（机械制造及其自动化专业论文）一种缓解高速研磨机压头冲击的装置和方法.pdf

摘要 本文是结合国家自然科学基金项目“非球面超精密高速研磨的理论与实验研究” ( 项目批准号为：5 0 3 7 5 0 2 1 ) 针对在研磨加工过程中，研磨机的压头在接触加工工件 表面的瞬间，会产生冲击，引起工件的表面变形，进而影响加工精度的问题，提出了 一种新型的的减小压头冲击力方法。该方法是，在压头与工件接触的瞬间形成减压气 垫的方式来减少冲击。论文进行了理论分析，研制了相应的试验台，结合理论分析并 在试验台上进行了试验研究，得到了有关参数对减小压头冲击影响的规律，为更好地 减小压头冲击奠定了基础；同时也证明了本文提出的新方法可显著减小压头对工件的 冲击力。这将为提高研磨加工精度创造了有利条件。 关键词：高速研磨技术冲击力加工精度 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nc o m b i n e st h es t a t en a t u r a ls c i e n c e sf o u n d a t i o np r o j e c t “a s p h e r i cs u r f a c eu l t r a p r e c i s i o nh i g hs p e e dl a p p i n gt h e o r ya n de x p e r i m e n t a l s t u d y ”( p r o j e c ta u t h o r i z a t i o nn u m b e r ：5 0 3 7 5 0 2 1 ) 。i nv i e w o fl a p p i n gp r o c e s s ， t h ep r e s sh e a do ft h el a p p i n gm a c h i n ei nc o n t a c t i n gw i t hp r o c e s s i n gw o r kp i e c e s u r f a c ei n s t a n t a n e o u s ，t h e r ew i l li si m p a c t ，w h i c hc a u s e st h ew o r k p i e c es u r f a c e d e f o r m a t i o na n dt h e na f f e c t sl a p p i n ga c c u r a c y t h i sp a p e rp r o p o s e so n ek i n d n e wm e t h o do fr e d u c i n gt h ep r e s s sh e a di m p a c t i nt h i sm e t h o da na i rc u s h i o n i sf o r m e db e t w e e nt h ep r e s sh e a da n dt h ew o r k p i e c ei no r d e rt or e d u c et h e i r i m p a c t t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sh a sb e e n d o n e a n dac o r r e s p o n d i n gt e s t e q u i p m e n th a sb e e nd e v e l o p e di nt h i sp a p e r c o m b i n i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yi nt h et e s te q u i p m e n t ，w eo b t a i n e dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h er e l a t e dp a r a m e t e ra n de f f e c to fr e d u c i n gt h ei m p a c tb e t w e e nt h e p r e s sh e a da n dt h ew o r k p i e c e i ti n f l u e n c el a yaf o u n d a t i o nw e l lf o rr e d u c i n g t h ep r e s sh e a di m p a c t ；a n da l s op r o v e st h a tt h en e wm e t h o dp r o p o s e di nt h i s p a p e rc a nr e d u c et h ep r e s sh e a di m p a c to b v i o u s l y t h i sh a sc r e a t e dt h ea d v a n t a g e f o ri m p r o v i n gl a p p i n ga c c u r a c y 。 