CN103433840B - 基于介电泳效应的保持架偏心转摆式双平面研磨/抛光圆柱形零件设备 - Google Patents

Abstract

一种基于介电泳效应的保持架偏心转摆式双平面研磨/抛光圆柱形零件设备，包括上抛光盘、保持架和下抛光盘，所述上抛光盘位于下抛光盘上方，所述保持架位于上抛光盘与下抛光盘之间，所述的上抛光盘上安装第一电极板，所述第一电极板与交流电源的第一引出端连接，所述下抛光盘上安装第二电极板，所述第二电极板与所述交流电源的第二引出端连接；所述的交流电源的电流输入端与用于控制所述的交流电源的电压与频率的调频调压控制器连接。本发明有效减缓磨粒和抛光液受离心力作用从加工区域甩出问题、抛光液在加工区域分布较均匀、提升抛光效率、提高抛光精度。

Description

基于介电泳效应的保持架偏心转摆式双平面研磨/抛光圆柱形零件设备

技术领域

本发明涉及圆柱形零件外圆加工设备，尤其是一种双平面研磨/抛光圆柱形零件设备。

背景技术

圆柱形零件的批量加工国内外普遍采用无心磨削的方式，它是一种工件不定中心的研磨加工，加工时不用对工件进行装夹定位，但无心磨削最大的问题在于自身无法解决加工过程中零件运动轴线与主动轮和导轮的轴线时刻保持一致的问题，这就极大影响了加工件表面磨削的均匀性，从而无法保证加工一致性。近年来随着对设备仪器性能的不断提高，对圆柱形零件的精度和一致性提出了越来越高的要求，这就有必要开发一种高精度圆柱形零件的批量加工装置。

采用保持架偏心转偏式双平面研磨/抛光设备加工圆柱形零件，通过抛光盘旋转形成与工件之间的相对速度，借助注入抛光区域的抛光液及其中的磨粒，实现工件材料去除。由于抛光盘旋转，抛光液受到离心力作用，总是具有离开抛光盘的趋势，抛光盘转速越快，抛光液驻留加工区域的时间就越短。这势必导致只有少部分抛光液进入实际抛光区域参与材料去除，而大部分抛光液被甩出抛光盘，不能充分发挥作用，抛光液的无效损耗大大增加了生产成本。同时，离心力使抛光液越靠近抛光垫周缘分布越厚并沿抛光垫径向位置呈现不均匀分布，工件中心部分与周缘部分之间呈现较大的抛光率差，降低了工件的抛光精度。传统抛光方式通常采用较低的抛光盘转速，这严重限制了抛光加工的效率。因此，如何提高抛光液在加工区域的驻留时间，已成为实现高效、高质量、低成本抛光加工所面临的主要问题之一。

发明内容

为了克服已有圆柱形零件外圆研磨/抛光设备无法解决抛光液及磨粒受离心力作用从加工区域甩出的问题、抛光液在加工区域分布不均匀、抛光效率较低的不足，本发明提供一种有效减缓磨粒和抛光液受离心力作用从加工区域甩出问题、抛光液在加工区域分布较均匀、提升抛光效率、提高抛光精度的基于介电泳效应的保持架偏心转摆式双平面研磨/抛光圆柱形零件设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于介电泳效应的保持架偏心转摆式双平面研磨/抛光圆柱形零件设备，包括上抛光盘、保持架和下抛光盘，所述上抛光盘位于下抛光盘上方，所述保持架位于上抛光盘与下抛光盘之间，上抛光盘的转轴和下抛光盘的转轴呈同轴设置，所述保持架的轴心线和上、下抛光盘的转轴存在确定偏距，所述保持架与保持架驱动曲轴相连；

所述的上抛光盘上安装第一电极板，所述第一电极板与交流电源的第一引出端连接，所述下抛光盘上安装第二电极板，所述第二电极板与所述交流电源的第二引出端连接；所述的交流电源的电流输入端与用于控制所述的交流电源的电压与频率的调频调压控制器连接。

