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气浮垫研抛
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气浮垫研抛工艺及研抛机的结构设计,气浮垫研抛,工艺,研抛机,结构设计
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毕业设计(论文)开题报告题目：气浮垫研抛工艺及研抛机的结构设计1.1研究背景及意义 近年来，功能陶瓷、石英晶片、平面或多面体晶体和光学器件等硬脆材料的精密加工提出了很高要求，不仅要求这些材料有极小的平面度、极小的表面粗糙度、超平滑的表面1-3，还要求材料两端面严格平行、无晶向误差、表面无变质层等，有的甚至要求达到纳米级或更高的加工精度和无损伤的表面加工质量，由于研磨抛光技术可以获得很高的精度和超光滑表面，上述的材料均需采用精密研磨抛光技术3-8。利用研抛工具的亚口径机械式研抛是目前加工创成复杂光学曲面主要方法，但无论是在创成原理还是在加工装置上，都存在着难以逾越的固有缺陷。目前，许多研究主要是针对回转对称非球面光学零件的加工技术及装备。 对于有复杂几何特征的光学曲面，研抛去除量总是非均匀变化的。这使得研抛工具与被加工工件之间的变形不一致。难以获得均匀一致的面形精度研抛工具去除工件材料所形成的加工表面残高也总是非均匀变化的9-11。因而难以获得均匀一致的加工表面。质量为了使所获得加工表面质量和面形精度满足加工要求，同时机构的设计简单实用性能可靠势，必将增加研抛加工时间降低研抛加工效率。研磨和抛光硬脆材料去除机理比较复杂，硬脆材料的表面完整性、亚表面层损伤、零件几何形状受很多因素的影响12-15。研磨和抛光加工工艺参数成为欧美各大企业的机密，而且针对不同材料以及不同设备，其参数变化非常大，使其难以复制和模仿16-19。目前，我国高档次精密研磨设备设计制造水平不高，国外对高档次精密加工工艺严格保密，这严重制约了我国精密加工技术的发展。为了加强我国精密研磨、抛光技术的发展，除了开发拥有自主产权的精密研磨抛光设备之外，研磨、抛光加工工艺也成为了研究重点20-23。1.2气浮垫研磨抛光机理 气浮垫压力产生的原理:利用压缩气体的粘性,提高工作间隙中气体的压力从而将物体悬浮起来。如图1.1所示,气浮垫可以分为三种:动压型,静压型和压膜型。如图1.1(a)所示,动压气浮垫是两个面相对移动,且间隙呈楔状,沿移动方向间隙逐渐变小。由于相对移动,气体因其粘性作用,被拖带压入楔形间隙中,从而产生压力,构成动压悬浮。如图1.1(b)所示,静压型气浮垫是将外部的压缩气体通过节流器导入间隙中,借助其静压使之悬浮起来。节流器的作用是当间隙变化时,调整间隙内的压力,从而使气浮垫具有一定的刚度。如图1.1(c)所示,压膜型气浮垫利用了相互接触的面沿垂直方向的振动,使间隙内的压力的平均值高于周围环境压力这一原理。由于气体具有粘性,间隙内的气体不能快速出入,从而压力增高。例如,让一块玻璃板平行地落在一块平滑的板上时,玻璃板会轻轻地落下,从这一现象,就能够理解压膜气浮垫的原理。 图1.1 气浮垫的工作原理在上述结构的气浮垫形式中,动压型和静压型得到更加广泛的应用。在气浮垫实际设计中,气浮垫的节流方式也不同。分别利用喷嘴、毛细管、缝隙的阻抗起到供气孔节流的作用,而固有孔节流器是由供气孔和气浮垫间隙所形成的假想圆柱面起到节流器的作用。表面节流器是在气浮垫面上设置与供气孔连同的极浅的沟槽,沟槽的阻抗就构成了节流。多孔质节流器是气浮垫的承载面采用了具有透气性的多孔质材料,多孔质材料的阻抗起到了供气孔节流器的作用。 传统的研磨一般利用铸铁研磨盘，采用手工实现无规则的运动或靠机床实现模模拟手工的运动轨迹。传统的抛光一般利用沥青、聚氯乙烯和无纺布等抛光盘，采用摆动、行星运动和环行运动等运动方式。研磨和抛光都是根据不同的加工条件涂敷不同的磨料，工件至于研磨盘或抛光垫上，用夹具装夹工件并对工件施加一定的压力，通过机床的主轴带动磨盘转动，利用磨盘和工件间的相对运动和磨料的切削作用从工件表面去除一层很薄的材料，从而达到加工的目的，加工示意图如图1.2所示。 图1.2 研磨抛光示意图按照磨料的附着方式，研磨抛光方法可以分为两种：固结磨料研抛和游离磨料研抛。