平面研磨抛光轨迹研究综述

平面研磨抛光轨迹研究综述

研磨抛光轨迹现在，基于不改变加工材料的物理特性的前提，超精确加工技术的目标是保持形状的精度、尺寸的精度、表面的粗糙度和完整性（无或很少的表面损伤，包括微裂纹等缺陷、剩余强度和组织变化）。它是航空航天、武器国防、照明信息等尖端技术行业的重要支柱。本文从磨粒相对工件的运动轨迹角度,对平面研磨抛光轨迹研究进行综述,叙述了平面研磨抛光轨迹均匀性的研究方法,重点阐述了单面、双面平面研磨抛光轨迹,其中单面研磨抛光包括双轴式、直线式、轨道式、计算机控制小工具式等形式,从研磨抛光轨迹的角度分析了上述研磨抛光形式的优缺点。由于研磨与抛光加工所用设备相似,为简便起见,以下将研磨、抛光统称为研磨。1工件、研磨盘类型研磨轨迹取决于加工设备和运动参数。运动分析是研磨轨迹均匀性研究的基础,已有研究通常作如下假设:①工件、磨粒、研磨盘均为刚体;②工件被加工表面、研磨盘工作面均为理想平面;③磨粒固定在研磨盘工作面上;④所有磨粒粒径都相同;⑤磨粒不破碎、不脱落;⑥忽略工件、研磨盘转动误差。在上述假设的基础上,进行运动分析,计算研具相对工件的运动轨迹并用计算机离散化,将工件表面划分成一定数量的小正方形区域,统计一定时间内各区域内轨迹点数量2研磨单表面单面研磨抛光设备主要有双轴式、直线式、摇摆式、计算机控制小工具四种类型,其中前三者是用大工具盘加工小工件。2.1研磨盘上任意研磨颗粒运动轨迹双轴式平面研磨设备结构如图1所示,加工过程中工件和研磨盘分别绕各自中心轴旋转。根据工件轴心与研磨盘轴心的距离在加工过程中是否发生变化,又可分为定偏心和不定偏心两类。①定偏心式定偏心研磨加工中,工件中心与研磨盘中心之间的距离始终不变,如图2所示。研磨盘上任意一颗磨粒P(距研磨盘中心O为r式中:ωωe——偏心距,即工件、研磨盘的中心距离。一颗磨粒P在工件上的运动轨迹如图3所示。一般认为当工件转速与研磨盘转速相等,即ω②不定偏心式为改善定偏心式设备的研磨轨迹均匀性,引入工件的平移运动,使工件中心与研磨盘中心的相对距离随时间变化,构成不定偏心式研磨设备(如图4所示)。研磨盘上任意一颗磨粒P相对于工件的运动轨迹方程可由式1改写为式中:v磨粒P在工件上的运动轨迹如图5所示。不定偏心式设备的研磨轨迹均匀性明显好于定偏心式设备,更有利于工件面形精度的提高,适合于加工大尺寸(直径大于200mm)的工件2.2双轴式研磨盘的相对运动如图2所示,研磨盘某直径上固定两点A、B,其相对速度差定义为可见,研磨盘尺寸足够大时,增加偏心距e,与工件接触的研磨盘上径向各点的线速度差越小,两点与工件相对速度的差越小,工件被加工表面材料去除更加均匀。工件尺寸一定时,偏心距增加至一定值即可近似认为研磨盘不是在作回转运动而是直线运动。此时,双轴式研磨设备即成为直线式研磨设备(如图6所示)。实际上,直线式研磨使用的不是研磨盘,而是具有柔性的砂带(磨粒涂覆在履带上),工件做单纯的回转运动或在做回转运动的同时,附加一个垂直于砂带运动方向横向运动或是绕固定点的摆动。假设研磨带上任意一磨粒P,则P点相对于工件的相对运动轨迹方程如下式中:rvωP点在工件上的运动轨迹如图7所示。此种研磨机构运动形式简单,如将研磨带加长可以形成批量生产,生产效率高。因此,此种研磨机构是今后生产应用中的主流机床。