一种新型平面研磨机的研制与实验_沙琳

研磨机的设计

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机　械　设　计

JOURNALOFMACHINEDESIGN

*

Vol.24　No.1

Jan.　　2007

一种新型平面研磨机的研制与实验

沙琳,王永良,张登霞

(解放军炮兵学院机械工程系,安徽合肥　230031)

摘要:根据研磨最佳运动学条件,结合现有研磨机,研制了新型行星轮式恒速率变向平面研磨机。研磨机具有被研磨表面各点研磨轨迹相同、速度相同,研磨运动方向恒速率变向的运动特性。利用研磨实验机进行了大量研磨实验,取得了很好的研磨效果,研磨表面Ra可至纳米级。

关键词:恒速率变向;平面研磨;研磨机

中图分类号:TH117　　文献标识码:A　　文章编号:1001-2354(2007)01-0057-04

　　精密、超精密加工技术是国防尖端技术、微电子技术和信息技术等高新技术发展进步的基础。随着微电子、光电子、半

导体、传感器和激光等高精尖技术的快速发展,对材料表面的加工质量要求越来越高。研磨是一种重要的精密、超精密加工技术,几乎适合于各种材料的加工,研磨加工可以得到很高的尺寸精度和形状精度,甚至可以达到加工精度的极限,研磨装置简单,不需要大量复杂的机械并且不苛求设备的精度条件。

研磨是利用磨具通过磨料作用于工件表面,进行微量加工的过程[1]。研磨工件表面的尺寸精度、形位精度、研磨工具的寿命及研磨效率等,在很大程度上取决于研磨运动。为使工件表面研磨均匀,从运动学角度归纳出如下的平面研磨最佳运动学条件:(1)工件相对研具作平面运动,应保证工件被研磨表面上各点相对研具均有相同或相近的研磨轨迹;(2)研磨运动是由工件与研具之间的相对运动实现的,工件表面上各点的研磨运动速度应尽可能相同;(3)研磨运动方向应不断变化,研磨纹路交错多变,以利于工件加工表面粗糙度的降低,但应尽量避免工件被研磨表面上各点相对研具的研磨轨迹曲率变化过大;(4)研具或抛光盘工作表面的形状精度会反映到工件表面上,所以工件的运动轨迹应遍及整个研具表面并且分布均匀,以利于研具的均匀磨损;(5)工件相对研具在被研磨材料的去除方向上具有运动自由度,这样可以避免因研磨机械的导向精度不高而引起误差[2]。

平面研磨机种类很多,下面简要介绍现有平面研磨机。

单一,但工件各点相对研磨盘的运动轨迹和运动速度不能保证完全一致,所以研磨仍有不均匀性,研磨速度通常不是很高。图1b所示行星轮式研磨机通常工件并不装卡,而是在摩擦力作用下贴紧行星轮3孔的内壁运动,所以工件相对行星轮3还有附加转动,即伴有浮动研磨。浮动研磨[1],就是磨具和工件二者之中,一个主动旋转,其运动是已知的,而另一个则是浮动在其上,靠研磨切削力带动随之转动(故称之为浮动),其运动是未知的。研磨中的浮动运动规律很难确定,并且是导致磨具不确定磨损的根本原因

。

1　现有平面研磨机

在现有平面研磨机中,行星运动平面研磨机是应用最广泛的一类平面研磨机。行星运动平面研磨机,工件相对研具转动的同时又绕自身轴线转动,即作行星运动,如图1所示。图1a所示平面研磨机研磨盘绕固定轴转动,工件也绕自身的固定轴转动,该类型研磨机研磨速度可以较高,但不能很好地满足研磨最佳运动学条件。图1b为行星轮式研磨机示意图,中心内齿轮1固定,中心齿轮2绕固定轴线转动,行星轮3作行星运动,并带动工件4作行星运动,若工件相对行星轮不动,则工件各点相对研磨盘的运动轨迹为外摆线或内摆线(图2a,b),该类型平面研磨机能较好地满足研磨最佳运动学条件,工件磨痕不