k e yw o r d s ：h i g hs p e e di a p p i n gt e c h n o i o g y i m p a c tr o a c h i n i n ga c c u r a c y n 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，一种缓解高速研磨机压头冲击的 装置和方法是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：莩卫筝善础2 月皿日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：超兰z 年上月2 胡 指删币签名：篚立! 年一月一日 第一章绪论 1 1 引言 先进制造技术已成为一个国家经济发展的核心技术之一，许多国家都十分重视先 进制造技术的水平和发展，利用它进行产品更新、扩大市场份额和提高国际经济竞争 能力。当前，美国、日本、德国等国家的经济发展在世界上处于领先水平的重要原因 之一，就是它们把先进制造技术看作是现代国家经济上获得成功的关键因素。先进制 造技术是当前世界各国发展国民经济的主攻方向，同时又是一个国家独立自主、繁荣 昌盛、经济上持续稳定发展、科技上保持领先的长远大计。超精密研磨技术是先进制 造技术中的一种重要技术“1 。 目前普遍采用的传统散粒磨料慢速研磨，其主要优点是加工精度高，但同时也存 在着一些缺点。磨料散置于磨盘上，磨盘转速不能太高，以避免磨料飞溅，浪费磨料， 因此加工效率低。磨料与从工件上磨下的碎屑混淆在一起，磨料不能充分发挥切削作 用，而且为提高加工效率还要经常将磨料与这些碎屑一起清洗掉，这既浪费了能源、 又浪费了磨料。磨料在磨盘上是随机分布的，其分布密度不均，造成对工件研磨切削 量不均，工件面形精度不易控制：特别是磨料与工件间的相对运动具有随机性，这也 增加了工件面形精度的不确定因素，降低了加工精度的稳定性。在研磨加工过程中， 磨料相互间既有作用力，又有相对运动，这造成了磨料之间产生相互切削作用，即磨 料磨磨料，加重了磨料和能源的浪费。在研磨过程中，大尺寸的磨料承受较大的压力， 而小尺寸的磨料所受到的压力小，甚至不受压力，这使得大颗粒磨料切削深度大，产 生的划痕深，影响工件表面质量，因此为提高工件表面质量，散粒磨料研磨对磨料的 尺寸均匀性要求较高。在研磨加工中要严格控制冷却液的流量，以避免冲走磨料，这 使得冷却效果变差，容易引起工件升温，造成加工精度下降。在研磨过程中，磨盘产 生的磨损影响加工工件的面形精度，这就要求经常修整磨盘，而修整磨盘要求三个磨 盘相互对研，既费事麻烦，又对工人操作技术水平要求高。为避免粗研中所用的大颗 粒磨料被带到下道精研加工中，影响精研加工质量，要求各研磨工序间要对工件进行 严格清洗。工人劳动强度大，对工人技术水平要求高。较硬的磨料容易嵌入较软的工 件表面内，影响工件的使用性能。传统的散粒磨料研磨正是因为存在着上述这些缺点， 使缛其应用受到了一定的限制。正是由于上的这些缺陷，人们不断改进传统研磨技术， 出现了固着磨料研磨技术。 固着磨料高速研磨是将散粒的磨料固结起来，制成专用磨具，在高速研磨机上进 行高速研磨的方法。所用的专用磨具是根据工件的要求，用不同的磨料制成丸片，再 用丸片制成不同形状的磨具，其构造如图1 1 所示。固着磨料高速研磨国外是在六十 年代发展起来的，我国是七十年代发展起来的。固着磨料研磨较好地解决了传统的散 粒磨料慢速研磨中所存在的大部分缺欠。其最大特点是能显著提高研磨加工效率，而 加工效率低是限制传统研磨广泛应用的最大障碍，因此固着磨料高速研磨一出现就受 到了人们的重视。长春理工大学是从七十年代起开始从事固着磨料研磨加工技术的研 究，并成立了专门从事这一技术研究的课题组，探讨了在固着磨料研磨中，研磨压力、 研磨速度、冷却液等对研磨效率和加工质量的影响。这些研究有力的推动了这一新技 术的推广应用m 】。 图1 1 固着磨料磨具不意图 但固着磨料研磨也存在着一个新问题，就是磨具在研磨中会出现磨损，这就导致 了磨具的面形精度下降，以致被加工件面形精度下降。这就要求人们要及时的经常修 整磨具。以往的散粒磨料研磨，所使用的磨盘加工性相对来说比较好。而用于固着磨 料研磨的磨具表面上固结着极耐磨的磨料。这使得磨具修整十分困难，主要是由于这 个因素限制了固着磨料研磨的广泛应用m 。长春理工大学的老师们也早就开始探讨磨具 磨损规律，针对球面研磨，发现了磨具理想磨损的数学表达式，也称为余弦磨耗规律， 并得出根据此规律磨具丸片的分布规则。此后，课题组又专门研究了平面固着磨料研 磨中磨具磨损，并探讨了磨具设计问题。然而磨具磨损是与研磨加工中磨具和工件间 的相对运动及运动轨迹有着十分密切的关系。为此长春理工大学的李懋和老师和刘桂 玲老师又分别探讨了平面研磨和球面研磨中，磨具和工件间的相对运动。而且刘绍东 老师开始从力学角度分析磨具磨损原因。这些研究都是假定工件的转速是已知的，而 且是不变的。因此，这些研究成果对浮动研磨中，工件转速未知的情况，显得勉强， 但这些研究成果都为进一步研究浮动研磨磨具磨损规律奠定了基础。 