CN107932308B - 一种具有无级变速功能的研磨抛光加工方法 - Google Patents

Abstract

一种具有无级变速功能的研磨抛光加工方法，包括以下步骤：(1)将线切割后的矩形薄片试样，沿着圆周方向粘贴在工件盘下表面；(2)将上研磨装置固定在下研磨装置的台面上；(3)使工件盘沿着Y向达到指定位置，与研磨盘实现固定偏心距，启动研磨盘驱动电机，使研磨盘工作；(4)加工开始时，向开有凹槽的研磨盘表面加研磨液，随后启动工件盘的驱动电机，使工件盘旋转，工件盘的驱动是工件盘驱动电机经过无级变速机构实现的，工件盘驱动电机通过联轴器带连接无级变速机构的圆锥滚轮大端轴径，并驱动圆锥滚轮旋转；研磨过程中定期向研磨盘表面加入研磨液。本发明实现一定范围内速度任意可调节的功能要求，保证实际中的速度大小需求。

Description

一种具有无级变速功能的研磨抛光加工方法

技术领域

本发明属于超精密研磨抛光加工技术领域，涉及一种具有无级变速功能的研磨抛光加工方法。

背景技术

当前的超精密加工技术，以不改变工件材料物理特性为前提，以获得极限的形状精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性为目标，在电子、通信、计算机、激光、航空航天等领域有广泛应用。其中，超光滑抛光加工技术作为是一门重要的超精密加工技术，是获取光学元件、蓝宝石衬底、单晶硅衬底等高精度表面的重要手段之一。平面研磨是超光滑抛光加工技术的前期工序，其加工精度对最终产品的质量有至关重要的影响，抛光将进一步使工件表面粗糙度降低，提高工件的表面完整性。

平面研磨抛光中研磨盘和工件盘的转速比对工件被加工表面的质量如平面度和粗糙度有着重要的影响。传统的平面研磨抛光机只可以通过电机转速调节实现简单的转速比变动，对于一些特殊的转速比值，比如无理数很难实现，并且采用有理数转速比进行研磨抛光加工，存在被加工工件表面的研磨轨迹重复问题，容易导致工件表面的粗糙度下降、抛光表面形成波纹以及橘皮等缺陷。因此，创新平面研磨加工运动学方法实现任意转速比值的获取，提高平面研磨加工的表面质量，逐步提升该过程的高精度控形技术水平，对丰富超光滑低损伤表面的磨粒加工理论具有重要的理论意义和科学价值。

发明内容

为了解决现有平面加工方法对工件表面研磨抛光的不足，本发明的目的在于提供一种可以简单实现无级变速的具有无级变速功能的研磨抛光加工方法，实现一定范围内速度任意可调节的功能要求，保证实际中的速度大小需求，进而研究研磨抛光中不同速度下的工件表面质量。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下的技术方案：

一种具有无级变速功能的研磨抛光加工方法，包括以下步骤：

(1)将线切割后的矩形薄片试样，通过石蜡沿着圆周方向粘贴在工件盘下表面，为防止塌边，并在试样的两边贴有钢片，将贴有试样的工件盘通过双膜片弹性联轴器连接在旋转主轴上；

(2)通过龙门架螺孔和下研磨装置台面螺孔的螺栓连接，将上研磨装置固定在下研磨装置的台面上；

(3)启动二维线性丝杠滑台，通过Y轴精密伺服驱动电机，驱动Y轴丝杠滑台，使工件盘沿着Y向达到指定位置，与研磨盘实现固定偏心距，再通过Z轴精密伺服驱动电机，驱动Z轴丝杠滑台，使工件盘沿着Z向下降，快接近研磨盘时停止下降，随后启动研磨盘驱动电机，使研磨盘工作；