进一步，所述的上抛光盘内安装有第一绝缘板，所述第一电极板安装在所述第一绝缘板上；所述的下抛光盘内安装有第二绝缘板，所述第二电极板安装在所述第二绝缘板上。

所述的上抛光盘为绝缘材料抛光盘，所述的下抛光盘为绝缘材料抛光盘。

再进一步，所述加工装置还包括抛光液输入器，所述抛光液输入器的出料口位于所述上抛光盘、下抛光盘之间。

更进一步，所述保持架驱动曲轴为折线形状的轴，所述曲轴上下两端的轴心线之间存在确定偏距，所述下抛光盘的转轴呈中空状，下抛光盘的中部开有通孔，所述曲轴穿过所述下抛光盘的转轴内腔和通孔。

所述保持架的中心孔与保持架驱动曲轴相连。

所述保持架呈圆盘状，所述保持架的盘面上开有供待加工零件放置的加工槽，呈放射状、同心圆状或栅格状分布。

本发明的技术构思为：世界上的中性物质都具有等量的正电、负电，并且散布在物体内部各处，若是在这物质之外有正电极或负电极靠近（电场存在时），依着同性相斥、异性相吸的原理，负电极靠近的时侯，物体内的正电会偏向被负电极靠近的表面，使得该物体在电场中也会有异性相吸、同性相斥的现象。传统电泳是指带电微粒在均匀电场中受到电场作用力。介电泳是指中性微粒在非均匀电场中极化，发生极化后的微粒因电场强度分布不同，使两端所受的电场力大小不同，因而朝向所受电场强度大的电极方向移动，所受电场作用力称为介电泳作用力。中性微粒在交流电场中会被极化而运动。整个介电泳系统因为交流电，电场方向会不断地改变，极化中的微粒也会因此不断改变自己内部电子的排列，电子在微粒中移动速度影响微粒的移动方向。在交流电场中，电极的极性不断地正负交替，微粒其内部的电子能快速地随着电极的极性而移动，因此，微粒仍朝着电场强度较高的方向移动。本发明利用这一思路对目前的研磨/抛光设备进行改装，从而获得抛光效率更高、成本低、避免抛光液和磨粒浪费的设备。

待加工的圆柱形工件以一定的排列方式放置在上、下抛光盘之间的保持架中，上、下抛光盘与保持架构成平行平面。在加工载荷的作用下，工件与上、下抛光盘接触；上、下抛光盘以及保持架可按各自的转速转动，保持架在保持架驱动轴的驱动下可做自转加偏心公转运动；圆柱形工件在上、下抛光盘和保持架的作用下绕保持架中心公转同时自身滚动，作复杂空间运动。通过调整抛光盘和保持架之间的转速比，各个圆柱形工件的外圆与抛光盘上的各点交替接触，以平面零件双面研磨/抛光的方式，对一批圆柱形工件的外圆同时进行加工；可保证各工件加工条件的一致性，使各圆柱形工件的外圆获得均匀研磨/抛光；同时，由于误差匀化的原理，单个工件的形状误差以及一批工件的尺寸误差充分匀化，从而获得高精度、高一致性的圆柱形零件。由于采用了研磨和抛光工艺，使得圆柱形零件的外圆具备纳米级镜面的表面质量，较少的表面损伤和残余应力。

本发明的有益效果主要表现在：1.有效减缓磨粒和抛光液受离心力作用从加工区域甩出问题、抛光液在加工区域分布较均匀、提升抛光效率、提高抛光精度；2.每个圆柱形工件的加工条件都是一致的，实现一批工件尺寸精度和形状精度的一致化；3.采用了研磨和抛光工艺，使得圆柱形零件的外圆具备纳米级镜面的表面质量，较少的表面损伤和残余应力。4.应用“进化加工原理”，加工精度对设备精度的依赖度相对较小，能够制造出加工精度远超设备精度的零件，制造成本低；5.适用于各种材质、类型的圆柱形零件外圆加工，尤其是钢制和陶瓷材料的轴承用精密圆柱滚子外圆加工。