进入八十年代，我国从事固着磨料研磨研究的人逐渐增多。较早的有北京理工大 学的查立豫教授，浙江大学的曹天宁教授等。他们既探讨研磨机理、研磨工艺，又探 讨磨具与工件间的相对运动。后来裴庆魁，林锦文，章黎明，王翠娣，王锴，辛企明 等一批专家学者都从事着固着磨科研磨加工技术的研究。特别是华劲松和王忠琪等人 还将固着磨科研磨技术，引入抛光领域，研究新型固着磨料抛光片，用于进行高速抛 光，而且张红霞等人还专门研究了在采用固着磨料抛光片进行抛光中，如何保证工件 2 材料的均匀去除问题”。 不仅国内的专家学者从事固着磨料研磨这一技术的研究，而且国外也有人从事这 一技术的研究。d a v i d 等人研究了金刚石固着磨科研磨机理，固着磨料研磨加工工件已 加工表面粗糙度及破坏层等的变化规律。其研究的加工材料是玻璃，重点是探讨工件 已加工表面粗糙度和材料去除量随研磨加工时间的变化规律。他们还比较了不同冷却 液的效果，发现了表面粗糙度与破坏层深度有一恒定关系，这就使人们能根据工件表 面粗糙度值来确定下道工序的去除深度“3 。 目前国外较重视磨料性能的改进，以及丸片制做技术的研究，探讨如何避免丸片 的脱层及裂缝，避免丸片中混入空气，提高磨料和结合剂的均匀性等。为了更好地改 善固着磨科研磨效果、提高丸片质量，日本东京大学还研究了利用电泳沉积法制造高 质量、细磨粒丸片，采用他们研制的丸片加工硅片，已加工表面质量得到了很大改善， 达到8 咖( 波峰一波谷值) 。还有人采用金刚石丸片研磨加工球面和非球面，提高了加工 效率，取终了很好的效果m 。 为了提高研磨加工生产效率及降低成本，在研磨过程中可以同时加工工件的两个 表面，而不是仅仅一次研磨加工工件的一个表面。于是有人研制出双面研磨机。日本 的t o s h i r o h 、k a r a k i - d o g 等人很早就研究了双面研磨加工工艺，为双面研磨的应用创 造了良好的条件。一些学者专门研究将双面研磨技术应用于加工硅片( 集成电路的基 片) ，并成功的应用在生产上。数控研磨机是在工业国家得到迅速发展的机电一体化产 品，适用于加工多品种小批量零件，具有加工柔性好、加工精度高、生产效率高的特 点。数控研磨机的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 数控研磨机的出现减轻了操作者劳动强度、改善了劳动条件，有利于生产管理的现代 化以及经济效益的提高n o 】。 1 2 国内外高速研磨机研究现状 1 2 1 国外高速研磨机研究现状 意大利m e l c h i o r r e 公司新推出的”e l c 系列研磨机。该系列机的加工工序由一个 p l c 控制，所有加工参数均由键盘输入并可在监视器上显示。e l c 系列的一个重要特 点是它的压力控制系统采用了m e l c h i o r r e 9 1 8 3 0 4 4 l 。1 号专利。它由一个闭环机电系统 来控制并施加压力，这对于脆弱工件的加工尤为重要。另外它还采用了 m e l c h i o r r e 8 7 8 3 0 0 8 6 2 号专利对传统的测厚系统作了改进，增加了计数器和传感器， 实现了加工过程中的实时测量。这样，在研磨期间工件的厚度可直接读出。 根据被加工材料的特性和工件对加工精度的要求，m e 乙c h i o r r e 研磨机可使用不同的 研磨盘。研磨盘由铸铁、磨料、金刚石以及特殊合金构成，加工性能优异。冷却装置 能够确保研磨表面的稳定性。由于采用了上述的以及其它一些重要的创新设计， m e l c h i o r r e 。e l c ”系列研磨机具有效率高、操作简易和使用经济等特点，因而适用于所 有相关的生产部门。 该型的数控研磨机，主要的触头接触反馈采用复杂的数字电控控制，优点是其加 工时冲击力小，加工过程中对工件产生的冲击变形小。缺点是其控制反馈系统采用数 字电反馈，故其系统复杂，生产成本较高，影响了其近一步的发展e 1 1 。 韩国s u r f a c es l 6 1 0 i - c l 型单面高速研磨机，有着高强度机械构造和稳定的精度， 主要适用于大型产品或大量小型产品的加工。其特点主要为：高强度铸铁结构，高硬 度机身结构能减少振动，使设备稳定运转。为了提高设备的稳定性。采用高精度主轴。 双汽缸加压装置可任意给各种种类和大小的工件加压。主要适应加工高精度，高硬度 的材料，如硅晶片，陶瓷工件等。 该类型的研磨机，主要以空气压缩机作为其升降压头的动力来源，通过增大或减 小压头尾部气体的压强，来实现压头的下降或上升，其优点是在进给过程中冲击压力 较小，对同一批工件的防冲击保护好，缺点是安装成本高，进给过程缓慢，影响了加 工的速度，由于是气动连接，气体的压缩性必将导致其在加工过程中针对不同的进给 量产生碰撞，影响系统加工的精度。 1 2 2 国内高速研磨机研究现状 中国潮南字晶机器实业有限公司生产的高精度单面研磨机x p 9 5 0 a 单面研蘑杌。该 型号的广泛用于该设备主要用于研磨机上下磨盘的修整及光学玻璃、机械密封件及块 状材料的单面及双面研磨、抛光。其特点是，该设备采用无级调速控制，具有运转启 动平稳，启动扭矩大。