零件过程中，研磨盘和工件的局部接触区域往往会出现高温，有时甚至可达几百度。局部的高温不但会烧伤零件的表面，形成加工变质层，而且会引起零件和研磨盘的热变形，进而影响零件的面形精度。为消除研磨过程产生的热量所带来的负面影响，需设计冷却系统来对研磨盘进行冷却，使研磨局部高温的负面影响降到最低：
(8)为精确控制加压后研磨盘的实际移动量和研磨厚度，并减少离线手工测量所需的时间，需设计先进的研磨加工过程切除量测量系统来
对研磨去除量进行测量。
综合分析内容，设计研磨机整体布局如下图所示。研磨过程中，工件下表面平放于研磨盘上表面，其上表面作用一夹具，加压系统的压杆压在夹具上表面的半球状孔内。动力系统通过驱动研磨机主轴，带动研磨盘一起作回转运动。研磨盘回转时，工件在压头及夹具的限位作用下，绕着其自身的回转中心线自转。工件围绕自身回转中心线的自转及相对于研磨盘回转中，心线的公转便构成了完整的研磨运动。修整系统可实现水平方向和竖直方向的进给运动，可方便的对研磨盘进行修整。

2.2研磨压力控制设计
2.2.1提出方案
方案一
采用传统的砝码加载的方法来实现研磨压力控制，示意简图如下：

夹具，图中未画出，同时安装架设计成可上下滑动，加载盘未加砝码时，安装架在弹簧的作用下保持在一定的高度。机床装夹好零件后，零件开始加工，通过加载砝码多少，实现研磨压力的控制。

方案二
采用电机动力机械力的转换实现研磨压力控制，示意简图如下：

原理说明：如图示，安装架设计成通过竖直滑槽能在立柱上下滑动，左侧是安装零件的，右侧有齿条。齿条与一个齿轮1配合，齿轮1与其右侧的齿轮2配合，齿轮2与一个皮带轮同轴，同步转动。然后皮带轮通过皮带与正反电机实现传动。这样通过开关控制电机的正反转，调节安装架的竖直位置，向下运动时通过滑移位置的判断，实现对零件的压力控制。

方案三
安装气缸，用气动压力装置实现研磨压力控制，示意简图如下：
原理说明：通过研磨机控制系统的控制，能控制气缸轴上下运动，气缸轴通过连接板与压杆相联，压杆安装于直线轴承中，只能做直线运动。所以，压杆能在气缸轴的带动下顺畅的做竖直方向的直线运动，从而实现对工件的加载和卸载。当需要调节加压装置在竖直方向的高度时，因加压装置安装于安装架上，故只需调节支撑架的高度即可。顺时针或逆时针旋转调节旋钮，安装架即可紧贴着立柱的前端面在竖直方向相应的上升或下降，停止旋转调整旋钮，支撑架即停止在当前位置。
方案四
安装液缸，用液动压力装置实现研磨压力控制，原理图如下

通过溢流阀方式的压力控制阀来得到稳定的压力，通过换向阀来控制加压或者减压，正常工作是溢流阀处于关闭状态，当压力过载时溢流阀开启，使得安装架在特定的位置停止，从而获得所要求的压力。

2.2.2确定方案
比较前面三种方案，方案一，传统的加砝码形式，相比较这种方法是最简便的，只需在零件装夹台上设置一个放砝码的台就能实现，但是砝码中力量太大，零件装夹台是一个悬挂装置，加载过重，时间久了容易导致装夹台后梁变形影响精度，还有加工过程中压力大小改变不了，而且砝码容易腐蚀，精度达不到要求；还有砝码比较笨重，使用人力加载时不但大大的增加了工人的工作量，而且会使工人疲劳，容易产生事故；砝码的重量都是特定的，无法满足在不同工艺情况下所需要的不同加载力；方案二，由于采用机械传动，力的传递通过齿轮和皮带的传递，力的大小很难得到精确的保证,并且机械传动的柔性比较差，很容易损毁加工零件；方案三，气动装置，介质是气体，装置设置简便易于安装，力的大小由气压大小和气缸活塞面积决定，活塞面积是确定的，所以只需改变气压的大小就能改变压力的大小；方案四，采用的是液动压力控制，装置比较复杂，成本比较高，液动装置的密闭性要求高，一旦液体泄漏设备的外表会很脏。
综合三种方案的优缺点，最终选择气动加压系统
加压系统主要包括气缸、压杆、连接板、直线轴承、轴承座等部件。其结构如下图所示。通过研磨机控制系统的控制，能控制气缸轴上下运动，气缸轴通过连接板与压杆相联，压杆安装于直线轴承中，只能做直线运动。所以，压杆能在气缸轴的带动下顺畅的做竖直方向的直线运动，从而实现对工件的加载和卸载。当需要调节加压装置在竖直方向的高度时，因加压装置安装于安装架上，故只需调节支撑架的高度即可。顺时针或逆时针旋转调节旋钮，安装架即可紧贴着立柱的前端面在竖直方向相应的上升或下降，停止旋转调整旋钮，支撑架即停止在当前位置。