*收稿日期:2006-07-17;修订日期:2006-09-29

行星运动平面研磨机应用广泛,具有效率高,结构原理简

单,易于加工实现等特点。若工件相对研具所作的平面运动是平动,则能很好地满足研磨最佳运动学条件,同时考虑到浮动研磨,研制了行星轮式恒速率变向平面研磨机。

2　行星轮式恒速率变向平面研磨机

2.1　研磨机的构思

在图2b所示的行星轮式平面研磨机中,当中心内齿轮1转动,且与中心内齿轮2保持某一固定传动比,则行星轮3作能满

),,,,,,,发表论文7篇。

研磨机的设计

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机　械　设　计第24卷第1期

足最佳研磨运动学条件的平动。据此设计行星轮恒速率变向平动研磨试验机,其原理设计如图3。适当选择各齿轮的齿数Z1,

′′Z2,Z′2,Z3,Z3,Z4及Z1,可使行星齿轮6作平动,经过计算,给出图中各齿轮的优化齿数。被研磨的工件装夹在齿轮6上,相

对齿轮6沿齿轮轴线方向有一个自由度,研磨盘9固定,工件随齿轮6相对研磨盘一起作平动,从而工件上各点相对研磨盘作与行星齿轮6轴心点运动相同的圆周运动,即工件各点的运动轨迹是确定的圆,任一时刻各点的运动速度、运动方向相同;并且主动齿轮1若匀速转动,则行星齿轮6轴心点作匀速圆周运动,工件各点的速度大小不变,速度方向与行星齿轮6轴心点速度方向相同,速度方向随时间匀速变化,所以工件任一点沿其运动的圆周轨迹切线方向的速度方向随时间恒速率变化(速度方向恒速率变向)。图4为行星轮式恒速率变向平动平面研磨机的结构设计图

。

1齿轮1;2齿轮2;3齿轮3;4转臂;5试件;6研磨盘;7电极板;8研磨液;9外势场电路;10调心轴承;11压电传感器;12传感器挡板

图5　行星轮式恒速率变向平面研磨实验机原理图

研磨机与实验机优、缺点比较:研磨机作平动的齿轮6与齿轮5、齿轮7间的齿轮副沿轴向没有约束,即工件相对研具在被研磨材料的去除方向上具有运动自由度,所以工件加工面与研磨盘总能保持一定压力下的接触,工件加工面精度主要取决研磨盘的精度与工件上一道工序的加工精度,而研磨机本身的运动精度对其影响较小,所以该平面研磨机能很好地满足平面研磨的最佳运动学条件;实验机的工件装夹在行星轮3上并随行星轮3一起运动,而行星轮3绕转臂4转动,所以行星轮3、转臂4的端向跳动,转臂、轴的刚度,以及轴、转臂、夹具、轴承等零件的精度等都对工件与研磨盘的接触有影响,并进一步影响工件加工面的精度。通过采取提高实验机精度等一些措施,该实验机也能满足研磨的最佳运动学条件。

2.2　实验机的工作原理

如图5所示,中心齿轮1固定不动,转臂4绕固定轴带动行星齿轮2和行星齿轮3转动,并使行星齿轮2和行星齿轮3作行星运动,当中心齿轮1与行星齿轮3齿数相等时,行星齿轮3作平动。根据实验要求,该实验机各齿轮齿数都确定为60。被研磨的工件装夹在齿轮3上,工件随齿轮3一起作平动,研磨盘6放置在调心轴承10上,调心轴承保证3个工件加工表面都与研磨盘接触,固定在研磨盘上的传感器11,被传感器挡板12限制,从而限制了研磨盘的周向转动(研磨盘实质上相当于固定构件),这样通过传感器可以对工件与研磨盘之间的摩擦力进行实时测量。另外,实验机还可以通过外势电场电路9向研磨池内的研磨液8施加外电场来进行摩擦电化学研磨规律的研究。

3　研磨机研磨运动规律

以实验机为例,分析行星轮式恒速率变向平面研磨机的运动原理。

3.1　研磨机运动原理分析

由于研磨机结构比较复杂,为了对理论设想进行实践检验,研制了简便易行的实验机。如图5所示,为行星轮式恒速率变向平面研磨实验机原理图。图中,中心齿轮1固定,转臂4绕固定轴带动行星齿轮2和行星齿轮3转动,并使行星齿轮2和行星齿轮3作行星运动,当中心齿轮1与行星齿轮3齿数相等时,行星齿轮3作平动。被研磨的工件装夹在齿轮3上,工件随齿轮3一起作平动,工件上各点都相对研磨盘作与行星齿轮3轴心点运动相同的圆周运动,即任一时刻工件各点的运动速度、运动方向和运动轨迹都相同,且运动轨迹是确定的圆,若转臂匀速转动,则工件各点运动速度大小不变,运动方向随时间恒速率变向

。

如图5所示,中心齿轮1固定,转臂H绕固定轴以角速度ω转动,行星轮2,3分别绕转臂H上的轴转动,则行星轮3对固定中心轮1相对转臂H的传动比:

i13=

H

n-nZZ=(-1)2

n3-nHZ2Z1

由中心齿轮1固定(n1=0),且Z1=Z3=60,有:

