劉清, 張廣鵬, 黃玉美, 陳磊, 楊慶超

(1.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院， 陜西 西安 710048;2.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程學(xué)院， 陜西 咸陽(yáng) 712000)

變位自轉(zhuǎn)雙平面研磨軌跡的研究與實(shí)驗(yàn)

劉清1,2, 張廣鵬1, 黃玉美1, 陳磊1, 楊慶超1

(1.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院， 陜西 西安 710048;2.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程學(xué)院， 陜西 咸陽(yáng) 712000)

以變位自轉(zhuǎn)雙平面研磨機(jī)為平臺(tái)，仿真下研磨盤(pán)三種基本運(yùn)動(dòng)情況下變位自轉(zhuǎn)雙平面研磨軌跡，并進(jìn)行了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)；仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致表明，變位自轉(zhuǎn)雙平面研磨機(jī)具有良好的研磨軌跡和研磨效率。

變位自轉(zhuǎn)； 研磨； 軌跡； 仿真

研磨是一種重要的精密、超精密加工技術(shù)，幾乎適合于各種材料的加工。目前在我國(guó)儀器、機(jī)床、航空以及動(dòng)力機(jī)械等行業(yè)的制造、裝配和維修工作中應(yīng)用非常廣泛。研磨加工可以得到很高的表面精度，而研磨裝置卻相對(duì)簡(jiǎn)單。研磨時(shí)，工件和研具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，直接影響工件的質(zhì)量和效率，直接影響納米加工技術(shù)的推廣應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)新型研磨加工方法較少，其中直線式、搖擺式、行星式等研磨方法均是在傳統(tǒng)雙軸式研磨方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加或改變研磨機(jī)構(gòu)，合成新的研磨軌跡，改善工件中心研磨軌跡變性差和表面研磨質(zhì)量不均勻等問(wèn)題[1-3]。但關(guān)鍵問(wèn)題是，增加的運(yùn)動(dòng)規(guī)律只能使工件與研具的中心距獲得周期性的改變，工件中心的研磨軌跡仍然存在周期性重復(fù)的缺點(diǎn)，并不能從根本上消除時(shí)變性差的問(wèn)題。同時(shí)，增加研磨運(yùn)動(dòng)規(guī)律意味著研磨機(jī)構(gòu)更加復(fù)雜，使生產(chǎn)制造及加工成本上升。

變位自轉(zhuǎn)雙平面研磨原理,是指研磨加工過(guò)程中，工件與研具(上、下研磨盤(pán))之間除了具有自身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，其回轉(zhuǎn)中心的相對(duì)位置(中心距)在整個(gè)加工過(guò)程中還將持續(xù)發(fā)生非周期性變化。本文在變位自轉(zhuǎn)雙平面研磨的基礎(chǔ)上對(duì)三種研磨軌跡進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，指出平面研磨軌跡選取的方向。

1 研磨軌跡基本要求

1.1 研磨軌跡

在研磨過(guò)程中，研具和工件之間應(yīng)該是處于彈性浮動(dòng)狀態(tài)，不能受強(qiáng)制的機(jī)構(gòu)控制，以便保證工件的幾何形狀精度。所以研磨的精度不完全取決于研磨機(jī)的精度，而主要在于研具、運(yùn)動(dòng)和操作方法。最理想的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)該不重復(fù)，具有時(shí)變性以使工件能夠均勻地接觸到研具表面的各處，以利于研具的均勻磨損，有利于提高工件表面精度[4-6]。

1.2 研磨軌跡基本要求

經(jīng)過(guò)多年研究，人們總結(jié)出了一些關(guān)于理想平面研磨運(yùn)動(dòng)軌跡曲線應(yīng)滿足的要求[4-11]，無(wú)論使用何種研磨方法都應(yīng)使軌跡曲線盡可能的滿足或接近如下要求。

1) 研磨運(yùn)動(dòng)軌跡的運(yùn)動(dòng)方向應(yīng)該在每個(gè)瞬時(shí)都是不斷改變的(研磨軌跡的時(shí)變性要求)，以保證被研工件表面上獲得均勻的無(wú)主導(dǎo)方向的研磨條紋，使研磨條紋交錯(cuò)多變，有利于降低表面粗糙度值。