固结磨料研磨工件主要以耕犁方式去除材料，具有加工效率高、成本低等优点，但研磨工具磨损大，容易在工件上留下划痕，难以得到无损伤表面；游离磨料研磨抛光工件是利用磨料颗粒在研磨盘和工件之间对工件表面滚压，使工件表面产生微小破碎这种方式来去除材料，能获得无损伤平滑表面。1.3研磨抛光加工工艺1.3.1磨料的选取 磨料一是研磨加工的“刀具”,在加工中的起着切削作用。因此,首先磨料一要有较高的硬度,这是其磨削作用的关键所在,一般情况下磨料硬度大于被磨削工件硬度,再次要具有良好的韧性,保证和其他刃具一样变钝后能够自锐。同时磨料的形状和粒度应该均匀,这由研磨抛光加工的特殊性所决定的,另外还要有高温稳定性和化学稳定性,这样在加工的过程中保持自身的优良机械和化学性能。 磨料的粒度也是一个很关键的因素,一般磨料的粒度指磨料的粗细程度。在相关的标准中都有规定,磨料的粗细用粒度表示,粒度号数越大,颗粒越小。粗颗粒用于粗加工。1.3.2.研磨液的选取通常,研磨加工时,不能直接用磨料对工件表面进行加工,必须加配其他的化学溶剂或其他辅助填料调配成研磨液,研磨液具有调和磨料及冷却润滑加工被加工接触面的作用,如果没有选择好合适的研磨液,对精密研磨抛光加工可能会带来一系列的影响,如温度升高以损伤气浮垫试件的被加工表面,降低表面粗糙度、产生划痕、损伤磨盘等危害。因此,和磨料一样对研磨液的组成和配比也有要求,例如参与作用的研磨液要有冷却和润滑的物理性质,还要具有一定的粘度,以致有勃附作用。在实际生产中不容易被研磨盘甩出;其物理作用和化学性质也要良好,研磨液一般是由磨料和活性剂组成的。用于研磨磨料的硬度必须高于工件的硬度,现在可以作为磨料的材料有金刚石、碳化硼、氧化铝等。由于研磨过程活性剂在研磨过程中起到很重要的作用,如果只有磨料,没有合适的活性剂,可能会产生许多问题,所以研磨剂要求应该有悬浮、润滑、冷却、去损、清洗和防锈性能。1.3.3研磨工艺传统的研磨和抛光，设备条件只是实现高质量研抛的必要条件。工艺条件和操作者的技艺也起着十分重要的作用。通常学者们从研磨抛光的4个基本组成部分：工件、研磨抛光液、磨粒和抛光盘入手研究研磨和抛光加工工艺与加工质量的关系。Yongwu Zhao等人以硅片为研究对象，采用化学机械抛光方法探讨了研磨抛光工艺参数对材料去除率的影响，他指出磨粒大小是影响材料去除率的主要因素，转速和压力是次要因素；BJHooper等人研究了抛光垫磨损对硅片表面质量与材料去除率的影响；HY Tam等人研究了转速、磨粒大小等加工参数光学器件表面粗糙度的影响，并得到Ra=107 nln的光滑表面；Nabil Belkhir等人以玻璃为研究对象，探讨了磨粒与材料去除量的关系，他指出磨粒的形状直接影响其切削行为，磨损后的磨粒材料切削能力明显降低；AQBiddut等人研究了磨粒大小与加工压力对硅片表面损伤的影响，并指出能否得出无损伤表面，磨粒大小与加工压力是关键；浙江工业大学周兆忠等采用A1203磨料，约50rim的Si02抛光液，以聚胺酯作为抛光垫，铸铁盘研磨盘对氮化铝基片进行研磨，得到表面粗糙度Ra为8nm的超光滑表面；广东工业大学袁慧等人研究了工程陶瓷研磨抛光工艺，并指出磨削质量主要受到磨粒粒度的影响。影响研磨效果的因素除了研磨盘、磨料种类、磨料粒度等一系列因素外，研磨压力、转速、研磨液浓度、研磨液流量、研磨时间等因素对研磨的效果也有很大的影响。由于时间和精力有限，在本论文中就不一一论述。2.1气浮垫抛研机的结构总体设计平面研磨机为精密研磨抛光设备，被研磨、抛光材料放在研磨盘上，研磨盘逆时钟旋转，修正轮带动工件盘自转，重力加压的方式对工件施加压力，工件盘与研磨盘作相对摩擦运动来达到加工的效果。图2.1为本设计初步设计的平面研抛机原有的结构示意图。其工作原理是研磨盘由电机通过减速机构带动旋转，研磨盘上有三个加工工位，并在工件盘上放置加载砝码，这样研磨盘在旋转，由于摩擦力矩的作用带动工件盘的也在旋转，在砝码加压的情况下两者的相互转动摩擦起到材料去除的作用，达到研磨的效果。 图2.1 抛研机结构总体设计2.2气浮转台的设计在精密研磨抛光加工工艺中,离不开研磨盘的存在,研磨盘是加工的场所,几乎所有的研磨抛光加工都是在研磨抛光盘上进行的,对于研抛盘的选择也至关重要。