研磨壓力設(shè)計

1、航空制造工程學(xué)院創(chuàng)新能力綜合訓(xùn)練研 究 報 告題 目：研磨壓力控制所屬課題：平面研磨機(jī)設(shè)計學(xué) 院：航空制造工程學(xué)院專業(yè)名稱：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化班級學(xué)號：10031911學(xué)生姓名：龔益龍合 作 者：胡俊鵬、廖宇超指導(dǎo)教師：柴京富二O一三年 十一月 平面研磨機(jī)設(shè)計研究學(xué)生姓名：龔益龍班級：10031911 指導(dǎo)老師：柴京富摘要：這次做的是平面研磨機(jī)的設(shè)計。首先根據(jù)這個研究題目通過網(wǎng)絡(luò)和資料書查找相關(guān)資料，最終通過參考這些資料形成總體精密研磨機(jī)的研究方案。完成總體研究方案后分為三個小部分來完成研究，每人負(fù)責(zé)一部分。 本人負(fù)責(zé)的部分是研磨壓力控制。先分析研磨機(jī)的結(jié)構(gòu)及所需要達(dá)到的要求，然后根據(jù)已掌

2、握的知識設(shè)計幾個方案，權(quán)衡利弊之后從中選出最合適的方案，再對所選的方案參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計完成之后對本次設(shè)計進(jìn)行小結(jié)。關(guān)鍵詞:壓力控制，研磨，精度主要創(chuàng)新點：設(shè)計出幾種能夠控制研磨壓力的裝置，然后比較著幾種裝置的優(yōu)劣勢，最后選出最適合的裝置，使得壓力控制更簡便，更準(zhǔn)確。目錄引 言21.研究方法32.研究結(jié)果及分析42.1單面精密研磨機(jī)整體設(shè)計42.2研磨壓力控制設(shè)計62.2.1提出方案62.2.2確定方案72.3研磨壓力控制的參數(shù)設(shè)置92.4本章小結(jié)10結(jié) 論11參考文獻(xiàn)12引 言目前，先進(jìn)光學(xué)玻璃產(chǎn)品的制造正朝著高精度、高性能和高可靠性的方向快速發(fā)展，對許多光學(xué)玻璃產(chǎn)品部件表面的局部平面度及全

3、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為一種精密加工方法，能很好地適應(yīng)這些高尺寸精度和低表面粗糙度產(chǎn)品的加工需求。無論是機(jī)械研磨、化學(xué)研磨以及全局平面化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)等，都需要使用高精度高剛度精密研磨拋光機(jī)實現(xiàn)高效率加工。當(dāng)前，我國高檔次精密研磨設(shè)備設(shè)計制造技術(shù)水平總體不高，精密的研磨拋光機(jī)均還嚴(yán)重依賴于進(jìn)口，而且價錢非常昂貴。因此，加強(qiáng)我國的高檔次光電子材料極限研磨機(jī)設(shè)計制造技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化研究，以及相關(guān)使用工藝技術(shù)研究與開發(fā)尤為迫切。1.研究方法據(jù)相關(guān)資料可知可選的研究方法如下： 觀察法 ； 調(diào)查法； 測驗法 ； 行動研究法 ； 文獻(xiàn)法 ； 經(jīng)驗總結(jié)法 ； 個案研究法； 案例研

4、究法； 實驗法。設(shè)計本課題有三個組員，根據(jù)各自的設(shè)計任務(wù)不同而選擇不同的研究方法。首先，組員合作采用觀察法、文獻(xiàn)法和行動研究法進(jìn)行總體方案的確定。到圖書館查找單面研磨機(jī)相關(guān)的資料及文獻(xiàn)，組員間相互認(rèn)真閱讀，了解單面研磨機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，將各種研磨機(jī)的優(yōu)缺點進(jìn)行對比，觀察研磨機(jī)結(jié)構(gòu)。然后根據(jù)本課題的零件加工要求，結(jié)合各種研磨機(jī)原理，取長補(bǔ)短，組員間相互討論，提出自己的新想法，收集整理，最后構(gòu)思出單面研磨機(jī)的整體方案。根據(jù)整體方案對組員進(jìn)行任務(wù)分工。本人負(fù)責(zé)研磨壓力控制的設(shè)計任務(wù)。針對壓力研磨控制設(shè)計，按以下步驟進(jìn)行研究：（1） 首先采用案例研究法，通過案例的研究，了解壓力控制的要求；（2） 提出

