CN103831700A - 流体动压半接触固结磨料抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体动压半接触固结磨料抛光装置，包括由抛光头和粘接在抛光头上的抛光垫组成的抛光盘、工件装卡工作台以及冷却液供给系统，所述抛光盘为中间带孔的环形结构，冷却液由抛光盘的中心孔注入抛光垫与工件的间隙中而后从抛光垫周围自然排出。本发明提出的半接触状态固结磨料抛光装置能够在不更换抛光垫的条件下通过改变加工参数来控制间隙液膜的动压力和膜厚，从而控制固结磨粒的切深，实现待加工件由粗抛光到精抛光的整套加工过程。该发明具有工艺简单、加工成本低、效率高的优点，能够满足实际工程中大批量精密加工的使用需要。

Description

流体动压半接触固结磨料抛光装置

技术领域

本发明涉及一种用于精密加工中的表面成型抛光装置，具体的说是一种半接触状态下的固结磨料抛光装置。

背景技术

传统的固结磨料抛光是将特定粒度等级的磨粒分散到高聚物基体中，经过固化成型工艺制备出一种主要由磨粒层、刚性层以及弹性层组成的抛光垫，再利用该抛光垫对工件进行表面加工。在抛光垫中，磨粒层为高聚物与磨粒的混合体，刚性层则由材质较硬的材料例如PC（聚碳酸酯）制成，弹性层为软质抛光垫。如此制成的抛光垫具有一定的硬度且不易变形，加上弹性层的均匀支撑，可以将存在的应力平滑地消除，在加工中不会产生硬性刮伤和其他缺陷，能够达到全局平坦化的效果。与游离磨料加工相比，固结磨料加工优良的去除函数稳定性和高去除率使得该工艺在实际生产中得到了广泛应用。在精密加工领域，固结磨料加工的去除机理、工艺参数与表面质量以及去除率的映射关系等受到了广泛的重视和研究。

但是值得注意的是固结磨料加工的去除率和加工后工件表面质量会随着抛光垫中所含磨料的粒度不同而变化。如表1所示，当使用金刚石固结磨料抛光盘对碳化硅工件进行抛光时便可发现，当金刚石粒度增加，去除率与加工后表面粗糙度值均呈逐步上升趋势。这就意味着在实际的生成过程中，为了将表面质量不高的待加工件加工成成品，往往在加工初期选择粒度较大的磨盘以使面型误差快速收敛，而后采用小粒度磨盘进行光整。不断的更换磨盘造成了加工效率降低。传统的固结磨料抛光头如图10所示，其抛光液由抛光垫的周围加入，无法控制抛光垫下的静压力。

表1抛光垫中磨粒粒度对材料去除率和加工质量的影响

由此可以看出，在利用固结磨料抛光垫进行加工时，急需找到一种工艺简单、加工成本低、效率高并且能够将粗、精抛光进行无缝衔接从而减少甚至避免更换工具的新设备。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种流体动压半接触固结磨料抛光装置，解决现有技术中传统固结磨料加工需要先后采用由粗到细的多组不同磨粒粒度抛光垫进行加工，工艺繁琐、加工成本高、效率低以及由于多次装卡工件或工具造成的定位基准改变等问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种流体动压半接触固结磨料抛光装置，包括由抛光头和粘接在抛光头上的抛光垫组成的抛光盘、工件装卡工作台以及冷却液供给系统，所述抛光盘为中间带孔的环形结构，冷却液由抛光盘的中心孔注入抛光垫与工件的间隙中而后从抛光垫周围自然排出。

所述工件装卡工作台上设有冷却液收集槽,收集冷却液循环使用。

所述冷却液供给系统设有压力控制泵，控制冷却液的注入压力以控制液膜厚度。

所述冷却液供给系统设有过滤装置，冷却液收集槽中的冷却液经过滤装置过滤后循环使用。

本发明的有益效果为：

本发明提出的半接触状态固结磨料抛光装置，抛光液可以从抛光盘的中心孔加入抛光液，这样抛光垫下的静压力很容易被控制，这样既能实现固结磨料磨削过程稳定，去除函数容易控制，又能够在不更换抛光垫的条件下通过改变加工参数来控制间隙液膜的动压力和膜厚，从而控制固结磨粒的切深，实现不同加工精度的无缝转换，从而实现待加工件由粗抛光到精抛光的整套加工过程。该发明具有工艺简单、加工成本低、效率高的优点，能够满足实际工程中大批量精密加工的使用需要。

