CN106891211A - 一种粘弹性垫的制作方法及薄板类工件平面磨削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粘弹性垫的制作方法及薄板类工件平面磨削方法，该方法包括：利用剪切增稠液和多层薄布制备复合的粘弹性垫，置于工件的电磁吸盘中间，减小磨削加工过程中工件的变形，并通过磨削前的退火工艺和磨削过程中退磁和应力再平衡策略，减小工件内初始应力释放和加工应力引入对工件变形的影响，实现对薄板工件表面的高精度平面磨削加工。

Description

一种粘弹性垫的制作方法及薄板类工件平面磨削方法

技术领域

本发明涉及一种粘弹性垫的制作方法及薄板类工件平面磨削方法，属于磨削加工领域。

背景技术

目前，低刚度零件应用范围非常广泛，而且其尺寸精度和形位精度往往对于部件或者机器的性能有很大的影响。例如，垫圈、摩擦片、样板等厚度较薄或比较狭长的工件，还有刚度较低的超薄反射镜、硅镜等光学元件。薄板工件是典型的低刚度零件，在磨削加工薄板零件时，夹持变形对其平面度的影响十分明显。例如，磨削薄板时，通过电磁吸盘吸力将薄板固定在工件台上，若薄板初始形状不平,在吸平过程中必然产生变形，在磨削结束退磁后，薄板恢复原有形状，导致加工精度达不到要求，因此提出一种具有普适性的方法解决薄板类零件磨削加工中夹持变形问题显得非常重要。目前针对这种夹持变形问题，国内外学者和工程技术人员做了大量的努力，主要采用的是弹性垫法。弹性垫法又叫弹性夹紧法，是在薄板和电磁吸盘之间垫一层0.5-1mm厚的弹性垫的方法。由于弹性垫受到压缩时会产生弹性变形，在较强的吸力作用下，发生变形的主要是弹性垫而不是薄板，这样保证了薄板可以在尽量小的夹持变形下进行磨削加工。因此，理论上薄板经过正反几次磨削，薄板两表面平面度可以降到很低。然而弹性垫法也有不足之处：首先，通过实验研究发现，实际采用弹性垫法进行薄板类工件磨削后，工件的平面度虽然有所下降，但是夹持变形的影响仍就十分显著。其次，当工件和弹性垫接触面的面形较差时，加工后的工件自身的面形受到平面磨床电磁吸盘吸力的作用明显，因此，即使进行多次正反磨削后，工件表面的平面度精度因为吸力的作用下不会持续得到改善。最后，实际加工中采用的弹性垫的类型、材料尺寸、性质都是凭着操作者经验的粗略选择，通常采用较厚的弹性垫才能获得比较高的面形精度，然而厚垫使得电磁吸盘对工件整体吸力减弱。当磨削力大于电磁吸盘吸力时，轻则工件会产生振动，重则会有工件飞出的现象，对操作者十分危险。并且当工作台换向时，由于薄板在未吸牢固的情况下，工件会受到惯性作用在机床上发生窜动，影响工件的加工精度。所以，不能普遍实现对低刚度薄板件的平面度的提高。Pei Z J等发表的《Finite ElementAnalysis on Soft-Pad Grinding of Wire-Sawn Silicon Wafers》一文在《Journal ofElectronic Packaging》杂志的2004年第2期126卷，第89-98页，采用垫弹性垫的方法解决磨削中真空装夹对薄硅片产生的夹持变形的问题。在磨削硅片时由于加工精度的要求以及根据其自身的性质采用的是立轴圆台磨床的真空吸附，与采用电磁吸盘的平面磨削薄板类工件的问题还是有所差别，并且弹性垫无法获得很好的面形精度。

发明内容

本发明为了解决上述技术的不足之处，提出一种平面磨床磨削加工铁磁性薄板零件时提高其平面度的方法，该方法主要通过一种粘弹性垫解决采用平面磨床磨削薄板类工件时工件变形和振动问题，同时通过磨削工艺流程减小初始内应力和加工应力的影响，提高工件的平面度和磨削过程的稳定性，该方法操作简单、效果明显，适用于任意形状薄板零件的平面磨削加工。