(4)加工开始时，向开有凹槽的研磨盘表面加研磨液，随后启动工件盘的驱动电机，使工件盘旋转，工件盘的驱动是工件盘驱动电机经过无级变速机构实现的；

所述无级变速机构包括机架、摩擦传动轮组件、花键轴和丝杠滑块调节器，所述机架包括下安装底座、左固定板和右固定板，所述左固定板位于所述下安装底座的左侧，所述右固定板位于所述下安装底座的右侧；所述摩擦传动轮组件包括圆锥滚轮和圆柱滚轮，所述圆锥滚轮与所述圆柱滚轮压紧摩擦配合，所述圆锥滚轮的两端分别通过轴承安装在所述左固定板和右固定板上，其中一端的圆锥滚轮的转轴与所述工件盘驱动电机的输入轴连接；所述圆柱滚轮的内孔为内花键，所述圆柱滚轮套装在所述花键轴上，所述花键轴的两端分别通过轴承安装在所述左固定板和右固定板上，其中一端的花键轴与所述工件盘连接；所述丝杠滑块调节器包括丝杠和导块，所述丝杠的两端分别通过轴承安装在所述左固定板和右固定板上，所述导块的上部与所述丝杠螺纹连接，所述导块的下部套装在花键轴上，且圆柱滚轮与所述导块的下部联动；所述花键轴的轴线、丝杠的轴线与圆锥滚轮的母线均平行；

Z向伺服电机继续工作使工件盘试样接触研磨盘，此时通过控制Z向伺服电机的输入脉冲，进而使得试样在恒压下得到研磨，研磨过程中定期向研磨盘表面加入研磨液。

进一步，所述步骤(4)中，转动丝杠，与之配合的导块沿着丝杠轴向移动，导块会拨动圆柱滚轮沿着花键轴向移动，圆柱滚轮与圆锥滚轮的接触位置会发生变化，从而实现工件盘的无级调速功能。

再进一步，所述工件盘与工件盘驱动电机的转速比u₂₁为：

其中：R为圆锥滚轮大端面半径，r为花键轴轴线与圆锥滚轮母线之间平行距离，h为丝杠的螺距，Φ为丝杠转动的角度，γ为圆锥滚轮的半锥角。

更进一步，所述研磨加工方法还包括以下步骤：

(5)研磨一定时间后，通过Z轴精密伺服驱动电机，驱动Z轴丝杠滑台，使工件盘沿着Z向上升至一定高度，随后Z向伺服电机、工件盘驱动电机和研磨盘驱动电机停止工作，随后将工件盘拆卸下来，将试样取下来进行抛光，然后进行粗糙度和平面度的检测。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现在：

本发明通过二维线性丝杠滑台可以精确调节工件盘研磨抛光位置，通过无级变速机构可以实现工件盘的无级变速，也可以获得一些比较特殊的转速，比如无理数转速，工件盘任意速度的简单获取，对于研究不同转速比(研磨盘与工件盘转速比)下试样表面质量有重大的意义，而且理论研究表明，无理数转速下的试样表面质量更优越，本发明对转速比的设计有指导意义，选择合适的转速比有利于改善工件表面均匀性。

附图说明

图1为无级变速研磨抛光装置的轴测图结构示意图。

图2为无级变速研磨抛光装置的轴测图结构示意图。

图3为无级变速研磨抛光装置的研磨液加载方式。

图4为无级变速研磨抛光装置的研磨盘俯视图。

图5为无级变速研磨抛光装置的工件盘仰视图。

图6为无级变速研磨抛光装置的无级变速机构左视图。

具体实施方式

结合附图对本发明进一步说明。

参照图1～图6，一种具有无级变速功能的研磨抛光加工方法，包括以下步骤：

(1)将线切割后的矩形薄片试样21，通过石蜡沿着圆周方向粘贴在工件盘11下表面，为防止塌边，并在试样的两边贴有钢片20，将贴有试样21的工件盘11通过双膜片弹性联轴器10连接在旋转主轴9上。

(2)通过龙门架15螺孔和下研磨装置台面12螺孔的螺栓连接，将上研磨装置固定在下研磨装置的台面12上。

(3)启动二维线性丝杠滑台，通过Y轴精密伺服驱动电机16，驱动Y轴丝杠滑台17，使工件盘11沿着Y向达到指定位置，与研磨盘14实现固定偏心距，再通过Z轴精密伺服驱动电机19，驱动Z轴丝杠滑台18，使工件盘11沿着Z向下降，距研磨盘14为1mm时停止下降，随后启动研磨盘驱动电机13，使研磨盘14工作，转速为10～140转/min。

