（机械制造及其自动化专业论文）平面数控高速研磨机加工工艺参数专家系统研制.pdf

摘要 在平面高速研磨实际加工过程当中，研磨参数主要靠生产技术人员根据日常加工 经验确定，而不能从加工全局考虑选取最优的加工工艺参数组合。这样就给加工工艺 参数的确定带来了很大的随意性，使得被加工工件的精度得不到可靠保证，产品质量 不稳定；能够得到很好加工效果的工艺参数组合又不能及时的被记录下来，为日后的 加工服务；同时也不利于加工经验的积累。针对以上问题，本文考虑采用计算机技术 结合人工智能理论的方法建立高速研磨领域的专家系统。利用专家系统，根据规则推 理生成合理的加工工艺参数。 本文分别以硬质合金、光学玻璃、氧化铝陶瓷、t i o 钢，四种材料为例，讨论了 平面高速研磨中偏心距、研磨压力、磨料粒度、主轴转速等研磨参数的确定方法，并 进行了相应的研磨实验，对影响加工工艺参数的因素进行了分析。 本文以高速研磨加工实验和以往加工经验为基础，使用a c c e s s 建立了专门用于高 速研磨的加工工艺参数数据库；利用产生式规则表示了研磨加工知识，实现了知识库 的创建，并且以表面粗糙度为目标创建了大量的推理规则，用于推理机的推理；采用 正向推理方法，利用前项链接技术进行推理机的创建；最后，使用面向对象的v c + + 结合m i c r o s o f t a c c e s s 为系统的开发平台，进行了人机接口的设计和后台的逻辑编程， 使用系统建议的研磨参数进行系统调试，最终形成具有实用价值的应用程序。论文还 进行了相应的实验研究，结果表明本文开发的专家系统对于给定的工件能给出合理的 研磨工艺参数。 关键词：高速研磨专家系统研磨参数数据库推理机 a b s t r a c t i nt h ea c t u a lp r o c e s so fh i 【g hs p e e d p l a n el a p p i n g ，t h el a p p i n gp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d b yt h ew o r k e r sa c c o r d i n gt ot h ed a i l ye x p e r i e n c e t h e yc a n tc o n s i d e rt h ed e t e r m i n a t i o no f t h el a p p i n gp a r a m e t e r sa saw h o l e ，s ot h a tt og e tt h eo p t i m a ll a p p i n gp a r a m e t e r sc o m b i n a t i o n t h er e s u l to ft h i sc o n d i t i o ni st h a tt h ed e t e r m i n a t i o no ft h el a p p i n gp a r a m e t e r si sc a s u a l s o t h em a c h i n i n ga c c u r a c yo fw o r k p i e c ec a n tb eg u a r a f i t e e da n dt h eq u a l i t yo fp r o d u c ti s u n s t a b l e a n t h e rp r o b l e mi sw h e nt h ew o r k e r sf i n dao p t i m a ll a p p i n gp a r a m e t e r s c o m b i n a t i o n ，t h e yc a n tr e c o r di ti nt i m e ，s ot h a ti tc a n s e r v et h ea f t e rp r o c e s s i n g t h a ti sb a d f o ra c c u m u l a t i n gt h ep r o c e s s i n ge x p e r i e n c e s o ，t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h ec o m p u t e ra n d a it e c h n i q u ea r eu s e di nt h i sp a p e rt oe s t a b l i s ha ne x p e r ts y s t e mi nt h ef i e l do fh i g hs p e e d l a p p i n g t h ee x p e r ts y s t e mw i l lc h o o s et h el a p p i n gp a r a m e t e r