附图说明

图1是基于介电泳效应的保持架偏心转摆式双平面研磨/抛光圆柱形零件设备的示意图。

图2是本发明中图1的俯视图。

图3是本发明中一种保持架的开槽形状和布局图。

图4是本发明中另一种保持架的开槽形状和布局图。

图5a是中性微粒在电极中的初始状态(1’代表电极；2’代表中性微粒)。

图5b是中性微粒在非均匀电场中会发生极化的过程(1’代表电极；2’代表中性微粒；3’代表交流电源)。

图5c是极化后微粒内部电荷会随着电极极性变化向微粒表面移动后微粒会受非均匀电场的电场力（或称介电泳力）作用的运动图(1’代表电极；2’代表中性微粒；3’代表交流电源)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5c，一种基于介电泳效应的基于保持架偏心转摆式双平面研磨/抛光圆柱形零件设备，包括上抛光盘2、保持架4和下抛光盘5，所述上抛光盘2位于下抛光盘5上，所述保持架4位于上抛光盘2与下抛光盘5之间，上抛光盘2的转轴和下抛光盘5的转轴呈同轴设置，所述保持架4的轴心线和上、下抛光盘的转轴存在确定偏距，所述保持架4与保持架驱动曲轴7相连；

所述的上抛光盘2上安装第一电极板，所述第一电极板与交流电源的第一引出端连接，所述下抛光盘5上安装第二电极板，所述第二电极板与所述交流电源的第二引出端连接；所述的交流电源8的电流输入端与用于控制所述的交流电源的电压与频率的调频调压控制器9连接。

进一步，所述的上抛光盘2内安装有第一绝缘板或，所述第一电极板安装在所述的第一绝缘板上；所述的下抛光盘5内安装有第二绝缘板，所述第二电极板安装在所述第二绝缘板上。

所述的上抛光盘为绝缘材料抛光盘，所述的下抛光盘为绝缘材料抛光盘。

更进一步，所述加工装置还包括抛光液输入器，所述抛光液输入器的出料口位于所述上抛光盘、下抛光盘之间。

再进一步，所述保持架驱动曲轴7为折线形状的轴，所述曲轴上下两端的轴心线之间存在确定偏距，所述下抛光盘的转轴6呈中空状，下抛光盘5的中部开有通孔，所述曲轴穿过所述下抛光盘5的转轴内腔和通孔。

更进一步，所述保持架4的中心孔与保持架驱动曲轴相连。

再进一步，所述保持架4呈圆盘状，所述保持架4的盘面上开有供待加工零件1放置的加工槽，呈放射状、同心圆状或栅格状分布。

本实施例中，所述的交流电源8控制着所述的上抛光盘2和下抛光盘5间非均匀电场的电场强度，进而控制加工区域的介电泳力；所述的调频调压控制器9控制所述的交流电源8的电压与频率。

本实施例的工作原理：交流电源同时给上、下抛光盘电极加上电压；随着输入电压值和频率变化，两电极板间将形成一个非均匀电场；初始为中性状态的抛光液液滴及磨粒在非均匀电场内发生极化，使得抛光液液滴和磨粒表面产生感应电荷。受非均匀电场的介电泳力（电场力）作用，极化后的抛光液液滴及磨粒向抛光盘表面移动，使得极化的抛光液液滴及磨粒具有吸咐在抛光盘表面趋势。

本实施例的工作过程如下：上、下抛光盘分别装有电极并与交流电源相连，调频、调压控制器控制输入交流电源的电压和频率；在交流电源下，上、下抛光盘电极之间产生非均匀电场；进入加工区域中的抛光液液滴和磨粒在非均匀电场内会发生极化并在其表面产生感应电荷；

非均匀电场对进入加工区域中极化后的抛光液液滴和磨粒产生介电泳力（电场力），介电泳力（电场力）使得抛光液液滴和磨粒沿电场方向移向抛光盘表面，因而减缓离心力对抛光液和磨粒的直接甩出作用，相应增加进入抛光区域参与工件材料去除的抛光液和磨粒数量，提高工件抛光效率。

抛光时，工件置于工件夹具；所述工件夹具置于抛光盘上；抛光液从抛光盘中心上方注入，进入抛光加工区域。

如图1和2所示，保持架驱动曲轴7为一折线形状的轴，轴两端的轴心线之间存在确定偏心量，且偏心量可调，一般偏心量不能少于圆柱形工件1的轴向长度。保持架驱动曲轴7一端与传动系统相连，它的轴心线与上抛光盘2、下抛光盘5和驱动轴6的轴心线同轴；保持架驱动曲轴7另一端与保持架4的中心孔相连；保持架4放置在上抛光盘2和下抛光盘5之间，保持架4上开槽，待加工的工件1放置在保持架4的槽中；上抛光盘2、下抛光盘5、保持架驱动曲轴7由三个电机通过传动系统分别独立驱动，转速可以任意调节，ω1为上抛光盘的转速，ω3为保持架的转速，ω2为下抛光盘的转速。