附图说明

图1传统的固结磨料抛光系统；

图2本发明的流体动压半接触固结磨料抛光装置示意图；

图3本发明中抛光盘结构示意图；

图4间隙液膜动压力与最大磨削深度h₀的关系曲线（p_in=100KPa、ω=100rpm）；

图5动压力分布和最大磨削深度h₀的关系曲线（p_in=100KPa、ω=100rpm），其中(a)h₀=0.5μm(b)h₀=2μm(c)h₀=3.5μm(d)三组数据的拟合对比图；

图6间隙液膜动压力与入口压强p_in的关系曲线（h₀=2μm、ω=100rpm）；

图7动压力分布和入口压强p_in的关系曲线（h₀=2μm、ω=100rpm），其中(a)p_in=100KPa(b)p_in=300KPa(c)p_in=500KPa(d)三组数据的拟合对比图；

图8间隙液膜动压力与抛光头自转速度ω的关系曲线（h₀=2μm、p_in=100KPa）；

图9动压力分布与抛光头自转速度ω的关系曲线；

其中1——抛光头；2——抛光垫；3——冷却液注入口；4——工件；5——工作台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图2所示，本发明的流体动压半接触固结磨料抛光装置，包括由抛光头1和粘接在抛光头1上的抛光垫2组成的抛光盘、工件装卡工作台5以及冷却液供给系统，所述抛光盘为中间带孔的环形结构，冷却液由抛光盘的中心孔3注入抛光垫2与工件4的间隙中而后从抛光垫2周围自然排出。工件装卡工作台5上设有冷却液收集槽,收集冷却液循环使用。冷却液供给系统设有压力控制泵，控制冷却液的注入压力以控制液膜厚度。冷却液供给系统设有过滤装置，冷却液收集槽中的冷却液经过滤装置过滤后循环使用。

加工方法是将固结磨料抛光垫粘接在特制的环形抛光头上，工件装卡在固定的工作台上，冷却液以特定的压强由抛光头的中心孔注入抛光垫与工件的间隙中而后从抛光垫周围自然排出。在加工的初始阶段，由于工件表面的面形误差较大，故采用大切深对工件表面进行粗抛光或精细研磨，此时应适当降低冷却液的入口压强和抛光头自转速度以使抛光垫和工件间隙内液膜的动压力减小、承载力降低，从而减小液膜厚度，实现磨粒大切深加工；随着面形误差的逐步收敛，适当加大冷却液入口压强和抛光头的自转速度，这样一来间隙液膜的动压力升高、承载能力增强，液膜厚度也会相对粗抛光时有所增加，从而达到减小磨粒切深的目的，实现微量去除的光整精抛光。

本发明采用的抛光垫中磨粒、基体材料配比以及冷却液均为已有产品，具体加工时可根据工件种类和实际加工要求选取。入口压强是调节液膜承载能力的重要加工参数，应根据实际加工需要确定。本发明采用的抛光头为特制的中心带孔圆盘形抛光头，其尺寸可根据待加工工件的大小做相应调整，如图3所示。

在本实施例中使用固结磨料抛光垫加工平面工件。抛光垫外径30mm，内径10mm，固结磨粒为金刚石微粉，粒度号为W7。冷却液为去离子水，在加工过程中由冷却液供给系统以所需压力从注入口流入，随后利用工件装卡工作台上的收集槽将流出的混有杂质的冷却液回收，经过滤装置过滤后进入供给系统循环使用。

本发明所提出的半接触状态下固结磨料加工工艺宗旨是通过改变工艺参数来实现液膜厚度的可控，从而改变磨粒的磨削深度。因此，在所用抛光垫以及工件材料不变的前提下，可控的加工参数有：抛光头的自转速度ω和冷却液的入口压力p_in。控制目标为磨粒的磨削深度，但是由于该值是一组服从一定概率分布的离散数组而非某一确定值，因此选用抛光盘表面露出高度最大磨粒的磨削深度h₀来表征总体的磨削深度。

（a）间隙液膜动压力与最大磨削深度h₀的关系：

如希望通过控制液膜动压力来实现磨削深度的改变，就必须找到二者之间的映射关系。根据模拟得到的抛光垫表面形貌模型可知最大磨粒露出高度为3.7144μm，因此在入口压强和抛光头转速分别设定为100KPa和100rpm的条件下研究最大磨削深度和动压力的关系，结果如图4、5所示。