2.3研磨压力控制的参数设置
根据同组成员设计的研磨盘受力分析结果，设计研磨压力控制机构。研磨盘作为精密研磨加工中的模具，其面型精度对被加工件的面型精度影响非常大。作为工件被加工平面的加工基准，研磨盘的上表面必须保持较高的平面度。如上节所述，实际际加工中，当工件被作用一加载压力P，研磨盘自身必然会发生变形。但是，在一定的加载条件下，此变形量到底有多大还未见有相应的文献进行报道。如果能研究得出此变形量与对应加载条件之间的关系，从而通过控制加载条件而将此变形量控制在所允许的范围内，则对研磨盘的设计和研磨机的使用具有重要的指导意义。
就整个研磨过程而言，研磨盘的变形是一动态变形过程，属于动力学范畴，分析比较复杂。但是，就某一加载瞬间而言，研磨盘的变形是一静态变形过程，完全可以利用静力学求解方法求出此刻研磨盘在相应加载条件下的最大静态变形量。得到研磨盘若干加载瞬间的最大变形量后，处理这些数据，由之整理出相关图表，对图表进行分析，即可得出研磨盘最大变形量与对应加载条件之间的关系。物体变形的静力学求解方法通常有经典解析法、数值分析法、有限元分析法等。
据这些研究结果，查相关资料得光学玻璃研磨压力控制在6Kpa—12Kpa范围内。据加工要求P取8Kpa，加工的光学玻璃直径为100mm厚度为20mm。
由F=P×S （P压强Mpa；S面积m³）

已知S= 0.05 ²×π=0.0079m³ ， P=8Kpa

得到F=8×1000×0.0079=63.2N

以上求的是研磨光学玻璃时正常的加载力，需要设计相配套的单杆活塞缸。活塞缸的设计尺寸计算。根据压力要求选择HG-250型旋涡气泵，其主要参数如下表：

HG-250型旋涡气泵主要参数
型号
功率(W)
额定电压(V)
额定电(A)
最大正压Kpa
最大流m3/h
最大负压Kpa
转速r/min
HG-250
250
220
1.25
11
60
10
2800

根据加工条件设计加压的行程为200mm，及活塞杆的长度L＞200mm。
另外活塞面积的大小S1，
S1=F／P额=63.2N／11000 pa=0.0057 m³

得到活塞半径r=42.4mm

根据上面的数据参数，再查相关气泵的技术要求，设计下图示的气压缸：

压力控制机构示意图

将设计的压力控制系统与同组成员设计的研磨盘组合，建模。用分析软件进行仿真分析，判断是否符合设计要求。

2.4本章小结
(1)在相同的加载情况下(材料组成，加载半径，加载压力均相同)，研磨盘材料的弹性模量越大，其最大变形量越小；
(2)在加载半径一定的情况下，研磨盘的最大变形量与加载压力成正比；且在两个加载半径处，半径值大的位置，研磨盘最大变形量随加载压力的变化率较大；
(3)当加载压力不变时，研磨盘的最大变形量随加载半径的增大而增大，且加载半径越大，研磨盘最大变形量的增加速率越快；
(4)采用硬质材料做基体，将软质材料贴合在硬质材料表面一起构成研磨盘材料时，研磨盘加载后的变形量远远小于单独使用软质材料作为研磨盘材料时的变形量。
结 论
本文系统的理论研究和仿真分析，研究了精密单平面研磨光学玻璃过程中研磨加载力的大小。针对压力研磨控制设计，首先采用案例研究法，通过案例的研究，了解压力控制的要求，提出自己的创新点，设计一个压力控制系统。接着通过行动研究法和实验法，借助CAD将自己设计的压力控制系统绘制出来，用ANSYS 10.0静力分析软件对系统进行仿真分析，确定方案的实际可行性，最后得到可靠的方案，达到了预期设计的要求。
创新能力综合训练结束了，训练之前，我们到图书馆查找单面研磨机相关的资料及文献，组员间相互认真阅读，了解单面研磨机领域的发展状况，将各种研磨机的优缺点进行对比，观察研磨机结构。同组成员间充分分析了单面研磨机的工作原理。组员合作采用观察法、文献法和行动研究法进行总体方案的确定。根据本课题的零件加工要求，结合各种研磨机原理，取长补短，组员间相互讨论，提出自己的新想法，收集整理，最后构思出单面研磨机的整体方案。根据整体方案对组员进行任务分工。并且在规定的时间内，通过相互合作、讨论，完成了各自的设计任务。
这段时间里，在科技创新过程中,我们战胜了碰到了种种困难。现在终于完成，极大的鼓舞了我们，锻炼了我们。通过这次科技创新训练，使我学到了很多东西。我了解了设计研磨机工作原理，并学会了研磨压力的设计，增强了我机械设计的实践经验。这些对我以后的学习和工作将会有很大的帮助。这次实训我觉得对我的意义很重大。

参考文献
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[2]廖念钊.互换性与测量技,中国计量出版社,2002.
[3]戴枝荣.工程材料,高等教育出版社,2005.
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[5]冯开远,左宗义.画法几何及机械制图,华南理工大学出版社,2004.
[6]陈宏钧.实用机械加工工艺手册.北京:机械工业出版社.2004.
[7] 金令诚. 研磨. 北京: 机械工业出版社. 1985.8 
[8]杨建东，田春林等. 高速研磨技术. 北京: 国防工业出版社. 2003.10 

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