2.3摇摆式设备的运动轨迹摇摆式研磨设备可以是定偏心双轴式或直线式设备的改进形式,工件除回转运动外还附加一个绕固定点的摆动。典型的摇摆式设备的研磨盘以一定转速旋转,工件夹头装在摇臂上,借着摇臂的往复摆动而产生扇形摇摆,同时夹头本身自转,如图8所示。摇摆式设备的运动轨迹方程如式(5)所示式中:ωωωrrre——研磨盘圆心Oρ——工件上一点P到工件中心OP点在工件上不同转速比下的运动轨迹如图9、10所示。研磨轨迹在加工面上的均匀程度与工件和抛光盘之间的转速比(ω2.4研磨轨迹的均匀性双轴式、直线式、摇摆式研磨设备有一个共同的特点:工件的被加工面是随时被研磨盘所覆盖着的,属于大研磨盘小工件加工方式,其优点是工件加工时不至于有未加工到的死角,研磨加工状态稳定;缺点是随着工件尺寸的增加,则设备的尺寸也需大幅增加,巨大的工作台不仅耗资甚巨,主轴的精度和研磨盘、抛光垫的面形精度也将因面积的增大而受到考验。计算机控制小工具式研磨恰可克服上述问题,如图11所示,工件面积远大于研磨盘面积,工件可以固定不动,也可以回转运动或平移运动,小研磨盘在计算机控制下按一定的路径历经整个工件表面。研磨轨迹的均匀性对工件面形精度尤为重要。典型的研磨轨迹有两种形式,一种是传统往复式,如图12所示。所加工出来的工件轨迹重复性强,研磨条纹易深化,不易获得良好的粗糙度。因此,此种加工方式主要用于粗研磨。另一种是分形轨迹。实际上,理想的平面研磨轨迹应具有如下特征:①轨迹线必须是自回避的(或称非自交的),否则会出现局部去除过多;②轨迹线必须均匀分布满整个平面,不允许有不规则的空洞存在;③在XY方向上经过的次数要尽可能接近;④轨迹线应尽可能简单、控制上易于实现。理论上讲,分形维数为1的曲线是不可能规则地铺满平面的,必然存在交叉点或空隙,而分形维数为2的Peano曲线(或称Hilbert曲线)具有这样的优势。分形曲线中的能够满足上述要求。假设分形维数用D表示,满足条件1<D<2的分形曲线是,即便满足自相似的特征,里面也存在很不规则的空洞或间隙。如海岸线,其分形维数满足条件1<D<1.3,分布的范围虽然长度方向很长,但径向范围很小。总之,分形曲线的分形维数越是趋近2,它在二维平面上的分布范围越均匀。Peano曲线的D=2,能够通过某个正方形的所有点(也就是能够充满整个平面)。实际研磨加工时,研磨工具依分形轨迹行进,工件则固定于底盘上以一转速转动。文献[9]对方形、圆弧形、倒角形Peano曲线的研磨轨迹(如图13、14、15所示)进行了探讨,认为分形轨迹比定偏心和不定偏心轨迹更有利于获得更高的平面度,特别是工件面积增大时,这一结果更加明显。3机构的砂体研磨轨迹行星式平面研磨运动机构是最常见的用于双面研磨的机构,如图16所示,被加工件放在行星轮孔内,行星轮除绕太阳轮中心公转外,还绕自己中心旋转。行星轮的自转使由于工件中心与研磨盘中心之间的距离随时间周期性变化,故该行星室研磨机构也是一种不定偏心式研磨方式。表1中列出了各运动构件的绝对角速度和相对角速度。假设P(R,η)为研磨盘上的任意一颗磨粒,L为O则P在工件上的研磨轨迹如图17所示。对于特定的行星式研磨设备,可调节的研磨运动参量是研磨盘的转速ω4定偏心式研磨设备的相对速度函数研磨轨迹均匀性的提高有利于工件平面度的改善,但均匀的研磨轨迹并不足以保证工件被加工表面均匀的材料去除,原因是,同一轨迹上的各点可能有不同的磨粒-工件相对速度,而根据Preston公式材料