-nZ

==1

n3-nHZ1

则:n3=0,即行星轮3作平动,行星轮2作绕中心齿轮1的行星运动。工件5固定在行星齿轮3上,所以工件5随行星齿轮3一起作平动。

3.2　工件上各点运动轨迹

如图,A为工件5,工件53轴心

研磨机的设计

2007年1月沙琳,等:一种新型平面研磨机的研制与实验

出了碳化硅陶瓷试件材料的物理性能和机械性能参数。

表1　碳化硅陶瓷试件材料的物理性能和机械性能参数样品SiC

密度ρ/

硬度

弹性模量抗弯强度E/GPa

410

断裂韧性

(g/cm3)HRC/GPa>3.1231

59

对应点O5在以O点为圆心OO5长为半径的圆上转动,工件5作平动,AO5连线方向始终不变,所以AO5连线可看作是正平行

四边形机构的连杆,由线段AO5平行且相等于线段OOA可确定OA点,OA点可看作是正平行四边形机构的固定转动副(是虚约束),所以A点的运动轨迹为以OA点为中心,以AOA(即OO5)为半径的圆。

根据以上分析,以等弧长原则在工件上取一系列点,并作出这些点在研磨盘上的运动的轨迹,如图7

。

碳化硅陶瓷是典型的硬脆难加工材料,应用广泛。表1给

σMPa m1/2b/MPalc/(

3593.9

　　利用研磨机,在较高线速度(3.27

m/s)条件下,采用自行

研制的多种水基研磨液和不同研磨配副,进行了大量研磨实验,取得了比较好研磨效果。

图8是SiC/HT200配副碳化硅陶瓷试件研抛表面的AFM三维形貌和粗糙度分析,从图中可以看出,研磨表面整体平整,表面轮廓算术平均偏差Ra<6nm。

图6　研磨实验机运动规律分析　图7　工件上的点在研磨盘上的

运动轨迹

图8　SiCⅡ/HT200配副抛光的SiC研磨表面的AFM图

3.3　工件上任一点的运动速度

如图6所示,建立以转臂回转中心为原点的X-Y直角坐标系,以工件与齿轮3轴心对应点O5为原点,建立如图6所示的用来确定工件任一点位置的ρ-θ极坐标系。设工件3中心O5绕O点回转的半径为R,工件半径为r,其上的任一点位置由极坐标(ρ,θ)确定,工件上O5点绕O点以角速度ω转动。

则工件任一点t时刻位置:

x=ρ cos(θ)+R cos(ωt)y=ρ sin(θ)+R sin(ωt)

5　结束语

结合现有平面研磨机,根据研磨最佳运动学条件,创造性

地研制了新型行星轮式恒速率变向平面研磨机。利用研磨机,通过大量研磨实验,探索出了研磨效率高表面质量好的研磨方案,取得了很好的研磨效果。

行星轮式恒速率变向平面研磨机与现有平面研磨机相比具有以下特点:

(1)工件相对研具平动,研磨表面各点研磨轨迹相同,速度相同,满足最佳研磨运动学条件(1)、(2),研磨表面材料去除均匀,运转平稳;

(2)研磨运动方向恒速率变向,完全满足最佳研磨运动学条件(3),研磨表面材料去除各向同性,从AFM图中可以看出研磨表面平整,各向同性;

(3)研磨工件相对研具运动速度较高(线速度3.3m/s,最高达5.7m/s),研磨表面材料去除效率较高。

(4)研磨精度高,研磨表面为光滑镜面,Ra可至数纳米。

参考文献

[1]　杨建东,田春林.高速研磨技术[M].国防工业出版社,2003:1-3.

[2]　翟文杰,王闯.变向恒速平动研磨机的研制[C].制造技术与机

床,2005(5):54-55.

工件任一点轨迹方程为:

(x-ρ cosθ)2+(y-ρ sinθ)2=R2

即在X-Y坐标系下工件任一点的轨迹为以(ρ cosθ,ρ sinθ)为圆心以R为半径的圆。

工件任一点t时刻位置对时间t求导,可得工件任一点t时刻的速度:

υ sin(ωt)x=-Rω

υ cos(ωt)y=Rω速度大小:|υ|=Rω

速度方向:υt)y/υx=-cot(ω

所以,工件任一点任一时刻的速度与位置无关,若转臂匀速转动(ω恒定),则工件任一点速度的大小不变,方向随时间均匀变化(恒速率变向)。

3.4　工件的研磨去除分析

如图6,工件任一点A经过时间t由A点运动到A′点,速度由υt角度,若ω恒定A变化到υA′,大小不变,方向显然改变了ω不变即,则方向改变随时间均匀变化,摩擦力与速度方向相反,所以研磨盘对工件任一点的摩擦切削力方向也随时间周期性均匀变化,而工件所有点除位置不同外所有运动规律都相同,因此,研磨盘对整个工件研磨表面的研磨是各向同性。这也是行星轮式恒速率变向平面研磨机独特的优点。