为实现以上目的，本发明提出一种粘弹性垫的制备方法和磨削工艺流程，该方法包括：利用剪切增稠液和多层薄布制备复合的粘弹性垫，置于工件的电磁吸盘中间，减小磨削加工过程中工件的变形，并通过磨削前的退火工艺和磨削过程中退磁和应力再平衡策略，减小工件内初始应力释放和加工应力引入对工件变形的影响，实现对薄板工件表面的高精度平面磨削加工。

一种应用于薄板类工件高精度平面加工的粘弹性垫的制作方法，具体包括以下步骤：

裁剪比薄板工件磨削面尺寸大的布料，所述布料为无纺布或编织布，单层布料厚度小于0.5mm，将布料置于粘性系数大于1Pa·s溶液或剪切增稠液中浸泡，将浸泡后的布料放置于厚度小于0.3mm的防水密封袋中，可以放入1层布料、2层布料或多层布料层叠，将密封袋中的空气抽出，然后将密封袋封口，得到的粘弹性垫，所述粘弹性垫总厚度小于2mm，粘性系数大于1Pa·s。

所述防水密封袋包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯塑料或聚酰胺塑料。

所述布料材质为人造高分子纤维、自然植物纤维或动物纤维。

所述粘性系数大于1Pa·s溶液包括高分子溶液、油脂和固液两相介质。

所述剪切增稠液包括分散相为纳米SiO₂粒子或人工合成的聚合物、分散介质为水、有机物如聚乙二醇。浓度为：固相体积分数大于50％。

本发明提供一种薄板类工件高精度平面磨削方法，具体包括以下步骤：

将工件进行去应力退火，将上述方法制备得到的粘弹性垫置于工件和电磁吸盘之间，电磁吸盘通电后开始进行磨削加工，加工到接近指定厚度时，暂停磨削，使工件退磁，再重新吸住工件，采用退磁操作前相同的磨削工艺参数进行磨削加工，直到整个表面加工到指定厚度。

针对45钢类型的薄板，采用的磨削工艺参数为：

白刚玉类型的砂轮，砂轮粒度范围为46-60号，砂轮转速范围为1200rpm-2500rpm，工作台横向进给量范围为2mm/s-4mm/s，工作台纵向运动速度范围为4m/min-12m/min，磨削背吃刀量范围为1μm-10μm。

同以往技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明通过退火工艺减小初始应力，并在加工过程中通过工件退磁使得加工产生的残余应力重新平衡，减小了内应力导致的附加变形。

2、由于本发明采用的薄垫和工件表面具有更好的贴合性，可以更有效的减小工件受电磁磁盘吸力作用产生的变形问题。

3、由于本发明采用高粘度液体或剪切增稠液浸泡薄垫，当磨削力瞬间作用到工件表面时，工件具有更好的抵御变形的能力，减小回弹。

4、由于本发明采用具有粘性特性的薄垫，具有很好的吸能效果，能够明显减小在磨削加工时由于振动引起的工件表面振纹。

附图说明

图1为平面磨削薄板工件的结构示意图；

图2为采用橡胶垫法磨削薄板工件后，通过平面度仪测量的薄板的面形；

图3为采用浸泡过剪切增稠液的3层凯夫拉垫的方式磨削后，通过平面度仪测量的薄板的面形；

图中，1、砂轮；2、工件；3、密封袋；4、多层凯夫拉布料；5、电磁吸盘。

具体实施方案

下面结合附图和具体实施方案来对本发明专利进行详细的说明。

剪切增稠液常态下呈现液态具有流动性，当受到高速加载时呈现出坚硬的固态的性质，此外，芳纶纤维布产品凯夫拉具有高强度的性质，两者的结合特别适用于制备本发明所要求的粘弹性垫，用于卧轴矩台平面磨床的薄板类工件磨削加工中，以减小工件夹持变形并抑制磨削振动，从而提高加工后的工件平面度和表面质量。

如图1所示，实验前将聚乙烯防水密封袋3中装有浸泡过剪切增稠液的厚度小于1.5mm的3层凯夫拉布料4放置于电磁吸盘5之上，将去应力退火后的工件2放置于密封袋3与多层凯夫拉布料4制成的粘弹性垫之上，然后打开平面磨床的磁力开关，吸力将两者整体进行吸紧，完成装夹。剪切增稠液3的分散体系为SiO₂/聚乙二醇，粒子固相体积分数大于50％。粘弹性垫总厚度为小于2mm，粘性系数为大于1Pa·s。