5、自己的創(chuàng)新點，設(shè)計一個壓力控制系統(tǒng)；（3） 接著通過行動研究法和實驗法，借助CAD將自己設(shè)計的壓力控制系統(tǒng)繪制出來，用ANSYS 10.0靜力分析軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析；（4） 確定方案的實際可行性，最后得到可靠的方案。2.研究結(jié)果及分析2.1單面精密研磨機(jī)整體設(shè)計綜合國內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能參數(shù)，并考慮到設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域及其性價比，確定設(shè)計出的單面研磨機(jī)應(yīng)達(dá)到以下要求：1主要技術(shù)參數(shù)：(1)最低加工表面粗糙度：Ra<5 rim；(2)最小研磨件表面平面度：00003mm1 5mm；(3)最小研磨厚度：01 0turn；(4)最高加工件厚度一致性：±0002mm；2性價比要求：在同等

6、加工精度和加工質(zhì)量情況下，產(chǎn)品加工效率比較高。綜合考慮設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)及性價比，并結(jié)合實際使用要求，分析研磨機(jī)須具有相應(yīng)功能如下：(1)本設(shè)備主要用于光學(xué)玻璃、硅片等材料的精密平面研磨拋光，對于不同的材料，最佳的研磨盤轉(zhuǎn)速不同，在不同的研磨階段，磨盤的速度應(yīng)控制在一定的范圍，同時，為提高機(jī)器的剛度，需最大限度的減少減速傳動系統(tǒng)的級數(shù)，綜合可知，機(jī)器的動力源不但要速度可控可調(diào)，而且必須具有大的功率；(2)為降低動力源的振動對機(jī)器精度的影響，機(jī)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中需增加緩振吸振系統(tǒng)；(3)工件的尺寸精度要達(dá)到微米級，這要求帶動研磨盤回轉(zhuǎn)的主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度要達(dá)到幾百微米到幾微米的范圍；(4)研磨盤是研磨

7、工件的載體，在承受加載壓力的情況下其自身的變形量不能太大，且為了獲得良好的“嵌砂"效果，其材質(zhì)又不能太硬。因此研磨盤的材料必須軟硬適中；(5)對于不同的加工工件，其被加載的研磨壓力是不同的，這要求研磨加壓系統(tǒng)的壓力值是在一定范圍內(nèi)可控可調(diào)；(6)為減少修整研磨盤的時間，提高生產(chǎn)效率，需增加具有很好的進(jìn)給直線性和微小切削深度的直線導(dǎo)軌精密微小進(jìn)給車削修整系統(tǒng)，作為拋光盤修整方式，將原來繁瑣耗時的研磨盤修整過程大大的簡單化，提高研磨效率；(7)在研磨晶片等薄脆零件過程中，研磨盤和工件的局部接觸區(qū)域往往會出現(xiàn)高溫，有時甚至可達(dá)幾百度。局部的高溫不但會燒傷零件的表面，形成加工變質(zhì)層，而且會引

8、起零件和研磨盤的熱變形，進(jìn)而影響零件的面形精度。為消除研磨過程產(chǎn)生的熱量所帶來的負(fù)面影響，需設(shè)計冷卻系統(tǒng)來對研磨盤進(jìn)行冷卻，使研磨局部高溫的負(fù)面影響降到最低：(8)為精確控制加壓后研磨盤的實際移動量和研磨厚度，并減少離線手工測量所需的時間，需設(shè)計先進(jìn)的研磨加工過程切除量測量系統(tǒng)來對研磨去除量進(jìn)行測量。綜合分析內(nèi)容，設(shè)計研磨機(jī)整體布局如下圖所示。研磨過程中，工件下表面平放于研磨盤上表面，其上表面作用一夾具，加壓系統(tǒng)的壓桿壓在夾具上表面的半球狀孔內(nèi)。動力系統(tǒng)通過驅(qū)動研磨機(jī)主軸，帶動研磨盤一起作回轉(zhuǎn)運動。研磨盤回轉(zhuǎn)時，工件在壓頭及夾具的限位作用下，繞著其自身的回轉(zhuǎn)中心線自轉(zhuǎn)。工件圍繞自身回轉(zhuǎn)中心線的