该机为重力加压，压力由重块的大小而定。有计数功能，设置 一定圈数后可自动停机，工作过程中产生的磨盘变形，可以通过中心齿轮的啮合，使 修正环强制自转修整。 4 图1 2 韩国s u r f a c es l 6 1 0 i - c l 型高速研磨机 图1 。3 湖南宇晶机器实业有限公司生产的x p 9 5 0 a 高精度单面研磨机 由杭州研磨机厂生产的n a n o s u r f a c e 一6 1 0 l 型高速研磨机，是高精度平面加工设备。 有着高强度机械构造和稳定的精度。设备采用了自律式调节装置，能够较好的使磨盘 的表面在加工过程中不会产生过大的变化，在研磨过程中可随意调节改变磨盘转速。 研磨盘容易更换。适用范围主要包括：硅晶片、陶瓷工件、蓝宝石块、光学零件、l e d 背光模、机械密封件等等。 s 图1 4n a n o s u f f a c e - 6 1 0 l 高速研磨机 这两种型号的研磨机是国内目前使用较多的两种高速研磨机，但在加工进给过程 中有冲击，而所加工的工件又多为陶瓷、玻璃、硅晶片等高硬度，高脆性的工件，现 有的减震方式并不能很好的满足实际工程中的要求，在加工过程中出现由于加载的冲 击力产生的工件形交的问题。在实际加工生产中发现，现有的减小冲击的方式已经不 能很好的满足高速研磨机的加工要求，如何减小冲击，已经是很多从事高速研磨加工 的人所面临的一个重要课题。 1 2 3 本文研究目的、意义及主要研究内容 近些年来，随着高速研磨技术的完善，极大地扩展了研磨技术的应用，各国都在 广泛的应用高速研磨技术进行着以往传统研磨加工方式无法达到的加工。但是在高速 研磨中，存在着一个问题，就是在加工过程中，研磨机的压头在接触加工工件表面的 瞬间，会产生很大的冲击力，这种冲击力，会引起待加工工件的表面形交，甚至会导 致待加工件破裂，进而严重影响加工后的加工精度。”。如图1 5 所示。 6 丘头 _ _ - _ 。_ _ - 一 r 7 工件 。_ 。_ _ 。_ _ - - _ 。_ _ 。_ 。_ _ 。 7 f 图1 5 压头冲击工件示意简图 在高速研磨机的加工过程中，压头主要起到了压紧待加工工件，保证待加工工件 不会在加工过程中发生移动。在加工工程中，由机器控制进给的方式，逐步接近待加 工工件，由于待加工工件的薄厚不一，故导致在进给过程中无法很好的提前判断压头 所需的进给路程长度，从而导致了在加工中，压头对待加工工件产生了很大的瞬间冲 击力，严重的影响了加工的精度。 目前为止，国内外减小压头冲击的办法多采取传统的方法，即利用现有技术采用 气动装置控制压头先快后慢地压向工件，其缺点在于装置复杂，需要根据工件高度调 整压头不同移动速度下的移动距离和各种移动速度。另外，这种技术并没有彻底解决 压头的冲击问题，在实际过程中往往是减小压头的冲击，在加工的过程中，仍然会产 生一定的冲击，影响着研磨加工精度“”。 本文的主要研究工作，就是在现有的方法基础上，提出一种改进方法，即在压头 内开一导气孔，通过压头头部的出气孔流出的高速气流，使压头与待加工工件表面间 形成一层空气膜，随着压头的接近，该气膜的厚度逐渐减小，气体流出的阻力加大， 气流的压力也逐渐加大，这就引起对压向工件的压头产生的阻力也加大，降低压头移 动速度，从而达到减小对工件冲击力的目的“”本文力求通过理论分析，建立相应的 力学模型，并进行大量相关的实验，从而得出在不同加工条件下合适的压头供气方式 及压头的形式。 本文是结合国家自然科学基金项目“非球面超精密高速研磨的理论与实验研究” ( 项目批准号为：5 0 3 7 5 0 2 1 ) 进行的。在实际研磨加工过程中，高速研磨机中压头要 压紧被研磨的工件，使该工件不能产生任何移动，而仅能绕压头回转中心转动，研磨 7 的压力也是通过压头施加在工件表面上的。在研磨开始前研磨机通过一些控制装置将 压头压向工件，在压头接触待加工工件的瞬间，会对工件产生很大的瞬间冲击力，导 致工件的变形，从而影响加工工件的加工精度。因此，缓解高速研磨机压头冲击已成 为当前急需解决的重要课题。现有技术是采用气动装置控制压头先快后馒地压向工件， 其缺点在于装置复杂，需要根据工件高度调整压头压向工件的不同阶段的移动速度。 另外，这种技术并没有彻底地解决压头的冲击问题，因为在实际工作过程中，尽管压 头以缓慢的速度接近工件，但在压头接近工件的舜间压头对工件的冲击也是很大的。 而高速研磨中很重要的一个优点就是研磨加工所能等到的精度高，而压头在接触过程 中的这种冲击力，严重的影响了研磨加工的加工精度。鉴于这种现实情况，本次论文 提出了相应的改进方式，从而达到有效地减少压头接触工件时的瞬时冲击的目的，以 便真正地实现高速，高精度的研磨加工。 s 第二章原理分析 为了使本文的减小压头冲击的方法能够实现，需要首先分析各种条件对减小压头 冲击会产生什么样的影响，对各种条件进行优化处理。为此本章将应用流体力学相关 知识进行理论分析，研究这些条件对减小压头冲击产生的影响，得出这些条件与减小 压头冲击的数学关系，为优化压头和压盖结构奠定基础。 