如图3、4所示，保持架包含两个部分：10.基体；11.孔槽。保持架的基体10呈圆盘状，基体10上开有多个孔槽11，孔槽11为通孔，用来约束圆柱工件的运动，成放射状、同心圆状或栅格状分布；孔槽11的形状可以为矩形、八边形或圆形等各种形状，孔槽11的尺寸足以恰好放入圆柱工件；孔槽11的对称线可指向基体10的中心，或与基体10的径向呈确定偏角，一般在0～45°间。

如图1和图2所示，加工时，将一批工件1放在保持架4的槽中，通过上抛光盘2对工件1施加载荷。在保持架驱动曲轴7的旋转驱动下，保持架4中心绕上抛光盘2和下抛光盘5的转轴做公转运动，同时绕自身中心做自转运动。在保持架4的作用下，工件1绕保持架4的中心做公转运动，同时在上抛光盘2和下抛光盘5的作用下进行滚动。调节上抛光盘2、下抛光盘5和保持架驱动曲轴7的转速。根据需要，上抛光盘2和下抛光盘5的材料可以为纯金属（如铸铁、铜、锡等）、合金（如不锈钢、合金钢等）、陶瓷（如氧化锆、立方氮化硼等）、树脂等。

如图1和图2所示，若采用游离磨料进行研磨/抛光加工，需在上抛光盘2上开孔，将抛光液从该孔中喷射到工件1上，通过抛光液中的游离磨料实现材料去除。若抛光液不添加磨料，必须添加化学反应物与工件1进行化学反应，对工件1进行化学机械去除作用。

Claims (6)

1.一种基于介电泳效应的保持架偏心转摆式双平面研磨/抛光圆柱形零件设备，包括上抛光盘、保持架和下抛光盘，所述上抛光盘位于下抛光盘上方，所述保持架位于上抛光盘与下抛光盘之间，上抛光盘的转轴和下抛光盘的转轴呈同轴设置；其特征在于：所述保持架的轴心线和上、下抛光盘的转轴存在确定偏距，所述保持架与保持架驱动曲轴相连；所述的上抛光盘上安装第一电极板，所述第一电极板与交流电源的第一引出端连接，所述下抛光盘上安装第二电极板，所述第二电极板与所述交流电源的第二引出端连接；所述的交流电源的电流输入端与用于控制所述的交流电源的电压与频率的调频调压控制器连接。

2.如权利要求1所述的基于介电泳效应的保持架偏心转摆式双平面研磨/抛光圆柱形零件设备，其特征在于：所述的上抛光盘内安装有第一绝缘板，所述第一电极板安装在所述第一绝缘板上；所述的下抛光盘内安装有第二绝缘板，所述第二电极板安装在所述第二绝缘板上。

3.如权利要求1所述的基于介电泳效应的保持架偏心转摆式双平面研磨/抛光圆柱形零件设备，其特征在于：所述的上抛光盘为绝缘材料抛光盘，所述的下抛光盘为绝缘材料抛光盘。

4.如权利要求1～3之一所述的基于介电泳效应的保持架偏心转摆式双平面研磨/抛光圆柱形零件设备，其特征在于：所述保持架驱动曲轴为折线形状的轴，所述曲轴上下两端的轴心线之间存在确定偏距，所述下抛光盘的转轴呈中空状，下抛光盘的中部开有通孔，所述曲轴穿过所述下抛光盘的转轴内腔和通孔。

5.如权利要求4所述的基于介电泳效应的保持架偏心转摆式双平面研磨/抛光圆柱形零件设备，其特征在于：所述保持架的中心孔与保持架驱动曲轴相连。

6.如权利要求1～3之一所述的基于介电泳效应的保持架偏心转摆式双平面研磨/抛光圆柱形零件设备，其特征在于：所述保持架呈圆盘状，所述保持架的盘面上开有供待加工零件放置的加工槽，呈放射状、同心圆状或栅格状分布。