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文檔簡介
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
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