2 1 现有减小冲击方法简述 研磨是一种重要的精密和超精密加工方法，它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。研磨加工除了加工精度和加工质量高这一特点夕卜，还具有 加工材料广，几乎可以加工任何固态材料的特点“目。正是由于这一特点，研磨加工方 法的应用比较早。后来，由于切削刀具材料的发展，切削加工方法因其加工效率高而 逐渐受到重视，使得切削加工在机械加工领域中所占比例增加，而研磨加工在机械加 工领域所占比例一度减少。但近几年来，随着社会的进步，人们对产品性能的要求日 益提高( 影响产品性能的主要因素包括其构件的加工精度和加工质量) ，研磨加工以其 加工精度和加工质量高而再次受到了人们的关注。特别是最近几年信息技术、光学技 术的发展，对光学零件不仅需求量增大，而且对其质量、精度都提出了很高的要求， 而研磨作为光学加工中一种非常重要的加工方法，起着不可替代的作用“阳。因此许多 人从事着研磨加工技术的研究，其宗旨都是进一步提高研磨加工效率、加工精度，降 低加工成本。 在使用高速研磨机研磨加工过程中，当压头接触待加工工件的瞬间，往往会产生 很大的瞬间冲击力，这种冲击力会引起工件的表面变形，增加了加工时产生的加工误 差，降低了工件加工的精度，从而制约了高速研磨机的发展。 为减小压头冲击，可采用现有的减小冲击方法，如图2 1 所示。 在图2 i 中，4 为减震套筒，2 和3 分别为套筒内部两个行腔，通过节流孔1 联通， 5 为研磨机压头。当研磨压头在接触工件的瞬间，压头受工件向上的阻力，移动速度降 低；而减震套筒则继续向下移动，这时行腔3 内的气体的压力增大，其压力大于行腔2 内部的气体压力，使行腔3 内气体通过节流孔i 向行腔2 内流动，同时增大行腔2 内 部压力。随着压头相对减震套筒的向上移动，行腔内的压力逐渐增大，它们对压头的 阻力也越来越大，直至内部压力与外界压力达到平衡状态，这时压头与减震套简停止 相对运动，压头也实现了对工件的压紧。由于这个过程需要一定的时间，从而延长了 压头对工件的冲击时间，这就减小了压头对工件的冲击，达到减小工件变形，提高加 工精度的目的。当压头抬起后，由于内部压力大于外部压力，行腔3 内的气体压力便 推动压头5 向外部运动，同时，由于行腔3 内的压力减少，其内压小于行腔2 内的气 压，促使行腔2 内的气体通过节流孔1 流回行腔3 ，直至行腔2 和行腔3 内部压力均与 9 外部压力达到新的平衡状态。同时，使得压头5 回到了没有接触工件前的初始状态。 在实际工作过程中，通过改变节流孔1 的直径、长度和数量，可调节气体在两行腔间 流动的速度，以改变压头对工件冲击的强度。节流孔1 的直径越大，长度越短、数量 越多，则其反应快，反之，则反应较慢“”。 这种方法的主要缺陷在于其不可调整性，当压头一旦加工完成，其内部的节流孔 也就被固定下来，其压力传导的速度与大小也就固定了，不能随着加工条件的改变而 改变，对具体加工过程的适应性差。同时，由于压头与减震套筒问存在着相对运动， 增加了该种方式的不可靠性。因为，套筒与压头闻存在着磨擦阻力，并且由于其间要 求密封，存在着较大的接触压力，在长期使用后会导致摩擦阻力的进一步增大，从而 减少了减震作用，并且容易损坏该机构“”。基于以上情况，导致了这种传统的方法在 高速研磨的加工中并不能很好的解决压头接触待加工工件的瞬间冲击力问题，所以， 本论文提出了一种解决压头接触工件时的瞬间冲击问题的新方法。 图2 1 现有减小冲击方式原理图 2 2 新型减小冲击方法简述 这种方法的原理如图2 2 所示，在压头内开一个导流气孔，从压头的尾端注入气 流，利用从压头顶部的气孔中喷出的高速流动的空气，在待加工工件与压头中间形成 一条缓冲隔离带，从而将压头接触工件过程中的刚性瞬间冲击，转化为带有空气垫的 i o 柔性接触，从而将大大的减少瞬间冲击力，达到减少瞬间冲击的目的，提高加工的精 度，并且对于提高高速研磨的加工效率也有很大的帮助。 应用这种方法，可以根据实际工作情况，调节注入空气流的速度大小来满足不同 条件下的加工要求。由于不存在压头与其他构件问的相对运动问题，所以，可以很好 的提高其可靠性，从而很好的解决了压头的瞬间冲击力问题。可以预见，这种方法能 减小工件加工过程中的变形，提高高速研磨的加工精度和加工效率，扩大高速研磨机 的应用范围，促进我国精密，超精密加工技术水平的提高。 图2 2 减小冲击力的新方法原理图 2 3 流体力学原理分析 2 3 1 流体力学分析基础 在通常的情况下，研究流体运动时，有两种不同的方法。第一种，是从分析流体 各个微团的运动着手，来研究整个流体的运动。第二种方法，是分析流体所占据空间 中的各固定点处的运动着手，来研究整个流体的运动“”。这两种方法，都是首先由欧 拉提出的，以后拉格朗日运用上述的第一种方法来研究不定常运动，所以前一种方法 被称为拉格朗日法，而后一种方法称为欧拉法，现在将两种方法分析如下： 拉格朗日法是研究运动流体中各个流体微团的运动，具体的说，就是研究流体中 某一指定微团的速度，加速度，压强，密度等描述流体运动的参数随时问变化，以及 研究一个流体微团转到其他流体微团时这些参数变化。因为流体微团是无限多的，所 以应该有一个办法来标注每一个流体微团。