sr e a s o n a b l ea b a s e do ns o m e r u l e s t a k i n gf o u rm a t e r i a l si n c l u d ey g 6 ，k 9 ，t 1 0a n da 1 2 0 3a se x a m p l e st oi l l u s t r a t et h e m e t h o do fd e t e r m i n i n gh i g hs p e e dl a p p i n gp a r a m e t e r ss u c ha se c c e n t r i c i t y , p r e s s u r e ，鲥ts i z e a n ds p i n d l es p e e da r ed i s c u s s e d t od ot h el a p p i n ge x p e r i m e n ta n da n a l y s i st h ei n f l u e n c i n g f a c t o r so ft h ep a r a m e t e r s t oe s t a b l i s ht h eh i g hs p e e dl a p p i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sd bo fu s i n gm i c r o s o f ta c c e s s t h a ti sb a s e do nt h ee x p e r i m e n ta n dt h ed a i l ye x p e r i e n c e t od e s c r i b et h el a p p i n gt e c h n i q u e w i t ht h ep r o d u c t i o nr u l e sa n de s t a b l i s ht h ek n o w l e d g eb a s e a st h es u r f a c er o u g h h e s so ft h e t a r g e tt oc r e a t em a n yi n f e r e n c er u l e sf o rt h ei n f e r e n c ee n g i n e u s i n gt h ef o r w a r di n f e r e n c e m e t h o d ，t h ei n f e r e n c ee n g i n ei s e s t a b l i s h e dw i t hf o r w a r dl i n kt e c h n i q u e f i n a l l y , t h e m a n m a c h i n ei n t e r f a c ei sd e s i g n e da n dt h ep r o g r a m sa r ef i n i s h e db yt h ev c + + t h a ti s o b j e c to r i e n t e da n dm i c r o s o f ta c c e s s a n du s i n gt h ep a r a m e t e r st h es y s t e ms u g g e s t e dt o d e b u g g i n gt h es y s t e mt om a k eu pa na p p l i c a t i o np r o g r a mw i t hp r a t i c a lv a l u e i nt h ep a p e r , a e x p e r i m e n ta b o u tt h es y s t e mw a st a k e n ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e a s o n a b l ep a r a m e t e r s f o rt h ed e t e r m i n e dw o r k p i e c e sc a nb es u g g e s t e db yt h ee x p e r ts y s t e m k e yw o r d s ：hig hs e e d ia p pin g e x p e r t s y s t e m ia p pin gp a r a m e t e r sd a t a b a s e i n f e r e n o ee n g j n o 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，平面数控高速研磨机加工工艺参 数专家系统研制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。 