最大磨削深度h₀分别取为0.5、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5μm，图4为抛光垫所受总动压力变化曲线，从结果中可以看出，最大磨削深度h₀在0.5～1.5μm时，总动压力均超过20N。而h₀继续增大时，总动压力则开始迅速下降，当h₀=3.5μm时只有2.213N。总体来看，抛光垫所受总动压力对磨削深度的变化是敏感的，虽然两者并非线性关系，但是当磨粒的磨削深度增大时总动压力呈现明显的下降趋势，这说明本发明所提出的加工工艺具有可行性。

图5所示为h₀分别取为0.5μm、2μm和3.5μm时动压力沿抛光垫半径方向的分布情况。可以看出液膜中动压呈现出类似于静压的分布情况，即由于受到入口压强的影响，越接近中心压力处的液膜压力越高。而且当h₀较小时，参与加工的磨粒数量减小，液膜更加完整，因而呈现出更加高的动压力。

（b）间隙液膜动压力与入口压强p_in的关系：

在加工中，冷却液的入口压强p_in是极重要的一个参数，它能够显著的影响间隙液膜的动压力值。在粗抛光时适当降低入口压强能够减小动压力，使磨粒的磨削深度有所增加；而在工艺的后期需要对工件进行精抛光时则增大入口压强，这时间隙液膜的动压力会有显著的提高，使抛光垫呈现“上浮”趋势，从而减小磨削深度，实现小去除量的精细抛光。

现将转速ω设定为100rpm，在最大磨削深度h₀=2μm时，分析入口压强p_in对间隙液膜动压力总值和分布的影响。分别取p_in=100、200、300、400、500KPa，液膜动压力值及其沿抛光垫半径方向的分布情况如图6、7所示。

图6中可以看出抛光垫承受的总动压力与入口压强p_in有着良好的线性关系，随着p_in从100KPa增加到500KPa，动压力值由15N逐步增加至接近80N。这说明通过改变p_in来实现动压力的控制是较为方便的，动压力值对于p_in的敏感性也降低了对加工系统精度的要求。

图7为p_in=100、300和500KPa时动压力沿抛光垫半径方向的分布情况。可以看出在出口区附近的动压力均很小，但是入口区附近的动压力则随着p_in的增加而显著增大，这也是抛光垫所受动压力随p_in增大的主要原因。但是，如图7（c）所示，过大的入口压强会导致抛光垫所受动压的不均匀性加剧，使其不能很好的贴合工件，造成加工精度的降低。

（c）间隙液膜动压力与抛光头自转速度ω的关系：

普通抛光垫虽然因为含有磨粒而呈现凹凸不平的表面形貌特性，但是其在加工过程中并不能使液膜形成宏观上的收敛间隙，因此加大转速不能使其动压力明显上升。为此，在需要利用ω来调整动压力大小时，本发明采用特制的带有动压槽的抛光垫进行加工。

现将入口压力设定为100KPa，最大磨削深度h₀=2μm时，分析抛光头自转速度ω对间隙液膜动压力总值和分布的影响。分别取ω=100、200、300、400、500rpm，液膜动压力值及其沿抛光垫半径方向的分布情况如图8、9所示。

从图8中可以看出，由于抛光垫上加工有动压槽，因此随着转速的提高，总动压力呈增大趋势。而对动压力分布，图9显示，转速对入口区附近的动压力影响并不明显，而沿抛光垫半径方向随着卷吸速度不断增大，液膜动压力开始随着转速ω的增加而有显著的上升。

从上述的实施例可以看出，本发明提出的半接触状态固结磨料抛光技术能够在不更换抛光垫的条件下通过改变加工参数来控制间隙液膜的动压力和膜厚，从而控制固结磨粒的切深，实现待加工件由粗抛光到精抛光的整套加工过程。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种流体动压半接触固结磨料抛光装置，包括由抛光头和粘接在抛光头上的抛光垫组成的抛光盘、工件装卡工作台以及冷却液供给系统，其特征在于，所述抛光盘为中间带孔的环形结构，冷却液由抛光盘的中心孔注入抛光垫与工件的间隙中而后从抛光垫周围自然排出。

2.根据权利要求1所述流体动压半接触固结磨料抛光装置，其特征在于，所述工件装卡工作台上设有冷却液收集槽。

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