这可以这样做，取起始瞬间t = t o 时各个 微团在空间的坐标( a ，b ，c ) 来标定他们。不同的( a ，b ，c ) 将代表不同的微团。， 显然，在瞬时t 任一流体微团的位置，即在空间的坐标( x ，y ，z ) 可以用( a ，b ，c ) 及t 的函数来表示，即 f = 巧托历g 力 y = f 2 ( c ；b , c , t ) b = 巧( 岛匆g 力 ( 2 3 1 ) 式中四个变数( a ，b ，c ，t ) 称为拉格朗日变数。 根据式( 2 3 i ) ，任何流体微团的速度和加速度在盖，y ，z 三个轴上的投影如公 式( 2 3 2 ) 所示。 运用拉各朗日法来研究流体力学的运动，往往会碰到数学上的困难，所以这种方 法一般很少采用。这种方法主要适用于一定的气体质量封闭在一块可变空间内的一类 问题。 矿一鱼一驾( 竺：! ：! ：尘 。ao t 矿一o y 一a f z ( a , b , c , t ) 。7 o t西 矿：鱼：望( 竺! 垒：! ：尘 2 曼，a ， ( 2 3 2 ) q = 监o t = 窘= 学 “。 q = 警= 窘= 学， ，一亚一丝一曼z 照垒刍生 ， 用欧拉法研究流体运动，是分析运动流体所充满的空间中每一个固定点上的流体 速度，加速度，压强，密度等参数随时间的变化，以及沿某一空间点转到另一个空间 点时这些参数的变化胁1 。用欧拉法分析流体运动，相当于在流体所充满的空间的每一 个空间点上都布置一个观察者，他们每一个人都关注它所在点的流体微团的速度，加 速度等物理量参数随时间的变化，在汇集了全体观察者在各个瞬时所得到的数据后， 就可以了解整个流体运动的情况。 按照这种方法，不需要注意各个流体微团的运动，而只要研究描述流体运动的物 理参数在空间的分布，即研究各个物理参数的场，例如速度场，加速度场，压强场以 及密度场等向量场和标量场。因此，在欧拉法中，一切描述流体运动的物理参数应该 都是空间坐标点( x ，y ，z ) 以及时间( t ) 的函数，以空间点上流体微团的速度为例 ( 参看图2 3 ) ，即 矿：窭：f ( 7 ，f ) d t e = 鲁= 石硼 巧= 罢= 舶煽r ) k = 象= 石乃厶f ) 式( 2 3 3 ) 中 图2 3 空间点上流体微团示意简图 矿流体微团在a 点的速度； ( 2 3 3 ) r w a 点的向径； 巧圪速度矿在x ，y ，z 三个坐标轴上的投影； 交数x ，y ，z ，t 欧拉变数。 应该注意，在拉格朗日法中，量x ，y ，z 是同一个流体微团在空间的位置坐标， 而在欧拉法中，量x ，y ，z 则是空间点的坐标，在不同的瞬时，有许多不同的流体微 团通过这些点嘲。 运用欧拉法研究流体运动时，数学上的困难比较少，而且能使我们广泛地运用数 学中的向量分析。根据欧拉法，可以按照流体流动所依赖的变数的数目对流动加以分 析。 如前所述，在最一般的情况下，分速度v xv yv z 和压强p ，密度p 等描述流体运 动的参数都是坐标( x ，y ，z ) 与时间( t ) 的函数；但是在某些情形下，在任意空间 点上，流体微团的全部流动参数都不随时间而改变，这种流动称为定常流动。”。它满 足下列条件： 亟一丝一丝一鱼一塑一n 劈西牙a 雳 ( 2 3 4 ) 此时流体的全部流动参数将仅仅是坐标的函数： l = 天q y z ，n 丘= 石似y , z , o 形= 石亿另乃力 ( 2 3 5 ) p = ，i o y 。z 。t ) p = 氏o y z t ) 在任意空间点上，流体微团的全部流动参数( 或其中的一部分流动参数) 随时间 发生变化，这种流动称为不定常流动。这时 盟仍翌仍竺口 aa tj 魂 宴o ( 2 3 6 ) 亩 。 塑o 西 ( 同时成立或其中的一部分成立) 如果流体在流体中流动参数是三个空间坐标的函数，这样的流动叫做三维流；如 果是两个空间作标的函数，就n - - 维流或平面流；如果仅是个空间作标的函数，就 叫一维流。如果把时问与空间结合起来，则有一维定常流，一维不定常流，二维定常 流，二维不定常流等嘲。在实际工作中，流体力学，特别是其中的可压缩气体力学部 分，目前并没有一种行之有效的固定公式，大多是通过大量的工作实验经验来总结出 的经验公式和模型，在这些模型中，将应用到大量的计算。故在后面将就本试验研 究可能应用的部分计算方法进行初步的探讨。 在本文中所提出的新型减小冲击的方法主要是依靠高压气流在压头口的高速喷 出，从而完成减小加工过程中的冲击力，而高速气流在流经压头的过程中主要分成两 部分，一部分是在压头内部的流动，一部分是从管口的高速流出。故此，本小节主要 针对高速气流在这两个不同的部分进行分析。由于气体的压强很大，在本文中力学分 析的气体可近似看作是不可压缩的流体，以方便计算。 2 3 2 气体在压头内部固定空间的流动力学分析 在导气孔内的气体，由于导气孔口两端的气体压强不同而导致流动，在流体力学 上这种由两端的压差引起的流动通常称为压差流。在本节中，选取导气孔内任意一轴 向截面( 如图2 4 所示) 这段气体的流动进行分析。