(4)加工开始时，向开有凹槽的研磨盘14表面加研磨液，随后启动工件盘11的驱动电机1，使工件盘11旋转，转速在20～150转/min，

工件盘11的驱动是工件盘驱动电机1经过无级变速机构实现的，工件盘驱动电机1通过联轴器2带连接圆锥滚轮5大端轴径，并驱动圆锥滚轮5旋转；

所述无级变速机构包括机架、摩擦传动轮组件、花键轴和丝杠滑块调节器，所述机架包括下安装底座、左固定板和右固定板，所述左固定板位于所述下安装底座的左侧，所述右固定板位于所述下安装底座的右侧；所述摩擦传动轮组件包括圆锥滚轮5和圆柱滚轮3，所述圆锥滚轮5与所述圆柱滚轮3压紧摩擦配合，所述圆锥滚轮5的两端分别通过轴承安装在所述左固定板和右固定板上，其中一端的圆锥滚轮的转轴与所述工件盘驱动电机1的输入轴连接；所述圆柱滚轮3的内孔为内花键，所述圆柱滚轮3套装在所述花键轴6上，所述花键轴6的两端分别通过轴承安装在所述左固定板和右固定板上，其中一端的花键轴6通过联轴器8与旋转主轴9连接，所述旋转主轴9与工件盘11连接；所述丝杠滑块调节器包括丝杠7和导块4，所述丝杠7的两端分别通过轴承安装在所述左固定板和右固定板上，所述导块4的上部与所述丝杠螺纹连接，所述导块4的下部套装在花键轴6上，且圆柱滚轮3与所述导块4的下部联动；所述花键轴6的轴线、丝杠7的轴线与圆锥滚轮5的母线均平行；

所述工件盘与工件盘驱动电机的转速比u₂₁为：

其中：R为圆锥滚轮大端面半径，r为花键轴轴线与圆锥滚轮母线之间平行距离，h为丝杠的螺距，Φ为丝杠转动的角度，γ为圆锥滚轮的半锥角；

Z向伺服电机19继续工作使工件盘试样21接触研磨盘14，此时通过控制Z向伺服电机19的输入脉冲，进而使得试样21在恒压下得到研磨，研磨过程中定期向研磨盘14表面加入研磨液。

(5)研磨一定时间后，通过Z轴精密伺服驱动电机19，驱动Z轴丝杠滑台18，使工件盘11沿着Z向上升至一定高度，随后Z向伺服电机19、工件盘驱动电机1和研磨盘驱动电机13停止工作，随后将工件盘11拆卸下来，将试样21取下来进行抛光，超声清洗后进行粗糙度和平面度的检测。

进一步，所述步骤(4)中，转动丝杠7，与之配合的导块4沿着丝杠7轴向移动，导块4会拨动圆柱滚轮3沿着花键轴6向移动，圆柱滚轮3与圆锥滚轮5的接触位置会发生变化，从而实现工件盘11的无级调速功能。

进一步，下面通过一个具体实施例来阐述本发明一种可以实现无级变速的研磨抛光加工方法：

(1)研磨抛光装置的研抛参数为：工件盘尺寸为Φ180mm，研磨盘尺寸为Φ914mm，研磨盘转速为20转/min；

(2)制备铜试样：线切割得到尺寸12mm×12mm×1mm的试样；

(3)贴片：将8片铜试样用石蜡沿圆周方向贴在铝材质工件盘上，并在每个试样两侧紧贴钢片；

(4)Y和Z向伺服驱动电机工作，实现工件盘与研磨盘定偏心距200mm进行研磨；

(5)给定工件盘转速50转/min，采用W14～W1.5粒度的白刚玉(Al2O3)磨料，配置浓度20％的研磨液，向研磨盘表面加入，研磨10min，并将试样取下；

(6)重复(2)～(5)步骤，再做两组实验，将无级转速机构中的丝杠分别转动一圈和两圈，研磨10min，将试样取下；

(7)将三组实验中的试样超声波清洗吹干，进行片内非均匀性(铜片表面材料去除率)计算，每一组实验取平均值，测得实验一二三组分别为：1.94％，1.97％，2.23％。