通过多次实验确定了实验参数，针对45钢类型的薄板，选择白刚玉类型的砂轮1，粒度范围为46-60号，砂轮转速范围为1200rpm-2500rpm，工作台横向进给量范围为2mm/s-4mm/s，工作台纵向运动速度范围为4m/min-12m/min，磨削背吃刀量范围为1μm-10μm。

如图2所示，采用橡胶垫法磨削薄板工件后，通过平面度仪测量薄板的面形，面形精度为11.6μm。薄板工件表面由于磨削带来的振纹明显，降低了工件的表面质量。同时，加工后的工件呈现出马鞍形，和背面面形趋势一致，电磁吸盘的吸力对工件产生的夹持变形作用明显。即使进行多次正反磨削后，工件表面的平面度精度因为吸力的作用下不会持续得到改善。

如图3所示，采用浸泡过剪切增稠液的3层凯夫拉垫，在经过磨削加工后，利用平面度仪测量的薄板的面形，面形精度为5.5μm。加工后的工件表面，振纹相对于采用橡胶垫的方法明显减少，证明了粘弹性垫由于其本身的特性，使其在磨削加工中起到吸收能量的作用，从而解决了工件在磨削加工中由于振动产生的振纹，保证了磨削加工时的工件的平稳性，提高了工件的表面质量。加工后的工件表面面形相对于采用弹性垫的方法更加的平整，首先工件由于在加工前进行了去应力退火工艺，以及在加工过程中工件的退磁操作，减小了加工后的工件内应力导致的附加变形，其次采用剪切增稠液浸泡的凯夫拉薄垫，当磨削力瞬间作用到工件表面时，工件具有更好的抵御变形的能力。最后，采用的粘弹性垫和工件表面的贴合性更好，更有效减少了工件因磁力作用产生的夹持变形的问题，在这三者的共同作用下使得加工出来的工件的平面度精度较高。将浸泡过剪切增稠的凯夫拉布料进行密封处理并封口，使得该种方法能够多次重复使用，减少了材料的消耗，以及加工前的准备时间，提高了工作的效率。

Claims (5)

1.一种应用于薄板类工件高精度平面加工的粘弹性垫的制作方法，其特征在于具体包括以下步骤：

裁剪比薄板工件磨削面尺寸大的布料，所述布料为无纺布或编织布，单层布料厚度小于0.5mm，将布料置于粘性系数大于1Pa·s溶液或剪切增稠液中浸泡，将浸泡后的布料放置于密封袋中，可以放入1层布料、2层布料或多层布料层叠，将密封袋中的空气抽出，然后将密封袋封口，得到的粘弹性垫，所述粘弹性垫总厚度小于2mm，粘性系数大于1Pa·s。

2.根据权利要求1所述一种应用于薄板类工件高精度平面加工的粘弹性垫的制作方法，其特征在于：所述布料材质为人造高分子纤维、自然植物纤维或动物纤维。

3.根据权利要求1所述一种应用于薄板类工件高精度平面加工的粘弹性垫的制作方法，其特征在于：所述密封袋为厚度小于0.3mm的防水密封袋。

4.一种薄板类工件高精度平面磨削方法，其特征在于具体包括以下步骤：

将工件进行去应力退火，将权利要求1、2或3中制备得到的粘弹性垫置于工件和电磁吸盘之间，电磁吸盘通电后开始进行磨削加工，加工到接近指定厚度时，暂停磨削，使工件退磁，再重新吸住工件，采用退磁操作前相同的磨削工艺参数进行磨削加工，直到整个表面加工到指定厚度。

5.根据权利要求4所述薄板类工件高精度平面磨削方法，其特征在于针对45钢类型的薄板工件，采用的磨削工艺参数为：

白刚玉类型的砂轮，砂轮粒度范围为46-60号，砂轮转速范围为1200rpm-2500rpm，工作台横向进给量范围为2mm/s-4mm/s，工作台纵向运动速度范围为4m/min-12m/min，磨削背吃刀量范围为1μm-10μm。