除文中已经注明雩| 用的内容外，本论文不包含任何其缝个人或集体已经发表或撰 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出本人承担。 刀中| ， 作者签名：蛰：毽翌辟三月丛日 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“长誊理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定，燕意长春理工大学保留并向中圜科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它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瘴进行检索，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。 作者签名堑堑呈乞年三月卫日 指导导师签名： 第一章绪论弟一早硒记 1 1 超精密加工及研磨技术的发展 1 1 1 超精密加工在国内外的研究概况 随着航天技术以及微电子技术的发展，精密和超精密加工技术已经成为国际竞争中 取得成功的关键技术。因为现代工业需要很高的制造精度，需要精密和超精密加工的 零、部件越来越多，由此产生了以精密工程、细微工程和纳米加工技术为代表的现代 制造技术的前沿技术。精密和超精密加工技术成为各国发展尖端技术的基础，其发展 水平成为代表制造业发展程度的重要标志。 目前，在发达国家中，一般工厂能稳定掌握的加工精度是l t * m ，与此相应，通常将 加工精度在0 1 - 1 1 * m ，加工表面粗糙度在r a o 0 2 0 1 l * m 之间的加工方法称为精密加工， 而将加工精度高于0 1 l j m ，加工表面粗糙度小于r a o o l g m 的加工方法称为超精密加工 i i o 我国现在的机械制造技术水平与发达国家相比还有相当大的差距，主要表现在两个 发展方向上：一是高度自动化技术，以f m s 、c i m s 和敏捷制造技术为代表；另一个是 精密和超精密加工技术，以超精密加工为代表。 当前超精密加工多种加工方法已达到纳米级，而且实现了单个原子的移动。为了进 一步提高超精密加工技术水平，各发达国家都在努力研究新方法、新工艺，以实现新 的突破。日本的e r a t o 计划中，把纳米技术作为其六项优先技术之一。英国国家纳米 技术( n i o n ) 计划已经进行。我国己把先进制造技术作为今后重要发展的研究领域，而 超精密加工技术就是其中的一个重要组成部分。 日本的津和秀夫教授形象地将超精密加工比作富士山的山顶，所以在某种意义上说， 己到达了精密加工的顶峰瞳1 。今天除了精度以外，人们对表面完整性还提出了新的要求。 本谷口纪男教授往往将超精密加工技术与微细加工综合在一起来加以介绍，客观上反 映了两种技术的交叉，也体现了时代的特征。超精密加工技术随着时间的推延，精度、 难度、复杂性等都在向更高层次发展。以金刚石切削为例，其刃口圆弧半径一直在向更 小的方向发展，因为它的大小直接影响到被加工表面的粗糙度，而粗糙度是光学镜面的 一项重要指标。根据日本大阪大学岛田尚一博士介绍，为了进行切薄试验，目标是切 屑厚度达到l n m ，其刃口圆弧半径接近2 - 4 n m 。直至今日，这个水平仍为世界最高的。 超精密机床的发展，已经相当成熟。它是超精密加工中最重要的硬件，它集大量高新 技术成果于一体，如高精度主轴、微黾进给装置、高精度定位系统、气浮导轨技术、热 稳定性技术、n c 系统等。特别是美国的l l l 实验室、日本的不二越、东芝机械等公司。 研磨作为精密和超精密加工的重要方法之一，一直受到国内外的高度重视。多年来， 很多人致力于这一方面的研究，取得了很多的研究成果，出现了很多的加工方法和实 现形式，并在这一领域，努力实现高精度、高效率的研磨加工。 1 1 2 研磨技术的发展及在应用中存在的问题 研磨是最古老的加工工艺，也一直都是超精密加工中主要的加工手段。通常，研磨 为次终加工工序，将平面度降低至数微米以下，并去除前道工序( 通常为磨削) 产生的 损伤层。 研磨加工除了加工质量和加工精度高这一特点外，还具有加工材料广，几乎可以加 工任何固态材料。正是由于这一特点，研磨加工方法的应用比较早，在原始社会，人 类的祖先就用研磨加工方法来加工石制工具口儿钉。后来，由于切削刀具材料的发展，切 削加工因效率高而逐渐受到重视，使得切削加工在机械加工领域中占很大比例，而研 磨加工在机械加工领域的比例一度减少。但近几年，随着社会的进步，人们对产品性 能的要求日益提高，研磨加工因其加工精度和加工质量高而再次受到人们的关注聆剐盯1 。 许多人从事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。 