在加工中,磨料对被加工件进行磨削,同时研磨盘也同样在受到磨损。研磨抛光盘自身的精度对气浮垫的表面精度影响很大,甚至会把这种精度关系“复印”到气浮垫表面上,故要求研磨盘的加工面要有较高的几何精度。气浮转台主要包括直流力矩电机。气浮轴承以及轴承所需要的供气系统等组成。气浮转台的各部件在设计时考虑了结构对称性原则，以提高转台轴系回转时的平稳性。转台轴系选用气浮轴承支承轴系上，同轴安装进口无刷直流力矩电机作为直接驱动元件，转台部件在设计制造时力求在形状尺寸和质量分布上对各自的正交坐标平面对称。并且要求在满足结构件强度和刚度的前提下同时力求内环轴系质量最小尽量减小轴系转动惯量，气浮转台利用多孔喷射气浮垫产生静压 支撑待研抛工件由于采用多孔喷射技术， 平台表面压力分布均匀， 具有承载能力强刚度好抗气振等优点 。主要应用于精密测量和超精加工等精密气浮转台如图2.2所示。图2.2 精密气浮垫床气浮转台中的核心部件就是气浮轴承气浮轴承，又称为空气轴承，指的是用气体。通常是空气，但也有可能是其它气体。作为润滑剂的滑动轴承空气轴承消除了由摩擦力引起的阻力。磨损提供了极高的径向和轴向旋转精度由于旋转的转子和静态支撑部分之间没有机械接触，磨损程度降到了最低，从而确保精度始终保持稳定，空气轴承内部的低剪切力能够在提供极高转速的同时，将动力损失降到最低，使产生的热量非常小并能同时保持较低的振动水平。在高精度和高速领域上优势十分明显.2.3.气浮垫研磨机传动机构设计 本设计所设计的电动机到研磨台的传动才用链传动。链传动具有带传动和啮合传动的一些特点，其优点是：链传动没有弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比；传动尺寸比较紧凑；不需要很大的张紧力，作用在轴上的载荷较小；承载能力大；效率高（=0.950.98）。同时；链传动能吸振与缓和冲击，结构简单，加工成本低廉，安装精度要求低，适合较大中心距的传动，并能在温度较高、湿度较大、油污较重等恶劣环境中工作。链传动的缺点是：高速运转时不够平稳；传动中有冲击和噪声；不宜在载荷变化很大和急促反向的传动中使用；只能用于平行轴间的传动；安装精度和制造费用比带传动高。 图2.3 链传动链传动的适用场合：广泛应用于中心距较大、多轴、平均传动比要求准确的传动。环境恶劣的开式传动、低速重载传动及润滑良好的高速传动，均可采用链传动。滚子链传递的功率通常在100kw以下，链速在15m/s以下，传动比I=7。目前其最大传递功率可达500kw，最高中心距可达8m。综合分析各种传动方案，从传动效率、传动比、传动速度、制造成本和安装精度、传动装置外廓尺寸等方面综合考虑，本设计课题的传动方案采用链传动。 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日参考文献1 王军单晶蓝宝石基片精密研磨工艺研究D大连：大连理工大学，20082 徐万孚，刘雨川，李广宇，等螺旋槽干运行非接触气体密封的理论分析与试验J机械工程学报，2003，39(4)：124-273 周圣人，朱维兵，王和顺节流孔特性对静压干气密封性能的影响J润滑与密封，2003，21(2)：69-734 张君安，方宗德用可变截面均压槽实现高刚度空气静压轴承的结构设计J西安石油大学学报，2006，21(6)：96-985 王伟,栾道成,陈庚.超细硬质合金研究进展综述J.西华大学学报(自然科学版),2009,28(4):1001046 郐吉才,张飞虎.ELID磨削钝化膜弹簧刚度计算模型研究J.工具技术,2008,28:29-327 荣烈润.超精密研磨抛光方法J.航空精密制造技术,2005,41(2):4-7.8 简金辉,焦锋.超精密加工技术研究现状及发展趋势.机械研究与应用,2008:4-89 任敬心,黄奇.激光陀螺反射镜基片精密抛光技术的研究J.航空精密制造技术,1992, 47 (1):11-13,10 徐锋,左敦稳,王珉等.CVD金刚石厚膜的机械抛光及其残余应力的分析.人工晶体学报,33(3):437-440.11 Wang CY, Kuang TC, Qin Z, Wei X. 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