CN114932500A - 一种研抛一体装置及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种研抛一体装置及其运行方法，该装置的研磨盘安置于机体上且连接至电机，换向导轮臂固定于机体台面上，行星环和配重块组件置于换向导轮臂内，行星环朝向研磨盘的一面边缘设有顺时针的螺旋齿，配重块底部粘附工件；在研磨盘转动时，行星环受限于换向导轮臂的作用，构成旋转力矩，产生自转，旋转方向与研磨盘转动方向相反；研磨时，研磨盘顺时针旋转，行星环逆时针旋转，行星环的顺时针旋向螺旋齿形结构借助离心力，加快磨屑废料沿磨屑废料甩出。抛光时，研磨盘逆时针转动，行星环顺时针转动，其螺旋齿形结构将研磨盘上的抛光液不断吞入行星环组件的抛光室内，抛光液均匀充分的分布在工件底部。实现工件的高效、高质抛光研磨。

Description

一种研抛一体装置及其运行方法
技术领域
本发明涉及一种研抛一体装置及其运行方法 ，属于工件表面处理技术领域。
技术背景
材料表面质量对零件的耐磨性、精度、配合性质等有着重要影响，进而影响产品的使用性能的使用寿命。平面研磨机是表面处理领域的重要设备，但现有的平面研磨机仍存在研磨抛光精度不足、适用性低、抛光液利用不充分等问题，研磨抛光出的材料达不到质量要求。如公开号为CN113941954B公开了一种大面积石英晶片研磨装置，主要由基座、支撑臂组件、研磨盘、旋转座、旋转电机、载物块和修盘环组成。通过对材料的去除和基片固持两个方面进行改进设计，虽然达到了大面积石英晶片的加工要求，但由于修盘环结构的局限性，研磨精度仍然不高，研磨液的利用率也有待提高。又如公开号为CN214817680U所揭示的研磨盘上带有夹具的平面研磨机，或者公开号为CN215789068U所公开的一种研磨抛光辅助装置，为了提高工件的研磨抛光精度和加工效率，在研磨盘上设置多个夹具，内设有样品的夹具外连接导杆固定在连接杆四周，托板与支架连接，支架可以横向伸缩，支撑杆连接套管，支撑套管通过锁紧螺钉固定连接杆。通过该装置可提高工件研磨和抛光的表面粗糙度，降低工人操作的危险性。虽然此装置有了一定的进步，但研磨抛光液的利用率仍然不高，同时，对于精度要求较高的工件，此装置仍然需要做出进一步改进。
随着高性能新材料不断涌现，材料加工质量和效率迫需进一步提高，现有的研磨抛光技术不能满足需求，因此需要提出新思路、新技术，解决当前面临的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足之处，设计出一种研抛一体装置及其运行方法。设计行星环的螺旋齿形结构，在换向导轮臂的作用下，通过调整行星环、研磨盘的转动方向，实现工件的研磨、抛光于一体。在研磨时有利于磨屑废料的快速排出和工件的充分研磨；在抛光时有利于抛光液的充分利用和工件的高效、高质量抛光。
为了实现上述目的，本发明采用了以下方案：
一种研磨抛光一体装置，包括机体1、换向导轮臂2、研磨盘3、行星环4和配重块5组件；其中，机体内装配有电机，研磨盘安置于机体上且连接至电机，依靠电机传动旋转；
一个或者一个以上的换向导轮臂2并均匀分布并固定于机体台面上，换向导轮臂2整体呈弧形，行星环4和配重块5组件置于换向导轮臂2内且相互接触，在研磨盘3转动时，行星环受限于换向导轮臂的作用，构成旋转力矩，产生自转，旋转方向与研磨盘转动方向相反；
在本发明下述实施例中，换向导轮臂2的数量为3个， 3个换向导轮臂以120°均匀分布于机体台面。
配重块置于行星环内构成行星环4和配重块5组件，两者活动连接；所述的行星环为环形圈，朝向研磨盘的一面边缘设有旋向为顺时针的螺旋齿形结构101，配重块底部粘附需要处理的工件。