目前，国内外研磨主要还是采用散粒磨料在慢速研磨机上研磨。其特点是加工设备 简单，投资少，加工精度不稳定，加工成本高，效率低。正是由于散粒磨料研磨存在 一些不足，所以许多学者在研究新的研磨加工技术。 有人研究新型研磨液以改善研磨效果。还有人哺儿明研究了不同磨料和不同材料磨盘 的研磨效果，以寻求对应于不同工件的最佳磨料及磨盘。 j e o n g d uk i n ，m i n s e o gc h o in 训和t a k a os h i n m u r a ，t o s h i oa i z a w a u 等人 专门研究了圆柱面的研磨加工，杉浦修等人研究采用磁力研磨法加工圆柱面的研磨机 取得了较好的效果。我国的学者，如天津大学的邓广敏等人n 明专门研究了陶瓷圆柱面 的研磨，周俊n 3 1 研究了主轴套筒的研磨，朱长茂n 钔研究了高精度小轴的研磨加工。 研磨机是保证研磨加工的重要条件，因此人们n 鄙口嗣专门研究了各种不同的研磨机。 为了提高研磨加工效率，人们在研磨加工自动化方面做了许多工作n 7 儿旧1 ，从而实现了 连续研磨加工。特别是有人将计算机引人研磨机中，以进行特殊曲面加工n9 。，还有人 将监测技术引入研磨加工中，对研磨过程进行监控。 目前，国外高品质的研磨机床已实现系列化，而且加工精度已达到很高的水平。如 s p e e d f a m 高速平面研磨机，具有粗研磨及精研磨的广泛研磨能力，能以短时间和低成 本获得较高的平行度、平面度以及表面粗糙度。既使不熟练的操作人员，亦能达到尺 寸公差3 啪、平面度0 3 m 、平行度3 帅、表面粗糙度r a o 2 啪以内的高精度加工水平。 又如t a k a on a k a m u r a 等人研制的硅片研磨机，可同时加工5 片直径为0 1 2 5 m m 的硅片， 它采用超声波进行硅片的厚度控制，当硅片厚度在5 0 0 - 5 1 5 帅时j 经过2 4 3 0m i n 的 2 抛光，尺寸可达到4 8 0 0 3 ，平均材料去除率0 5 卜0 5 7 1 a m m i n 。 目前普遍采用的传统散粒慢速研磨，存在的缺点主要有：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，造成对工件研磨去除量不均，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。 考虑到上述原因，人们试图探索新的研磨方法，以解决散粒磨料研磨所存在的问 题。所以出现了振动研磨、磁流体研磨、磁力研磨、弹性发射、用液体结合剂砂轮研 磨、电解研磨、e l i d 在线修整研磨、固着磨料研磨等各种新的研磨加工方法。 1 2 固着磨料高速研磨简介 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。 3 图i 1 固着磨料磨具示意图 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。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磨片的分布规则。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悖。 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，王楷，辛企明 等一批专家学者都从事着固着磨料研磨加工技术的研究。特别是华劲松和王忠琪等人 还将固着磨料研磨技术，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巾，如何保证工件 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料研磨机理，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 己加工表面粗糙度和材料去除量随研磨加： 时问的变化规律。他们还比较j ，不同冷却 4 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。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料研磨效果、提高丸片质量，日本东京 大学有人还研究了利用电泳沉积法制造高质量j 细磨粒丸片，采用他们研制的丸片加 工硅片，己加工表面质量得到了很大改善，达到8 n m ( 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，取得了很好的效果。 1 3 平面数控研磨机简介 目前国内的高速研磨机的操作控制方法基本上是延续传统慢速研磨机的人工手动 控制方法。而固着磨料高速研磨加工效率较高，加工时间短，辅助时间相对来说变得 较长。