由于选取的是沿轴向，宽度b 很 微小的截面，所以可将此截面看作是气体在长为l ，宽为b ，缝隙间高度为h 的两平行 板所形成的矩形面内流动，由于其宽度b 很小，故可以不考虑沿宽度方向的流动。下 1 4 面分析缝隙两端由于压差p = p 卜p 2 而引起的压差流动情况。 图2 4 导气孔轴向截面流体速度分布示意 在图示的坐标系统中，一维定常层流的流体运动速度= ( 纠，v = o ，w = o ( v ，w ， 为y ，z 向的速度) 由连续方程玩色- - 0 ，对于不可压缩流体，并且忽略质量力，则粘 性不可压缩流体的运动微分方程可以简化为 f 一土鱼十v 垂：0 ， lp 缸 昆2 j _ 上鱼：0 ( 2 3 7 ) ipa y | _ 三鱼：0 【p 出 后两个公式说明，压强p 只是沿着x 方向变化，与y ，z 无关。所以 垒：垒：一生 敏出l 由于速度u 只是z 的函数，因而扩搿尼矿可以写成口应2 ，于是式( 2 3 7 ) 变为 一d u 1 垒；三生：一生 ( 2 3 8 ) 群p v 出l a 凼p l 这就是平板缝隙中层流运动的常微分方程式，其中a = p y 。积分上式得到 搿：去粤，+ q 十g 舻五玄r + 十q ( 2 3 9 ) 并利用边界条件z = 0 时，u - - - o ，z = h 时，u = o ，可求得q = 一去譬五，c 2 = 0 ，则沿断 z l 甜 面速度分布规律为 = 去( 一妾 怍咖舞伊刁z 眨。 可见，速度u 沿缝隙高度按抛物线规律分布，如图2 4 所示。上式即为固定平行 平板缝隙压差流动时的速度分布规律，它和圆管内层流运动速度分布公式形式相类似， 其速度分布呈二次抛物曲面。 对式( 2 3 1 0 ) 求一阶导数并令其为零，即d u d z = 口，得z = 2 处有最大速度 2 盎矿 ( 2 3 1 1 ) 通过缝隙的流量为 邮r 娩= 瓮肛：2 j 出2 瓮 泣。 由上式可以看出：通过两固定平行平板间隙的流量q 与间隙高度h 的三次方成正 比，说明间隙高度h 对流量的影响是很大的。 平均流速 。：皇：旦：堡生 彳h b1 2 肛 ( 2 3 1 3 ) 与式( 2 3 儿) 比较得 2 肛j 压强损失( 压强降) ，由式( 2 3 1 2 ) 可得 印= 警 由于宽度b 和高度h 均是导气孔内的任意一轴向的界面的宽和高，所以对b ，h 乘 积的积分乘以系数兀即可得导气孔的横截面面积s ，在数值上等于r 2 7 【，其中r 为导气 孔横截面圆半径，故式子2 3 1 4 在扩展到整个导气孔时，可近似得： 舻= 警胁刀 1 6 由此可知，在压头内部时，气体的流动会带来一定的气体压降，该损失与气流通 过的路程成正比，与导气孔的横截面面积成反比，亦即与导气孔直径成反比。在新型 的减小冲击的方法中，气体是由空气压缩机提供，经过压头的导气孔流出。由本小节 的分析可知，为了使气流从导气管流出时能基本保持从空气压缩机流出时的压强，以 达到较好的减小冲击效果，应该减少气流在通过的导气孔长度，并尽可能的减小导气 管直径，从而达到使气体流出时的压强与理论所需的压强更加接近。 2 3 3 气体从管口高速流出时力学分析 在压头与压盖距离减小的时候，压头与待加工工件的表面可简化为两个平行平面， 两个平行平面间隙中的径向流动可看作是轴对称流动，气体在两个平面间的流动，通 过反冲作用力和喷射到压盖上的反作用力，共同成为阻尼力，使压头的速度减小，延 长了压头与工件的接触的时间，减小了压头与压盖接触时压头的初始动量，从而达到 了减少冲击的目的，我们在这里从两个方面进行论证。由于此时压力增大，放本文认 为可近似的将此部分气体认为是不可压缩，以利于计算。 平面间的压差流动 在某一压头接近带加工工件的时刻t ，两个平面间的间隙为h ，有气流通过中心 导管孔引入间隙，于是气体就沿着径向间隙向四周流动，这种现象称为源流，与此相 反，气体在间隙中由四周流向轴心导管的现象，称为汇流。本小节所讨论的情况为 源流，其形式如图2 5 所示。 设导管半径为石，来流压强为届，流量为q ，两板之间的间距为h ，圆板的半径为 局，忽略质量力，仅考虑粘性力的影响，任意半径为r 处取一小段d r 的流层，近似的 可把这薄流层视为宽度为2 耵的平行平板间的流动，于是速度分布为 社= 去( - 笔胎翻 ( 2 3 2 1 ) 1 7 图2 5 压差流动示意图 由公式( 2 3 2 1 ) 可得，沿径向的压力梯度为 生：一一6 # q d r芤睛 积分上式，可得 ，= 一器血厂+ 嘲娜动 其中c 为积分常数。当，= 局时，p = p 2 ，于是 当r = r o 时，= 乃，则 a p = p , - 见= 等血鲁 于是得流量q ( 2 3 2 2 ) ( 2 3 2 3 ) ( 2 3 2 4 ) ( 2 3 2 5 ) l s 仍 兄 局 ， 毗 得a ，等跏肖一碍 护毒 届 由式( 2 3 2 4 ) ，通过对2 n r d r 的积分，可以求出下圆盘所受液体中作用力为 ，= 眉，r 孑+ e 唾芳血譬+ p 2 ) 2 z r d r = 局石右+ 扔，r ( 碍一彳) + _ 1 2 厂p q r r 厂血届毋一e ，i n r d r 最后一个积分式用分部积分法，可得 ，= 国一p 2 如哥雌霹+ 半竿一害血争 将式( 2 3 2 5 ) 带入到上式简化得到 ，_ 删+ 挚( “m 雌血乎 r o ( 2 3 2 7 ) 如果圆盘外的压强，见- - 0 ，则式( 2 3 2 7 ) 可以简化为 肛挚c “，2 擎 这就是在已知q 或局地情况下，可求得圆盘受到的反从作用力的公式 平面间的挤压流动 在压头与工件不断接近的过程中，气流受到了上下两个平面的挤压，并对上下两 个平面产生了反作用力啪1 。