9、自轉(zhuǎn)及相對于研磨盤回轉(zhuǎn)中，心線的公轉(zhuǎn)便構(gòu)成了完整的研磨運動。修整系統(tǒng)可實現(xiàn)水平方向和豎直方向的進(jìn)給運動，可方便的對研磨盤進(jìn)行修整。2.2研磨壓力控制設(shè)計提出方案方案一采用傳統(tǒng)的砝碼加載的方法來實現(xiàn)研磨壓力控制，示意簡圖如下：夾具，圖中未畫出，同時安裝架設(shè)計成可上下滑動，加載盤未加砝碼時，安裝架在彈簧的作用下保持在一定的高度。機(jī)床裝夾好零件后，零件開始加工，通過加載砝碼多少，實現(xiàn)研磨壓力的控制。方案二采用電機(jī)動力機(jī)械力的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)研磨壓力控制，示意簡圖如下：原理說明：如圖示，安裝架設(shè)計成通過豎直滑槽能在立柱上下滑動，左側(cè)是安裝零件的，右側(cè)有齒條。齒條與一個齒輪1配合，齒輪1與其右側(cè)的齒輪2配合，齒

10、輪2與一個皮帶輪同軸，同步轉(zhuǎn)動。然后皮帶輪通過皮帶與正反電機(jī)實現(xiàn)傳動。這樣通過開關(guān)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)安裝架的豎直位置，向下運動時通過滑移位置的判斷，實現(xiàn)對零件的壓力控制。方案三安裝氣缸，用氣動壓力裝置實現(xiàn)研磨壓力控制，示意簡圖如下：原理說明：通過研磨機(jī)控制系統(tǒng)的控制，能控制氣缸軸上下運動，氣缸軸通過連接板與壓桿相聯(lián)，壓桿安裝于直線軸承中，只能做直線運動。所以，壓桿能在氣缸軸的帶動下順暢的做豎直方向的直線運動，從而實現(xiàn)對工件的加載和卸載。當(dāng)需要調(diào)節(jié)加壓裝置在豎直方向的高度時，因加壓裝置安裝于安裝架上，故只需調(diào)節(jié)支撐架的高度即可。順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕，安裝架即可緊貼著立柱的前端面在豎直方

11、向相應(yīng)的上升或下降，停止旋轉(zhuǎn)調(diào)整旋鈕，支撐架即停止在當(dāng)前位置。方案四安裝液缸，用液動壓力裝置實現(xiàn)研磨壓力控制，原理圖如下通過溢流閥方式的壓力控制閥來得到穩(wěn)定的壓力，通過換向閥來控制加壓或者減壓，正常工作是溢流閥處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)壓力過載時溢流閥開啟，使得安裝架在特定的位置停止，從而獲得所要求的壓力。確定方案比較前面三種方案，方案一，傳統(tǒng)的加砝碼形式，相比較這種方法是最簡便的，只需在零件裝夾臺上設(shè)置一個放砝碼的臺就能實現(xiàn)，但是砝碼中力量太大，零件裝夾臺是一個懸掛裝置，加載過重，時間久了容易導(dǎo)致裝夾臺后梁變形影響精度，還有加工過程中壓力大小改變不了，而且砝碼容易腐蝕，精度達(dá)不到要求；還有砝碼比較笨重