特别是工人上、下工件操作变得频繁，工人的劳动强度相对传统的慢速研磨有 所提高。为加快固着磨料高速研磨的普及应用，还应该对研磨机的操作控制进行必要 的改进以减轻工人劳动强度，提高加工效率。其工作原理如图1 2 。 当机床电源接通后，计算机进行系统初始化后向操作者询问是否要调整机床的偏 心距，如不需要调整偏心距，计算机直接进入研磨状态。当需要调整机床偏心距是， 可直接输入工件的有关参数，计算机根据磨具均匀磨损理论和均匀研磨工件原理，计 算出合适的偏心距，并控制步进电机旋转，设置好偏心距。之后，计算机进入下一个 过程，即研磨加工。计算机向操作者询问是否进行研磨加工，如不想加工或发现前面 的输入有错误等时，则重新进入循环；若想加工，计算机要求操作者输入所要去除掉 的加工余量，然后，计算机就控制机床运转进行研磨加工，并对工件的研磨加工量进 行在线监测，并不断的将测得的加工量与输入计算机中设定的加工余量进行反复比较， 当工件被研磨到所要求的尺寸后，计算机控制机床停机。其中在各个工作环节上都允 许操作者进行人工操作控制，使操作者能根据需要进行强行中断和调整等工作。 5 图1 2 数控研磨机工作原理流程图 1 4 论文的主要研究内容 固着磨料高速研磨的加工效率高，加工时间短，辅助时间相对来说变得较长。所 以为研磨机加上数控设备，提高研磨机自动化程度，是今后研磨装备的发展方向。而 数控系统中有关研磨参数的确定成了一个突出问题。目前的研磨参数如：研磨压力、 主轴转速、选用的磨料粒度、偏心距，这些参数的确定主要靠有经验的生产技术人员 凭借以往的加工经验来确定。这样就给加工工艺参数的确定带来了很大的随意性，使 6 得被加工工件的精度得不到保证，产品质量不稳定。这样的判断方法不利于经验的传 承，而一个初级的工人要成长为一个有熟练研磨经验的工人要花费很多的时间去培养； 另外所采用的参数没有整体优化的概念，难己达到最佳的加工效果。所以，研制出一 个具有指导实践加【能力的专家系统是十分必要的。 本文主要研究的内容有以下几部分： 1 研究了影响研磨加工精度的参数，这里主要研究了影响已加工表面粗糙度的研 磨参数，并通过实验分析了影响这些参数变化的主要因素。 2 结合本系统的要求，进行了系统需求分析，研究了专家系统的结构、组成模块， 针对本系统的结构特点设计了具体的模块。 3 对专家系统中所涉及的数据库理论进行了研究，结合研磨工艺参数设计了数据 库结构，实现对研磨参数的各种操作。 4 根据研磨参数的优化关系建立了基于规则的知识库和推理机，利用v i s u a lc + + 在w i n d o w s 操作系统下实现了系统的各部分功能。 7 第二章高速研磨工艺参数专家系统的推理依据 我国在机械制造领域与发达国家的水平差距主要表现在自动化程度和加工精度两 个方面，所以将专家系统与高速研磨技术结合到一起，是一种综合提高机械制造水平 的方法。在本章当中，将介绍高速研磨工艺参数专家系统的推理依据。专家系统的推 理不是独立存在的，而是要根据研磨领域的专业知识，结合实际的加工经验进行推理。 所咀本章将研磨知识和加工经验进行整理，并做研磨实验，对影响确定研磨参数的因 素进行研究，为后面专家系统的建立提供基础理论，为推理提供依据。本章当中，将 以研磨被加工工件表面粗糙度为评价目标，对儿个研磨参数进行实验研究和理论分析， 得出某一参数的确定方法或变化趋势，在后面的章节里面将这些确定方法和变化趋势 转化为推理规则，进行推理。 表面粗糙度是指加工表面上具有的较小的间距和峰谷所组成的微观几何形状特性 1 。它主要是由所采用的加工方法形成的，如切削过程中在工件表面上留下的川具痕 迹以及切削分裂时的材料塑性变形等。 工件表面的粗糙度大小对工件表面的摩擦磨损、 疲劳强度、冲击强度、耐腐蚀性，接触刚度、抗振 性、配合性质( 如间隙配合中的间隙和对心精度、 过盈配合中的结合强度) 、测量精度、密封性、噪音、 涂漆和喷涂质量、以及外观等有很大影响。由此它 直接影响到机器和仪器的使用性能和寿命，特别对 运转速度快、装配精度高、密封性要求严的产品， 更具有重要意义。 本文实验当中使用的检测设备是“非接触式表 面粗糙度仪”设备图片如图2l 。 型号：w y k on t l l 0 0 精度p s i ：3 a mi a m ；v s i ：3 n m p m i ng 风。 综合以上分析，选择合适的偏心距要全面考虑各方面的因素，比如要考虑力矩的 因素，要考虑工件转速的因素，要考虑磨盘均磨损的因素，要考虑工件均研磨的因素。 所以要根据实际实际情况确定各个条件的优先级，来综合判断，最终确定一个合适的 参数，这也是专家系统所要完成的任务之一。 2 2 磨料粒度的选择与实验分析 磨料的种类很多，它的分类可按照它的硬度来分的，硬度最高的是金刚石，有人 造金刚石和天然金刚石两种；其次是碳化物类，如黑碳化硅、绿碳化硅、碳化硼、和 碳化硅硼等，再次是硬度较高的刚玉类，如棕刚玉、白刚玉、单晶刚玉等；硬度最低 的是氧化物类，一般用作抛光微粉1 。