Developmentandexperimentofakindofnovelplanarpoli-shing-grinder

SHALin,WANGYong-liang,ZHANGDeng-xia(DepartmentofMechanicalEngineering,ArtilleryInstitu-teofPLA,Hefei230031,China)Abstract:Accordingtotheoptimalkinematicsconditionofgrindingandcombiningwiththeexistingpolishing-grinder,thenovelplanetgearedconstantratedirection-changingplanarpo-beerinderthe

4　研磨试验机对碳化硅陶瓷的研磨

研磨机的设计

第24卷第1期2007年1月

机　械　设　计

JOURNALOFMACHINEDESIGN

Vol.24　No.1

Jan.　　2007

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轿车悬架弹性橡胶衬套弯曲刚度的工程算法

祁宏钟

(上海精粹机电科技有限公司,上海　200331)

摘要:在线性前提下,根据橡胶衬套径向刚度在线性范围内,找出了求解橡胶衬套弯曲刚度的工程算法,经过试验验证,具有工程使用价值。

关键词:橡胶衬套;弯曲刚度;工程算法中图分类号:U463　　文献标识码:A　　文章编号:1001-2354(2007)01-0060-03

　　基于成熟的底盘平台,在确保性能可靠、开发快捷和成本

最低的原则下,各汽车主机厂都奉行平台化的开发战略,即尽可能的在同一底盘平台上拓展新车型,尽量避免开发全新的底盘系统。显然,该战略可简化车身和底盘系统的设计开发和试验验证工作。基于平台化战略开发的车型,其设计参数的改变或动力总成的变更调整,会引起整车性能参数相对原车型性能参数的改变。因此,平台化战略仍然需要底盘系统进行相应的性能优化调整,只是调整工作量会大量减少。

在车型平台化开发工作中,悬架系统设计优化和匹配工作是底盘参数优化的重要工作。为了达到乘坐舒适性和操纵稳定性之间的平衡,需要调整悬架弹簧、横向稳定杆和减振器特性参数,来逐渐达到控制整车性能的目的。同时,为了精确控制各工况的悬架性能,还必须辅助调整悬架弹性橡胶衬套的力学特性。

目前悬架系统性能分析工作中,使用了诸如基于多体系统动力学理论的Adams软件等手段,在分析模型建立的过程中,弹簧、减振器和横向稳定杆等零部件的性能参数获取准确而直接,但准确确定悬架系统中弹性橡胶衬套的各向力学性能却非常困难。而弹性橡胶衬套的力学性能对车辆和悬架系统的仿真分析至关重要,往往需要大量实测才能得到。

随着汽车设计开发要求的日趋精益化,橡胶衬套的六向力学特性都需要考虑。结合衬套力学特性的分析计算的一些工作[1]和与国际专业工程设计公司的合作经验,初步认为悬架弹性衬套不同方向的刚度特性,对悬架系统的性能影响大致如下:衬套的轴向刚度应该很大,以确保悬架系统的各项定位参数的准确可靠。衬套径向刚度应该根据使用工况确定,相对较小,以吸收杆系传递的振动和冲击。某些特殊形式悬架系统使用的弹性衬套却对弯曲刚度有很高的要求。一般而言,衬套扭转刚度对悬架系统性能的影响很小。

橡胶弹性衬套的弯曲刚度很重要,但却难以准确计算和测motionpropertiesoflettingeverypointsonthebeinggrindedsurfacehavethesamegrindingtrace,thesamespeed,http://wendang.chazidian.comrgenumberedgrindingexperimentshavebeencarriedoutbytheuseofexperimentalgrindingmachineandfairlygood

π3

图1　衬套的扭转变形

定。为此,作者结合工程的实际情况,提出了衬套弯曲刚度的工程算法。

1　弯曲刚度的理论计算模型

轴向长度为L的圆环形橡胶衬套,其内侧和外侧分别与半径为a和b的刚性圆柱形金属套管联结。

内套管在固定位置夹紧,一组相对于x轴幅值为M的力矩施加于外套筒上,因而,使外套筒产生了一个很小的角度φ,产生的结果如图1所示

。

弯曲刚度的精确值如下[

2,3]:

Kw=

1+

2b2-a2

Lb2+a2

det[A1]

(1)

式中:[A]———5×5矩阵;

[A1]———[A]中第一列用单列矩阵[B]替代的结果;det———取行列式。

方程(1)中的详细表述,参见参考文献[2,3]。

2　弯曲刚度的工程算法

弯曲刚度的计算公式(1),虽然有一定的计算精度,却有计

grindingeffectwasobtained.Theflatnessofthegrindedsur-facereachedananometergrade.

Keywords:constantratedirection-changing;planarpoli-shing-grinding;grindingmachineFig8Tab1Ref2

“JixieSheji”6410

*收稿日期:2006-04-11;修订日期:2006-07-13

(-男,,,、,7篇。