前述的研磨抛光一体装置，换向导轮臂2包括摆臂8、可调节轮臂7和滚轮9；可调节轮臂7整体呈弧形，滚轮位于两个可调节轮臂的端部，行星环组件置于可调节轮臂7口内，外壁与两滚轮接触。换向导轮臂2的可调节轮臂上开U形槽，通过螺栓与摆臂连接，通过螺栓可调节摆臂位置、固定可调节轮臂的开口方向；摆臂尾部开长孔，采用带有把手的螺栓6固定于机体台面。
配重块的顶部设有环扣，在研磨抛光过程中，可通过直接提起配重块的环扣100观察配重块底部黏贴的工件的表面加工状态。
上述研磨抛光一体装置的运行方法，在研磨、抛光阶段，滴水或抛光液于研磨盘中心附近的工件研磨区，随着研磨盘的旋转，由于离心力的作用，抛光液或者水向外扩散；研磨时，设定研磨盘的旋转方向顺时针方向，则行星环逆时针旋转，行星环的顺时针旋向螺旋齿形结构借助离心力，加快磨屑废料沿磨屑废料甩出。抛光时，设定研磨盘3转动方向为逆时针转动，行星环组件逆时针转动，行星环顺时针转动，其螺旋齿形结构将研磨盘上的抛光液不断吞入行星环组件的抛光室内，抛光液均匀充分的分布在工件底部。
上述研磨抛光一体装置的运行方法，具体步骤如下：
步骤1、以加工面为接触面粘附工件，粗磨工件加工面对面的基准面。
（a）、超声清洗工件，备用；
（b）加热配重块至工件粘附介质的熔点以上，将工件待研磨抛光面均匀按压粘附在配重块上，冷却配重块；
在下述实施例中，所述的工件粘附介质为石蜡，配重块加热至65℃以上。
（c）、粗磨基准面：将行星环和配重块组件置于研磨盘工位，滴水管滴水，调整换向导轮臂的摆臂及可调节轮臂，使其开口方向为逆时针方向，设定研磨盘转动方向为顺时针方向，转速为80 r/min，时间为5min，启动装置，待粗磨结束、清洗，取下工件；
步骤2、以基准面为接触面将工件粘附在配重块底部，处理工件的加工面：
再次加热配重块至工件粘附介质的熔点以上，以工件基准面为固定面固定工件，并重复步骤1（c）的粗磨过程；
步骤3、粗、精研磨去除工件表面凸起层：
先后将不同目数的金刚石磨片贴在湿润的研磨盘3上，粗、精研磨导轮臂2开口方向相同，均为逆时针方向，放置行星环组件，滴水管滴水，设定研磨盘3转动方向为顺时针方向；
研磨速度分别为80r/min、100 r/min，时间均为5min；
粗磨采用的金刚石磨片目数为600~1000#，精磨采用的金刚石磨片目数为1200#以上；
金刚石磨片的金刚石从工件上磨削下的磨屑流动至行星环，由于行星环逆时针旋转，螺旋齿形结构的行星环4使磨屑产生离心力，同时齿形壁推扫磨屑，磨屑加速清甩出研磨室；启动研磨抛光机，待研磨机停止并清洗。
步骤4、通过在抛光过程中喷洒不同粒度的抛光液实现粗抛、中抛和精抛；
将抛光垫贴在湿润的研磨盘3上，放置行星环组件于工位，调整导轮臂2的摆臂和轮臂，使导轮臂2的开口方向为逆时针方向，设定研磨盘3转动方向为逆时针转动；
行星环组件逆时针转动，螺旋齿形结构的行星环顺时针转动，将研磨盘上的抛光液不断吞入行星环组件的抛光室内，抛光液均匀充分的分布在工件底部；
粗抛是采用较大粒度抛光液，去除研磨损伤层；
中抛是采用中等粒度抛光液去除粗抛划痕，产生较平滑、光亮表面；
精抛采用较小粒度抛光液，进一步降低表面粗糙度，获得镜面光亮表面；
具体来说，粗抛、中抛和精抛过程：
转速分别为80 r/min、100 r/min、120 r/min；
抛光液的粒度依次为9 μm、3 μm和1 μm；
抛光时间均为15min，每隔7min喷洒一次抛光液。
步骤5、待研磨机停止，取下工件、抛光垫、配重块和行星环组件，冲洗研磨盘。
本发明的有益效果：