本文中选取的磨料为人造金刚石，它适用于研 磨除钢铁材料以外的所有材料，特别适合于研磨硬脆材料，如硬质合金、陶瓷、光学 玻璃等。 磨料按其粒度的大小分成三类：磨粒( 8 4 - - - 8 0 。) ；磨粉( 1 0 0 。 2 8 0 。) ；微粉( w 4 0 - - - w 0 5 ) 。研磨一般只用微粉。 2 2 1 磨料粒度的选择原则 一般地，磨料粒度越细，研磨加工的工件表面质量越好，但其加工效率就越低， 为了提高加工效率，研磨加工一般至少要采用两道工序。第一道工序采用较粗的磨料， 在保证工件面型精度和一定的表面粗糙度的前提下，尽量提高加工效率。特别是在研 磨玻璃的情况下要制定更加细致的工艺路线，因为玻璃工件的初始表面粗糙度越粗超 精研后的表面粗糙度也越粗乜4 1 。磨料粒度不仅决定着研磨能力的大小，更重要的是决 定着研磨加工质量的好坏，磨料的粒度越细，获得的尺寸精度越高、表面粗糙度值越 低，所以，在选用磨料粒度时，应根据加工精度的高低来考虑。对于不同的精度要求， 都有一个最高切削能力的磨料粒度，但这并不意味着被选定的该粒度号数的所有磨料 的切削能力都是最高的，而是要看每批同种粒度的磨料中，基本颗粒的数量有多少。 粗粒与细粒都对研磨加工质量不利，粗粒凸出于结合剂的部分大，粉碎快，会降低研 磨效率，细粒藏在粗粒下面，很难接触到工件，它的切削作用小。因此，在研磨工作 中，要求磨料的颗粒基本均匀一致。 根据实验室的实际情况和被加工工件的需要，本文中选用的磨料粒度为：w 3 5 、 w 5 、w 7 、w 2 0 、w 2 8 五种粒度的磨料，其中w 2 0 和w 2 8 用于粗研。根据以往的加工经验， w 2 8 的金刚石磨料已经能够满足超精密研磨的粗研阶段的要求了，更粗的磨料虽然能够 1 4 更大的提高加工效率，但其加： 出的表面粗糙度值不容易满足精研时的需要，在高速 研磨过程中，决定加工效率更重要的因素是主轴转速，适当的提高主轴转速可以弥补 磨料粒度小带来的效率低的问题。在粗研玻璃这种抗磨强度小，脆性大的材料时要选 用粒度为w 2 0 的磨料。在选用更细的磨料时，采用w 3 5 的磨料用固着磨料方式研磨， 加工后的表面粗糙度r a 值能够达到2 3 n m 已经达到了纳米级的加工，而且粒度小于 w 3 5 这样的超微粉制备起来十分困难，成本很高。综合以上分析，选用以上提到的五 种粒度的磨料能够满足研磨加工的需要。 2 2 2 磨料粒度对y g 6 硬质合金已加工表面粗糙度的影响及实验分析 选用y g 6 硬质合金环形工件，内径妒5 0 m m ，外径西7 5 i l l m 。固定其他研磨参数，只 改变磨料粒度的大小。观察磨料粒度对表面粗糙度值的影响。主轴转速4 0 0 r m ，研磨 压力5 0 0 n ，研磨时间3 0 s 。用w y k 0 干涉仪测量表面粗糙度。每件测三点，将数据平均 后取整得到以下数据，见表2 - 1 。绘制出y g 6 已加工表面粗糙度值随磨料粒度的变化曲 线如图2 6 所示。 表2 - 1y g 6 已加工表面粗糙度值随磨料粒度的变化表 磨料粒度 w 3 5w 5w 7w 2 0w 2 8 表面粗糙度r a 值n m 3 34 59 23 9 48 5 8 毯 摆 疑 苣 懈 h 景 c j 圣 h 脾料耪席 图2 6y g 6 已加工表面粗糙度值随磨料粒度的变化曲线 主轴转速4 0 0 9 i n ，研磨压力5 0 0 n 1 5 从图中可以看出，工件己加工表面粗糙度值随着磨料粒度变粗而增大。磨料粒度 大，磨料尺寸大，磨料之间的距离增大，单颗磨粒承受的研磨压力增大了，其切削深 度也随之增大，所加工的工件表面粗糙度值高。文献心5 1 当中讨论了固着磨料研磨已加 工表面理论粗糙度，其中认为： 啊= ( 2 1 1 ) 式中 啊磨粒压入工件深度a 。磨粒露出结合剂的最大高度 d 磨料直径f 单位面积上的研磨压力 r n 工件外径r 0 工件内径 y 一切削速度 矿应力分量 可以看出j i l l 是磨料直径d 的单调递增函数，同时也认为h ，( 工件表面隆起高度) 是磨 料直径d 的单调递增函数，所以，旭与h ，随d 的增加而增加，即磨粒的切削深度与塑 性隆起均随着磨料粒度的增大而增大。这就导致了工件表面粗糙度值随磨料粒度的增 加而增加。 当选用粒度较小的磨料时，单颗磨粒切削深度小，工件表面主要是在磨粒的作用 下发生耕犁，从而使切削层金属产生塑性流动并产生隆起，而不易产生切屑。当选用 较粗磨粒研磨时，切削深度增加，金属表面不仅有隆起，而且有磨料切出的较深的沟 槽，所以表面粗糙度值较高。当磨料变得更粗时，这种切削作用更加明显，所以粗糙 度值变化较快。 从图2 6 可以看出，当磨料粒度在w 7 以下时，粗糙度值随磨料粒度的变化速率不 大，此时的切削作用就是耕犁起主导作用；当磨料粒度在w 7 以上时，粗糙度值随磨料 粒度的变化速率明显增大，而且可以预料这种变化速率会越来越快，此时的切削作用 主要是类似车刀的切削作用，当粒度更大时甚至产生切屑。 