工件盘13与输入电机3的转速比u₂₁为：

其中：R为圆锥滚轮5大端面半径，r为长花键轴6轴线与圆锥滚轮5母线之间平行距离，h为丝杠7的螺距，Φ丝杠7转动的角度，γ为圆锥滚轮5的半锥角。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.一种具有无级变速功能的研磨抛光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将线切割后的矩形薄片试样，通过石蜡沿着圆周方向粘贴在工件盘下表面，为防止塌边，并在试样的两边贴有钢片，将贴有试样的工件盘通过双膜片弹性联轴器连接在旋转主轴上；

(2)通过龙门架螺孔和下研磨装置台面螺孔的螺栓连接，将上研磨装置固定在下研磨装置的台面上；

(3)启动二维线性丝杠滑台，通过Y轴精密伺服驱动电机，驱动Y轴丝杠滑台，使工件盘沿着Y向达到指定位置，与研磨盘实现固定偏心距，再通过Z轴精密伺服驱动电机，驱动Z轴丝杠滑台，使工件盘沿着Z向下降，快接近研磨盘时停止下降，随后启动研磨盘驱动电机，使研磨盘工作；

(4)加工开始时，向开有凹槽的研磨盘表面加研磨液，随后启动工件盘驱动电机，使工件盘旋转，工件盘的驱动是工件盘驱动电机经过无级变速机构实现的；

所述无级变速机构包括机架、摩擦传动轮组件、花键轴和丝杠滑块调节器，所述机架包括下安装底座、左固定板和右固定板，所述左固定板位于所述下安装底座的左侧，所述右固定板位于所述下安装底座的右侧；所述摩擦传动轮组件包括圆锥滚轮和圆柱滚轮，所述圆锥滚轮与所述圆柱滚轮压紧摩擦配合，所述圆锥滚轮的两端分别通过轴承安装在所述左固定板和右固定板上，其中一端的圆锥滚轮的转轴与所述工件盘驱动电机的输出轴连接；所述圆柱滚轮的内孔为内花键，所述圆柱滚轮套装在所述花键轴上，所述花键轴的两端分别通过轴承安装在所述左固定板和右固定板上，其中一端的花键轴与所述工件盘连接；所述丝杠滑块调节器包括丝杠和导块，所述丝杠的两端分别通过轴承安装在所述左固定板和右固定板上，所述导块的上部与所述丝杠螺纹连接，所述导块的下部套装在花键轴上，且圆柱滚轮与所述导块的下部联动；所述花键轴的轴线、丝杠的轴线与圆锥滚轮的母线均平行；

Z向伺服电机继续工作使工件盘试样接触研磨盘，此时通过控制Z向伺服电机的输入脉冲，进而使得试样在恒压下得到研磨，研磨过程中定期向研磨盘表面加入研磨液。

2.如权利要求1所述的一种具有无级变速功能的研磨抛光加工方法，其特征在于，所述步骤(4)中，转动丝杠，与之配合的导块沿着丝杠轴向移动，导块会拨动圆柱滚轮沿着花键轴方向移动，圆柱滚轮与圆锥滚轮的接触位置会发生变化，从而实现工件盘的无级调速功能。

3.如权利要求1或2所述的一种具有无级变速功能的研磨抛光加工方法，其特征在于，所述工件盘与工件盘驱动电机的转速比u₂₁为：

其中：R为圆锥滚轮大端面半径，r为花键轴轴线与圆锥滚轮母线之间平行距离，h为丝杠的螺距，Φ为丝杠转动的角度，γ为圆锥滚轮的半锥角。

4.如权利要求1或2所述的一种具有无级变速功能的研磨抛光加工方法，其特征在于，所述研磨抛光加工方法还包括以下步骤：

(5)研磨一定时间后，通过Z轴精密伺服驱动电机，驱动Z轴丝杠滑台，使工件盘沿着Z向上升至一定高度，随后Z轴精密伺服驱动电机、工件盘驱动电机和研磨盘驱动电机停止工作，随后将工件盘拆卸下来，将试样取下来进行抛光，然后进行粗糙度和平面度的检测。