2) 研磨運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)該是不重復(fù)的，使工件上任意一點(diǎn)的軌跡不出現(xiàn)周期性重復(fù)的情況。

3) 理想的研磨相對(duì)運(yùn)動(dòng)應(yīng)是平面平行運(yùn)動(dòng)，并保證工件上各點(diǎn)有相同或相近的研磨最短行程。

4) 研磨運(yùn)動(dòng)應(yīng)力求平穩(wěn)，避免軌跡曲線出現(xiàn)曲率過(guò)大的轉(zhuǎn)角。

5) 工件的運(yùn)動(dòng)軌跡(上述第二類(lèi)軌跡)應(yīng)遍及整個(gè)研磨盤(pán)表面，以利于研磨盤(pán)的均勻磨損，保證工件的平面度。

當(dāng)研磨軌跡曲線更接近理想軌跡曲線要求時(shí)，便能獲得更高的表面加工質(zhì)量，換句話說(shuō)，可以通過(guò)分析一種研磨方法的研磨運(yùn)動(dòng)軌跡曲線對(duì)這種加工方法的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)判，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并提出改進(jìn)方案，對(duì)加工質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 變位自轉(zhuǎn)雙平面研磨軌跡分析

2.1 變位自轉(zhuǎn)雙平面研磨機(jī)理

變位自轉(zhuǎn)雙平面研磨加工機(jī)構(gòu)如圖1所示，研磨的主運(yùn)動(dòng)由上、下研磨盤(pán)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)提供，同時(shí)Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)上研磨盤(pán)實(shí)現(xiàn)Z方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，為研磨加工提供壓力。隔離盤(pán)并不帶動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)，與機(jī)床固定連接，在研磨加工中起限制工件運(yùn)動(dòng)范圍的作用。工件放在下研磨盤(pán)上，并套裝在隔離盤(pán)內(nèi)，位置關(guān)系如圖2所示。

加工時(shí)，上、下研磨盤(pán)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在工件表面產(chǎn)生摩擦力矩，工件產(chǎn)生自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。下研磨盤(pán)除了回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，還在X，Y兩個(gè)方向分別具有自由度，隨著工作臺(tái)在X，Y方向聯(lián)動(dòng)。

2.2 變位自轉(zhuǎn)雙平面研磨運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

通過(guò)ADAMS軟件建立變位自轉(zhuǎn)研磨機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)易模型。通過(guò)定義約束、接觸、載荷等關(guān)系，正確表達(dá)上、下研磨盤(pán)、工件及隔離盤(pán)之間的變位自轉(zhuǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

仿真初始條件：坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在上研磨盤(pán)中心，上研磨盤(pán)以60 r/min自轉(zhuǎn)，下研磨盤(pán)以-90 r/min自轉(zhuǎn)，研磨壓力為100 N，工件中心在XY平面的初始坐標(biāo)為(5，0)，仿真時(shí)間為25 s。P1為下研磨盤(pán)上一點(diǎn)，坐標(biāo)為(0,20)，P2為上研磨盤(pán)上一點(diǎn)，坐標(biāo)為(0,10)。在下研磨盤(pán)上施加不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，仿真研磨軌跡。

1) 下研磨盤(pán)直線往復(fù)式軌跡

設(shè)下研磨盤(pán)在XY平面內(nèi)的直線軌跡為：

2) 下研磨盤(pán)正弦曲線式軌跡

設(shè)下研磨盤(pán)在XY平面內(nèi)的正弦軌跡為：

3) 下研磨盤(pán)平面螺旋線軌跡

根據(jù)螺旋線的成型原理可得螺旋線的形成方程為：

令a=10 cm,r=5 cm,v/u=1.5,則下研磨盤(pán)的運(yùn)動(dòng)軌跡為：

根據(jù)理想研磨運(yùn)動(dòng)軌跡曲線的要求，分析表1、表2所對(duì)應(yīng)三種研磨盤(pán)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的研磨軌跡可知：

1) 變位自轉(zhuǎn)雙平面研磨軌跡的時(shí)變性較好，不重復(fù)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；