在研磨加工时既要考虑加工后工件的表面质量，又要兼顾加工效率，一般都要采 用粗研、精研两道工序进行研磨加工。粗研的主要目的是尽快提高工件的面型精度， 使其达到要求，并保证工件具有一定的已加工表面质量；精研的主要目的就是降低表 面粗糙度值，提高工件己加工表面质量。 1 6 2 2 3 磨料粒度对t 1 0 钢已加工表面粗糙度的影响及实验分析 选用t 10 钢圆环样件，淬火使其硬度达到h r c 5 0 - - 一4 5 ，内径驴5 0m m ，外径驴7 5m m 。 主轴转速4 0 0 r m i n ，研磨压力5 0 0 n ，研磨时间3 0 s 。用w y k o 干涉仪测量表面粗糙度。 每件测三点，将数据平均后取整得到以下数据，见表2 2 。绘制出t 1 0 钢已加工表面粗 糙度值( n m ) 随磨料粒度的变化曲线如图2 7 。从图中可以看出粗糙度曲线的走势基本 和硬质合金一致，同一种磨料粒度研磨两种材料得到的表面粗糙度值有所区别，t 1 0 钢的表面粗糙度要比硬质合金的大一些，这是因为t 1 0 钢的硬度即使在淬火之后仍然 比y g 6 的硬度低很多，磨粒压入t 1 0 工件表面的深度更大一些，产生的塑性变形更大 一些，所以同样的粒度研磨出的粗糙度值是不一样的。从曲线的变化速率上来看，磨 料粒度小的时候，两条曲线的变化速率基本一致，随着磨料粒度的增大，磨粒在工件 表面的作用逐渐由耕犁过度到切削，所以这一现象在使用大磨料粒度研磨时显得更加 明显，从图2 7 中可以看出磨料粒度越大，t 1 0 钢表面粗糙度值随粒度变化速率较y g 6 随粒度变化速率要快。 表2 2y g 6 、t i o 已加工表面粗糙度值随磨料粒度的变化表 r a n m 产芝冬 w 3 5w 5w 7w 2 0w 2 8 y g 63 34 59 23 9 48 5 8 t 1 08 31 0 11 2 56 0 31 0 1 4 岩制粒度 图2 7y g 6 、t i o 已加工表面粗糙度值随磨料粒度的变化曲线 主轴转速4 0 0 r m ，研磨压力5 0 0 n 2 2 4 磨料粒度对k 9 玻璃已加工表面粗糙度的影响及实验分析 实验方法：实验用的k 9 玻璃样件是边长为6 5 m m ，厚2 0 m m 的玻璃方砖。用沥青和 松香调和成粘接剂，将压盖和k 9 玻璃粘接到一起，具体方法是：调和好的沥青冷却， 将压盖放在电炉子上加热5 分钟，取下，放在工作台上，此时用已经调配好的沥青块 在压盖上挤压，沥青遇到炙热的压盖后融化在压盖表面，这时将玻璃与压盖靠紧，冷 却至室温即可使用。固定以下参数：主轴转速4 0 0 r m ，研磨压力5 0 0 n ，研磨时间3 0 s 。 改变磨料粒度进行实验。 0 w 3 5 w 5 1 7w 2 0 w 2 8 磨料糙度 图2 8i ( 9 、y g 6 、t 1 0 已加工表面粗糙度值随磨料粒度的变化曲线 主轴转速4 0 0 r m ，研磨压力5 0 0 n 将本次实验数据连同已经完成的两次数据同时显示于表2 - 3 ，并绘制图2 8 。从已 加工表面粗糙度值随磨料粒度的变化曲线图中我们可以看出，工件粗糙度值随磨料粒 度变化规律仍然是随磨料粒度增大，粗糙度值增大旺。用金刚石固着磨料研磨光学工 件，实际上是多刀刃的切削加工。因为磨具表面固着磨粒繁多的金刚石棱尖，每个棱 尖都像一把“车刀对玻璃工件进行“车削 加工。图2 9 为单颗金刚石玻璃刀划割 玻璃的加工原理。固着磨料研磨就像很多把这样的玻璃刀对光学玻璃进行划割。分析 其加工原理，当在金刚石上加定的压力，并且在玻璃表面滑动时，玻璃就被破坏， 出现具有一定宽度和一定角度的开裂角，而在开裂角下面有深入玻璃内部的裂纹。开 裂角的宽度a 总是比金刚石颗粒的宽度b 大。因此，当金刚石棱尖深入玻璃内部时， 将玻璃劈出碎片a 和b 。裂开角度值约为1 5 5 。，此值不随玻璃牌号和磨料种类不同而改 变。实际上玻璃属于脆性材料，绝大部分的材料是在金刚石压迫下崩落的，还有一部 分材料的去除是固着磨料高速研磨独有的，由于第一轮压迫，在压痕下产生了裂纹， 并且裂纹形成毛细管，水会渗入裂纹，水在裂纹里的状态类似于滑动轴承流体动力润 滑当中的楔效应，由于水的不可压缩性，高速旋转的磨盘产生的压力通过水传导到裂 缝的四壁，裂缝在压力的作用下继续扩散，最终使材料剥落。 1 5 5 。 图2 9 单颗金冈0 石玻璃刀划割玻璃的加工原理 但在金刚石滑过的工件表面上，轨迹两侧是存在微小的塑性变形，在这些轨迹上 也有耕犁的现象存在。有人瞳副分析认为：这些塑性变形是晶体内位错运动的结果，由 于玻璃等材料的硬脆特性，晶体内可移动的位错少。当受到外力作用时，在产生微塑 性的同时伴随晶粒的破碎细化，而晶粒细化的结果又会促进塑性变形。