（1）本发明的一种研抛一体装置，主要包括螺旋齿形不锈钢行星环、换向导轮臂、配重块。改进的配重块上端钻有螺纹孔，并配有环扣，方面操作，提高了操作的安全性，在操作过程中，可直接通过环扣提起配重块观察工件的加工状态，提高了成品率。
（2）研磨时，滴水管向滴水区滴水，金刚石磨片上的磨粒相当于无数个切削刃，从工件上切下金属层，从而产生磨屑104，研磨产生的磨屑如果不能够及时的排除，实际操作成品表面研磨质量不合格。采用本发明所设计的底部为螺旋齿形结构的行星环，研磨产生的磨屑流向形星环，堆积在行星环的齿形结构壁附近，由于行星环的快速顺时针转动，磨屑在离心力和齿形结构壁的推力作用下沿着磨屑废料甩出通道103加速甩出106，行星环的螺旋齿形结构101提高了磨屑排出速率50%以上，提高了研磨质量和研磨效率。
（3）抛光时，每隔一定时间向抛光液喷洒区107喷洒抛光液，抛光液中的游离微米级颗粒微切削工件表面，若抛光液不能充分均匀的分布在位于抛光区109的工件底部，则很难高效率获得低表面粗糙度、波纹度和形状误差的高质量表面，本发明在抛光时，行星环与配重块组件逆时针转动，螺旋齿形结构的行星环顺时针转动，将研磨盘上的抛光液沿着抛光液流向108（抛光液通道111）不断吞入行星环组件的抛光室内，抛光液均匀充分的分布在工件底部，工件的抛光质量和抛光效率得到提升，抛光液离心漫延110，减缓了抛光液从行星环中流出速度，喷洒抛光液的时间间隔延长3min以上，抛光液的利用率提升45%以上，降低了生产成本和工人的劳动强度。
（4）本发明设计行星环的螺旋齿形结构，在换向导轮臂的作用下，通过调整行星环、研磨盘的转动方向，实现工件的研磨、抛光于一体。在研磨时有利于磨屑废料的快速排出和工件的充分研磨；在抛光时有利于抛光液的充分利用和工件的高效、高质量抛光。
附图说明
图1是本发明研抛一体装置的台面结构示意图；
图2是行星环和配重块5组件示意图；
图3是行星环等轴测视图；
图4是材料研磨磨屑废料流动示意图；
图5是图4中A部分的局部放大图；
图6是材料抛光的抛光液流动示意图；
图7是图6中B部分的局部放大图；
图8是实例1中利用本发明和常规研磨抛光装置研磨获得的SiCf/SiC陶瓷基复合材料表面SEM图像（a）、（b）；
图9是实例1中利用本发明和常规研磨抛光装置抛光获得的SiCf/SiC陶瓷基复合材料表面SEM图像（a）、（b）。
附图标记的说明：1-机体、2-换向导轮臂、3-研磨盘、4-行星环、5-配重块、6-螺栓、7-可调节轮臂、8-摆臂、9-滚轮、100-环扣、101-螺旋齿形结构、102-工件研磨区、103-磨屑废料甩出通道、104-磨屑、105-滴水区、106-磨屑废料甩出方向、107-抛光液喷洒区、108-抛光液流向、109-抛光区、110-抛光液离心漫延，111-抛光液通道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明研磨机台面结构示意图，参照图1所示，一种研磨抛光一体装置，包括机体1、换向导轮臂2、研磨盘3、行星环4和配重块5。机体1内装配有电机，研磨盘3安置于机体1上且连接至电机，依靠电机传动旋转。
换向导轮臂2均匀分布于机体1台面的周向，在该实施例中，换向导轮臂2的数量为3个。导轮臂2主要由摆臂8、可调节轮臂7和滚轮9三部分组成，摆臂尾部开长孔，采用带有把手的螺栓6固定于机体1台面，可调节轮臂开U形槽，通过螺栓与摆臂连接，通过螺栓可调节摆臂位置、固定轮臂的开口方向。换向导轮臂2整体呈弧形，滚轮9位于两个端部，行星环组件置于轮臂口内，外壁与两滚轮接触。