现在对这个反作用力进行求解。 可设上下两个圆形平板，其半径为r ，两板问的间隙为h ，假设下板固定，上班以 速度u 向下运动，在挤压板间的流体做轴对称流动。 在半径为为r 处，取一薄层d r ，将此薄层展开后，可近似的视为宽度为b = 2 n r 的 两平行板的流动，因此沿间隙高度上下的流速按公式( 2 3 2 1 ) 规律分布，沿径向的 压力梯度，由式( 2 3 2 3 ) 得到 生：一丝( 2 3 2 8 ) d r冗讲 另外，通过半径r 处过流断面的流量应等于半径以内的流体被排挤的流量，即 q = z r 2 u 将式( 2 3 3 9 ) 带入式( 2 3 3 8 ) ，得 笔= 一等，玉秸 1 9 积分上式，得 ，= 一等，十f 式中，积分常数c 可由边界条件确定，当r = r 时，= 岛，于是 f = 局+ 等 于是求得压强分布规律为 ，= 岛+ 1 3 矿z u f a n g 2 一力 ( 2 3 3 0 ) 由上式可知，挤压流动中压强沿径向按抛物线规律分布，且在r - o 处，压强为最大值 。 3 l l h 萨 。风+ 亍 ( 2 3 3 1 ) 板h 的总作用力 f = r z ，r 枷= r p o + 等( r 2 _ r 2 ) 】2 石砌训2 风+ 警 若p o - - 0 ，则 ，：掣 2 ( 2 3 3 3 ) 由推导出来的公式可得到如下结论：圆板上的总作用力f 与挤压速度u 的一次方 成反比，与半径r 的四次方成正比，与流体层厚度h 的三次方成反比。即，当压头内 气体压力一定的时候，球头半径越大，减缓压力的效果越明显，并且随着压头与压盘 的距离不断接近，这种压力反冲越明显。在实验过程中，将针对不同的实际情况建立 模型，并进行分析。 第三章试验台研制 为了使本文提出的减小压头冲击的方法能达到预期的效果，应进行相应的实验， 并进行加压过程的优化。为此本章研制了相应的实验台。 3 1 试验台工作原理 本章研制的试验台是用来模拟实际工作中压头撞击工件的过程，其原理简图如图 3 i 所示： 上盖板 中板 图3 1 试验台原理简图 在实际工作状态下，压头以一定的初速度移向工件及压盖，与压盖接触后速度 在很短的时间内降为0 ，由冲量方程i = f t 可知，在冲量一定的情况下，压头与工件接 触的冲击力与冲击时间成反比( 由于工件与压盖问是刚性接触，压头对压盖的作用力 就等于工件所受到的力) 。由于压头与待加工工件均为硬度较大的材料制成，所以二者 在接触过程中的变形时间很短，从而使加工过程中压头与工件接触的瞬间冲击力变得 很大，影响了加工的精度。在应用该试验台进行在试验时，由球型压头模拟研磨机上 的压头，压头下的压盖模拟待加工工件，通过压头冲击压盖的过程来模拟在实际工作 过程中压头压向待加工工件的过程。在未工作的状态下，四根由于受压力而缩小长度 弹簧所产生的弹力，正好平衡了试验台上盖板的重力，使得试验台上盖板部分保持静 止，并通过螺栓头来限制了上盖板与中板之间的距离。在试验中，将在压头上加装重 物，使试验台上部整体向下的重力大于弹簧压缩产生的阻力，从而使试验台上盖板和 压头整体做向下的小加速度运动，并撞击压盖，从而模拟研磨机在实际加工过程中压 头与工件的碰撞，通过压盖所连接的压力传感器记录在碰撞过程中的压盖所受力的变 化情况。取下外加重物，弹簧的弹力又将大于上盖板所受的重力，弹簧将上盖板弹起 到初始位置，压头随上盖板一起恢复初始位置。将空气压缩机通过图中所示进气孔与 试验台上的压柱相连接，向压头内注入压缩气体，该气体通过压头内部的通孔从压头 前端喷出，待喷出的气体压力稳定后，将重物压块安装到压头上，通过重力作用，使 压头再一次与压盖进行碰撞，并通过压力传感器记录第二次产生的压力值。由于两次 重物与弹簧都没有改变，两次碰撞的外部动力相同，唯一不同的就是第二次碰撞有从 空气压缩机输入压头，并由压头喷出的高压气体，通过记录两次所测得压力的峰值， 第二次的峰值如果小于第一碰撞的峰值，则证明了这种方法可以减小压头与工件碰撞 所产生的冲击。由于此试验台是用来模拟在实际生产过程中压头与工件接触的情况， 则亦可以证明本论文所提出的新型减小高速精密研磨机压头冲击方法的可行性。 3 2 试验台机械系统研制 试验台的设计，以能够模仿高速研磨机的正常工作状态下压头与工件的接触为目 的，从而能够完成本次冲击压力测量试验。 试验台设计整体装配图如图3 2 所示。在实验台中，所有的螺栓、螺、弹簧、螺 母均为标准件，都不需要进行加工，其中上盖板与中板连接的螺栓为m 1 6 的长螺栓， 长度为1 2 0 r a m ，其配用螺母为m 1 6 的螺母。连接中板与下底板的螺柱