这种细化的晶 粒在塑性变形的作用下被压实在加工面上，构成了工件己加工表面的塑性变形层。 当磨料粒度小的时候，玻璃崩落的碎屑要比t 1 0 钢表面轻微划痕的塑性变形要小， 所以此时玻璃的表面粗糙度值要比t 1 0 钢的小，当磨料粒度逐渐增大，在t 1 0 钢表面 产生的划痕变深了，划痕两边的塑性变形也增大了，而此时玻璃表面被裂纹包围的材 料崩落的碎屑增大，塑性变形很小，凹凸层轮廓的不平度要大于t 1 0 钢，粒度越大这 一现象越明显。 表2 3k 9 、y g 6 、t 1 0 已加工表面粗糙度值随磨料粒度的变化 r a n m 泳冬 w 3 5 w 5w 7w 2 0w 2 8 y g 63 34 5 9 23 9 48 5 8 t l o 8 3 1 0 11 2 56 0 31 0 1 4 k 97 29 31 7 26 5 4l1 2 6 2 2 5 磨料粒度对氧化铝陶瓷己加工表面粗糙度的影响及实验分析 选用氧化铝陶瓷密封环，内径妒5 0 m m 外径7 5 m m ，主轴转速4 0 0 r m ，研磨压力 1 9 5 0 0 n ，研磨时问2 m i n 。用1 n r k 0 干涉仪测量表面粗糙度。每件测三点，将数据平均后取 整得到以下数据，见表2 - 4 。 表2 4 氧化铝陶瓷已加工表面粗糙度值随磨料柱度的变化表 r “m 文壅卜5 w 5w 7舵0w 2 8 氧化铝陶瓷10 0 6 0 0 0 9 30 1 4 20 2 2 】0 2 5 4 绘制出氧化铝陶瓷已加工表面粗糙度r a 值( 坍) 随磨料粒度的变化曲线如图 2l o 。从图中可以看出，工件表面粗糙度值随磨料粒度的增大而增大但增大的速率 有放缓的趋势。 图2 1 0 氧化铝陶瓷已加工表面租糙度值随磨料牡度的变化曲线 图2 1 i 是氧化铝陶瓷工件已加工表面在扫描 电镜下的图片。从图中可以看出有很多凹坑这些 凹坑尺寸甚至比磨料尺寸都要大，而且都成圆形， 显然不是磨料在工件表面的划痕，因此可咀说对于 这类材料的研磨，材料本身的质量是影响工件表面 粗糙度的主要因素。文献啪1 同样认为陶瓷材料为含 有结晶相和气相的多相结构内部含有大量的气 孔。加工去除表面层后，内部的闭合气孔外露成为图u ia l a o ，陶瓷工件己加工 开口气孔，因此测量得出的r a 值既反应了己加工表表面的扫描电镜图片 面划痕深度，也反映了气f l 的影响。即其表面粗糙度受材料结构性能影响很大。陶瓷 玻璃这种硬脆材料不同于金属材料，由于硬脆材料的抗拉强度比抗压强度小，在磨粒 的压力作用下，就在硬脆材料加工面的拉伸应力最大的部位产生微裂纹。纵横交错的 裂纹使得工件表面处在一种无规则状态，当同时作用的磨料所产生的裂纹扩展并相互 交差时，受到裂纹包围的部分将破裂而崩落。这就是硬脆材料切屑的形成机理。研磨 氧化铝陶瓷这样的脆性材料，要求研磨加工后的理想表面形态是由微小破碎痕迹构成 的均匀无光泽表面。合理的选择磨料粒度可以控制产生裂纹的大小和均匀性，对获得 理想表面有重要意义。 经过以上实验和分析可以知道，磨料粒度对工件表面粗糙度影响很大。各种材料 的工件已加工表面粗糙度值都随着磨料粒度的增大而增大。但不同材料的已加工表面 的形成机理各不相同，金属材料己加工表面的形成主要靠耕犁和微量切削，粉末冶金 材料已加工表面的形成主要靠磨粒对材料的挤压崩裂。根据希望得到的表面粗糙度值 选择磨料粒度时，在粒度小的磨料范围当中，粗糙度值随磨料粒度的变化较小，所以 结合研磨效率方面的考虑不一定要选择粒度最小的磨料，要根据研磨加工的实际情况 结合其他研磨参数综合考虑。 2 3 研磨压力的选择与实验分析 研磨压力是研磨加工当中的一个重要参数，适当的调整研磨压力可以获得较高的 研磨效率和理想表面粗糙度。在粗研时适当增大研磨压力可以提高研效率，在精研时 减小研磨压力可以降低表面粗糙度值。研磨压力的确定跟工序、工件材料、磨料粒度 和所要达到的研磨效率都有直接的关系。 研磨压力实际是一个压强，是指单位研磨面积上所受到的力，其单位为帕斯卡。 通常工程上的所说的压力都是指压强。也有文献所说的压力就是工件实际受到的压力 ( n ) 。为了能更具有普遍意义，本文当中所说的压力是指压强。但由于实验研究所用 到的高速研磨机的压力执行单元是气泵一动活塞式的，用压力表显示、调节气泵的输出 压强来达到输出定值的压力的目的，所以要有活塞面积、工件面积参与计算出中间压 力。简单的说这一过程如图2 1 2 。 匝囹圆b 匝雯回臼圃匦匦囹 图2 1 2 研磨压力的确定过程图 本实验的目的就是要找到对于不同材料的工件和粒度组合的恰当研磨压力。为了 便于说明主要问题，要对实验条件提出一些假设： 假设1 ：各金刚石丸片环带覆盖比为1 0 0 ，工件与磨盘的接触区为工件的被加工 表面的面积。 假设2 ：不考虑气动单元的摩擦阻力( 汽缸活塞与汽缸壁、压杆与支臂) 和系统 的阻尼。认为调节气泵输出的压强与活塞的乘积即为压头输出的压力。 2 1 假设1 使得