12、，使用人力加載時不但大大的增加了工人的工作量，而且會使工人疲勞，容易產(chǎn)生事故；砝碼的重量都是特定的，無法滿足在不同工藝情況下所需要的不同加載力；方案二，由于采用機(jī)械傳動，力的傳遞通過齒輪和皮帶的傳遞，力的大小很難得到精確的保證,并且機(jī)械傳動的柔性比較差，很容易損毀加工零件；方案三，氣動裝置，介質(zhì)是氣體，裝置設(shè)置簡便易于安裝，力的大小由氣壓大小和氣缸活塞面積決定，活塞面積是確定的，所以只需改變氣壓的大小就能改變壓力的大??；方案四，采用的是液動壓力控制，裝置比較復(fù)雜，成本比較高，液動裝置的密閉性要求高，一旦液體泄漏設(shè)備的外表會很臟。綜合三種方案的優(yōu)缺點，最終選擇氣動加壓系統(tǒng)加壓系統(tǒng)主要包括氣缸、壓

13、桿、連接板、直線軸承、軸承座等部件。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。通過研磨機(jī)控制系統(tǒng)的控制，能控制氣缸軸上下運動，氣缸軸通過連接板與壓桿相聯(lián)，壓桿安裝于直線軸承中，只能做直線運動。所以，壓桿能在氣缸軸的帶動下順暢的做豎直方向的直線運動，從而實現(xiàn)對工件的加載和卸載。當(dāng)需要調(diào)節(jié)加壓裝置在豎直方向的高度時，因加壓裝置安裝于安裝架上，故只需調(diào)節(jié)支撐架的高度即可。順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕，安裝架即可緊貼著立柱的前端面在豎直方向相應(yīng)的上升或下降，停止旋轉(zhuǎn)調(diào)整旋鈕，支撐架即停止在當(dāng)前位置。2.3研磨壓力控制的參數(shù)設(shè)置根據(jù)同組成員設(shè)計的研磨盤受力分析結(jié)果，設(shè)計研磨壓力控制機(jī)構(gòu)。研磨盤作為精密研磨加工中的模具，其面型精度

14、對被加工件的面型精度影響非常大。作為工件被加工平面的加工基準(zhǔn)，研磨盤的上表面必須保持較高的平面度。如上節(jié)所述，實際際加工中，當(dāng)工件被作用一加載壓力P，研磨盤自身必然會發(fā)生變形。但是，在一定的加載條件下，此變形量到底有多大還未見有相應(yīng)的文獻(xiàn)進(jìn)行報道。如果能研究得出此變形量與對應(yīng)加載條件之間的關(guān)系，從而通過控制加載條件而將此變形量控制在所允許的范圍內(nèi)，則對研磨盤的設(shè)計和研磨機(jī)的使用具有重要的指導(dǎo)意義。就整個研磨過程而言，研磨盤的變形是一動態(tài)變形過程，屬于動力學(xué)范疇，分析比較復(fù)雜。但是，就某一加載瞬間而言，研磨盤的變形是一靜態(tài)變形過程，完全可以利用靜力學(xué)求解方法求出此刻研磨盤在相應(yīng)加載條件下的最大靜

15、態(tài)變形量。得到研磨盤若干加載瞬間的最大變形量后，處理這些數(shù)據(jù)，由之整理出相關(guān)圖表，對圖表進(jìn)行分析，即可得出研磨盤最大變形量與對應(yīng)加載條件之間的關(guān)系。物體變形的靜力學(xué)求解方法通常有經(jīng)典解析法、數(shù)值分析法、有限元分析法等。據(jù)這些研究結(jié)果，查相關(guān)資料得光學(xué)玻璃研磨壓力控制在6Kpa12Kpa范圍內(nèi)。據(jù)加工要求P取8Kpa，加工的光學(xué)玻璃直徑為100mm厚度為20mm。由F=P×S （P壓強(qiáng)Mpa；S面積m³）已知S= 0.05 ²×=0.0079m³ ， P=8Kpa得到F=8×1000×0.0079=63.2N以上求的是研磨光學(xué)