图2是行星环和配重块5组件示意图，图3是行星环等轴测视图。参照图2、3所示，行星环4为一端旋向为顺时针的螺旋齿形结构101的环形圈，配重块5置于行星环4内，两者活动连接，配重块5底部粘附需要处理的工件。配重块5的顶部设有环扣，在研磨抛光过程中，可直接通过环扣100提起配重块观察工件的表面加工状态，提高了操作效率。
在研磨、抛光阶段，工件处于研磨盘3、行星环4和配重块5组件构成的研磨抛光室内，电机通过主轴传动，使研磨盘3旋转，研磨盘3传摩擦力于上面的行星环4，行星环4受限于换向导轮臂2，构成旋转力矩，产生自转，旋转方向与研磨盘3转动方向相反。
在研磨、抛光阶段，不断滴水或抛光液于研磨盘3中心附近的工件研磨区102，随着研磨盘3的旋转，由于离心力的作用，抛光液或者水向外扩散。
研磨时，设定研磨盘3的旋转方向顺时针方向，则行星环4逆时针旋转，行星环4的顺时针旋向螺旋齿形结构借助离心力，有效的加快磨屑废料沿磨屑废料甩出方向103的甩出。
抛光时，调整换向导轮臂（2）方向，设定研磨盘（3）的旋转方向为逆时针方向，则行星环（4）顺时针旋转，行星环（4）的顺时针旋向螺旋齿形结构类似于自动吞水口，使抛光液或者水充分的涌入，减缓抛光液的流出，保证工件的抛光效率和抛光质量。
实施例1
该实施例中，所研抛工件为尺寸为40mm×40mm×10mm的SiCf/SiC陶瓷基复合材料，具体工艺流程如下：
步骤1、以加工面为接触面粘附工件，粗磨工件加工面对面的基准面。
（a）、将待研磨抛光的SiCf/SiC陶瓷基复合材料置于超声清洗机清洗，超声频率为25~35KHZ，时间为15min，配重块5置于加热仪上加热至85℃（石蜡熔点约60℃），将石蜡均匀涂抹在配重块5与工件接触处，将工件待研磨抛光面均匀按压在配重块5上，擦拭多余石蜡，配重块给予材料的接触应力为5~10 N/cm2；
（b）、佩戴隔热手套，从加热仪上取下固定工件的配重块5，置于冷却池中水冷；
（c）、粗磨基准面。将行星环4和配重块5组件置于研磨盘工位，滴水管滴水，调整换向导轮臂2的摆臂及轮臂，使其开口方向为逆时针方向，设定研磨盘3转动方向为顺时针方向，转速为80 r/min，时间为5min，启动研磨抛光机，待研磨机停止并清洗，取下工件；
步骤2、以基准面为接触面将工件粘附在配重块5底部，处理工件的加工面。将配重块（5）再次置于加热仪上加热至85℃（石蜡熔点约60℃），涂抹石蜡，以工件基准面为固定面固定工件，并重复步骤1（c）的粗磨过程。
步骤3、粗、精研磨去除工件表面凸起层。
先后将不同目数的金刚石磨片贴在湿润的研磨盘3上，粗、精研磨导轮臂2开口方向相同，均为逆时针方向，放置行星环组件，滴水管滴水，设定研磨盘3转动方向为顺时针方向，粗、精研磨使用的金刚石磨片数目分别为600#、1200#，研磨速度分别为80r/min、100 r/min，时间均为5min，研磨盘转动方向Vm、行星环转动方向Vx及磨屑的流动状态详见图4、图5，金刚石磨片的金刚石从工件上磨削下的磨屑流动至行星环，由于行星环逆时针旋转，螺旋齿形结构的行星环4使磨屑产生离心力，同时齿形壁推扫磨屑，磨屑加速清甩出研磨室。启动研磨抛光机，待研磨机停止并清洗。
步骤4、粗抛、中抛和精抛。
通过在抛光过程中喷洒不同粒度的抛光液实现粗抛、中抛和精抛。
粗抛的目的是去除研磨损伤层，因此采用较大粒度抛光液；
中抛能够去除粗抛划痕，产生较平滑、光亮表面，应采用中等粒度抛光液；
精抛进一步降低表面粗糙度，获得镜面光亮表面，于是采用较小粒度抛光液。
将抛光垫贴在湿润的研磨盘3上，放置行星环组件于工位，调整导轮臂2的摆臂和轮臂，使导轮臂2的开口方向为逆时针方向，设定研磨盘3转动方向为逆时针转动，粗抛、中抛和精抛转速分别为80 r/min、100 r/min、120 r/min，抛光液（氧化铝悬浮抛光液）的粒度依次为9 μm、3 μm和1 μm。抛光时间均为15min，每隔7min喷洒一次抛光液，研磨盘转动方向Vm、行星环转动方向Vx及抛光液的流动状态详见图6、图7，行星环组件逆时针转动，螺旋齿形结构的行星环顺时针转动，将研磨盘上的抛光液不断吞入行星环组件的抛光室内，抛光液均匀充分的分布在工件底部；