2) 下研磨盤(pán)在平面螺旋線運(yùn)動(dòng)控制方式下產(chǎn)生的研磨軌跡相對(duì)直線往復(fù)、正弦曲線產(chǎn)生的研磨軌跡好。

3 變位自轉(zhuǎn)雙平面研磨加工實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

加工實(shí)驗(yàn)采用本研究所自主設(shè)計(jì)制造的固著磨料變位自轉(zhuǎn)5軸數(shù)控平面研磨機(jī)床實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，機(jī)床實(shí)物如圖3所示。

研磨液為Castrol Honilo981油性磨削液；試件材料為Cr12，熱處理后表面硬度為HRC50～55，尺寸為Φ40×20 mm的圓柱形棒料，外觀如圖4所示。

研磨壓力為0.298 MPa，上、下研磨盤(pán)轉(zhuǎn)速分別為18 r/min和-48 r/min，研磨盤(pán)磨料采用CBN材料，磨料粒度為W3～6，濃度100%，氣孔率16%，研磨前的試件見(jiàn)圖4。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1) 將Z軸電機(jī)調(diào)至扭矩模式，完成電機(jī)的PID參數(shù)調(diào)試；

2) 根據(jù)扭矩與研磨壓力實(shí)驗(yàn)測(cè)定的函數(shù)關(guān)系式，將所需研磨壓力換算為扭矩值，在數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行Z軸電機(jī)扭矩的設(shè)置；

3) 設(shè)置采集儀，監(jiān)測(cè)Z軸扭矩；

4) 執(zhí)行程序，開(kāi)始研磨加工。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在仿真的基礎(chǔ)上，根據(jù)對(duì)應(yīng)的條件，選用同等的3個(gè)試件進(jìn)行研磨。稿紙上的字在研磨件表面被反映的清晰程度如圖5所示。由圖5可看出，下研磨盤(pán)采用平面螺旋線研磨的效果最好。

4 結(jié) 論

變位自轉(zhuǎn)雙平面研磨機(jī)是在克服雙軸式、直線式、行星式雙平面等研磨原理缺陷的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種研磨機(jī)床。通過(guò)對(duì)變位自轉(zhuǎn)雙平面研磨機(jī)研磨軌跡仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知：①變位自轉(zhuǎn)雙平面研磨機(jī)從原理和機(jī)構(gòu)上克服了傳統(tǒng)研磨機(jī)的諸多缺點(diǎn)，有較好的研磨軌跡和研磨效果；②相比較而言，下研磨盤(pán)在平面螺旋線運(yùn)動(dòng)模式下的研磨軌跡好，研磨質(zhì)量高。

[1]Zhang Zefang, Yan Weixia, Zhang Lei, et al. Effect of mechanical process parameters on friction behavior and material removal during sapphire chemical mechanical polishing[J].Microelectronic Engineering, 2011，(88): 3020-3028.

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(責(zé)任編輯 王衛(wèi)勛)

The dynamic simulation and experiment research on displacement-shift-rotation double-side plane lapping track

LIU Qing1,2, ZHANG Guangpeng1, HUANG Yumei1, CHEN Lei1, YANG Qingchao1

(1.Faculty of Mechanical and Precision Instrument Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048,China; 2.Numerical Control Engineering College, Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000,China)

With the displacement-shift-rotation double-side plane lspping machine as the platform, Simulation is made of the displacement-shift-rotation double-side plane lapping trace or trajectory in the case of 3 kinds of the below lapping plate, and the corresponding experiments are carried out. The simulation and experiment results are found to be in agreement with the indication that the displacement-shift-rotation double-side plane lapping machine is of good lapping trajectory and lapping efficiency.

displacement-shift-rotation; lapping; track; simulation

1006-4710(2015)04-0439-04

2014-12-31

陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃項(xiàng)目 (14JS062)。

劉清，男，博士生，研究方向?yàn)榫芗庸ぜ夹g(shù)。 E-mail：liuqing2007@126.com。

張廣鵬，男，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)榫芗庸ぜ夹g(shù)等。 E-mail：gpzhang@xaut.edu.cn。

TH112.5

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