16、玻璃時正常的加載力，需要設(shè)計相配套的單桿活塞缸。活塞缸的設(shè)計尺寸計算。根據(jù)壓力要求選擇HG-250型旋渦氣泵，其主要參數(shù)如下表：HG-250型旋渦氣泵主要參數(shù)型號功率(W)額定電壓(V)額定電(A)最大正壓Kpa最大流m3/h最大負(fù)壓Kpa轉(zhuǎn)速r/minHG-2502502201.251160102800根據(jù)加工條件設(shè)計加壓的行程為200mm，及活塞桿的長度L200mm。另外活塞面積的大小S1， S1=FP額=63.2N11000 pa=0.0057 m³ 得到活塞半徑r=42.4mm根據(jù)上面的數(shù)據(jù)參數(shù)，再查相關(guān)氣泵的技術(shù)要求，設(shè)計下圖示的氣壓缸：壓力控制機(jī)構(gòu)示意圖將設(shè)計的壓力控制系

17、統(tǒng)與同組成員設(shè)計的研磨盤組合，建模。用分析軟件進(jìn)行仿真分析，判斷是否符合設(shè)計要求。2.4本章小結(jié)(1)在相同的加載情況下(材料組成，加載半徑，加載壓力均相同)，研磨盤材料的彈性模量越大，其最大變形量越??；(2)在加載半徑一定的情況下，研磨盤的最大變形量與加載壓力成正比；且在兩個加載半徑處，半徑值大的位置，研磨盤最大變形量隨加載壓力的變化率較大；(3)當(dāng)加載壓力不變時，研磨盤的最大變形量隨加載半徑的增大而增大，且加載半徑越大，研磨盤最大變形量的增加速率越快；(4)采用硬質(zhì)材料做基體，將軟質(zhì)材料貼合在硬質(zhì)材料表面一起構(gòu)成研磨盤材料時，研磨盤加載后的變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單獨使用軟質(zhì)材料作為研磨盤材料時的變

18、形量。結(jié) 論本文系統(tǒng)的理論研究和仿真分析，研究了精密單平面研磨光學(xué)玻璃過程中研磨加載力的大小。針對壓力研磨控制設(shè)計，首先采用案例研究法，通過案例的研究，了解壓力控制的要求，提出自己的創(chuàng)新點，設(shè)計一個壓力控制系統(tǒng)。接著通過行動研究法和實驗法，借助CAD將自己設(shè)計的壓力控制系統(tǒng)繪制出來，用ANSYS 10.0靜力分析軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，確定方案的實際可行性，最后得到可靠的方案，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計的要求。創(chuàng)新能力綜合訓(xùn)練結(jié)束了，訓(xùn)練之前，我們到圖書館查找單面研磨機(jī)相關(guān)的資料及文獻(xiàn)，組員間相互認(rèn)真閱讀，了解單面研磨機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，將各種研磨機(jī)的優(yōu)缺點進(jìn)行對比，觀察研磨機(jī)結(jié)構(gòu)。同組成員間充分分析了單面

19、研磨機(jī)的工作原理。組員合作采用觀察法、文獻(xiàn)法和行動研究法進(jìn)行總體方案的確定。根據(jù)本課題的零件加工要求，結(jié)合各種研磨機(jī)原理，取長補(bǔ)短，組員間相互討論，提出自己的新想法，收集整理，最后構(gòu)思出單面研磨機(jī)的整體方案。根據(jù)整體方案對組員進(jìn)行任務(wù)分工。并且在規(guī)定的時間內(nèi)，通過相互合作、討論，完成了各自的設(shè)計任務(wù)。這段時間里，在科技創(chuàng)新過程中,我們戰(zhàn)勝了碰到了種種困難?，F(xiàn)在終于完成，極大的鼓舞了我們，鍛煉了我們。通過這次科技創(chuàng)新訓(xùn)練，使我學(xué)到了很多東西。我了解了設(shè)計研磨機(jī)工作原理，并學(xué)會了研磨壓力的設(shè)計，增強(qiáng)了我機(jī)械設(shè)計的實踐經(jīng)驗。這些對我以后的學(xué)習(xí)和工作將會有很大的幫助。這次實訓(xùn)我覺得對我的意義很重大。參