步骤5、清洗。待研磨机停止，取下工件、抛光垫、配重块和行星环组件，冲洗研磨盘，使用乙醇和超声波清洗机清洗SiCf/SiC陶瓷基复合材料。
实施例2 性能验证：
实施例1处理得到的陶瓷基复合材料表面质量参见图8（a），表面粗糙度可达0.23μm，表面研磨均匀，常规研磨抛光装置得到的表面质量参见图8（b），表面粗糙度达0.35μm，表面粗糙度增加34.3%，表面可见明显的研磨不均匀处。
本发明的装置在抛光过程中行星环组件逆时针转动，螺旋齿形结构的行星环顺时针转动，将研磨盘上的抛光液不断吞入行星环组件的抛光室内，抛光液均匀充分的分布在工件底部，工件的抛光质量和抛光效率得到提升，且减缓了抛光液从行星环中流出速度，喷洒抛光液的时间间隔延长4min，抛光液的利用率提升57%，有效降低了生产成本和工人的劳动强度。
常规抛光装置最终抛光获得的表面参见图9（b），表面抛光不均匀，且存在凹坑，然而本发明实施例1最终得到的SiCf/SiC陶瓷基复合材料表面参见图9（a），表面粗糙度接近0.1μm，且表面能够观察到光亮，其表面质量优于常规抛光装置获得的表面。

Claims (10)

1.一种研磨抛光一体装置，其特征在于，包括机体（1）、换向导轮臂（2）、研磨盘（3）、行星环（4）和配重块（5）组件；
其中，机体内装配有电机，研磨盘安置于机体上且连接至电机，依靠电机传动旋转；
一个或者一个以上的换向导轮臂（2）并均匀分布并固定于机体台面上，换向导轮臂（2）整体呈弧形，行星环（4）和配重块（5）组件置于换向导轮臂（2）内且相互接触，在研磨盘（3）转动时，行星环受限于换向导轮臂的作用，构成旋转力矩，产生自转，旋转方向与研磨盘转动方向相反；
配重块置于行星环内构成行星环（4）和配重块（5）组件，两者活动连接；所述的行星环为环形圈，朝向研磨盘的一面边缘设有旋向为顺时针的螺旋齿形结构（101），配重块底部粘附需要处理的工件。
2.根据权利要求1所述的研磨抛光一体装置，其特征在于，换向导轮臂（2）包括摆臂（8）、可调节轮臂（7）和滚轮（9）；可调节轮臂（7）整体呈弧形，滚轮位于两个可调节轮臂的端部，行星环组件置于可调节轮臂（7）口内，外壁与两滚轮接触。
3.根据权利要求1或2所述的研磨抛光一体装置，其特征在于，换向导轮臂（2）的可调节轮臂上开U形槽，通过螺栓与摆臂连接，通过螺栓可调节摆臂位置、固定可调节轮臂的开口方向；摆臂尾部开长孔，采用带有把手的螺栓（6）固定于机体台面。
4.根据权利要求1所述的研磨抛光一体装置，其特征在于，配重块的顶部设有环扣，在研磨抛光过程中，可通过直接提起配重块的环扣（100）观察配重块底部黏贴的工件的表面加工状态。
5.根据权利要求1所述的研磨抛光一体装置，其特征在于，换向导轮臂（2）的数量为3个。
6.权利要求1所述的研磨抛光一体装置的运行方法，其特征在于：
在研磨、抛光阶段，滴水或抛光液于研磨盘（3）中心附近的工件研磨区（102），随着研磨盘的旋转，由于离心力的作用，抛光液或者水向外扩散；
研磨时，设定研磨盘的旋转方向顺时针方向，则行星环逆时针旋转，行星环的顺时针旋向螺旋齿形结构借助离心力，加快磨屑废料沿磨屑废料甩出；
抛光时，设定研磨盘（3）转动方向为逆时针转动，行星环组件逆时针转动，行星环顺时针转动，其螺旋齿形结构将研磨盘上的抛光液不断吞入行星环组件的抛光室内，抛光液均匀充分的分布在工件底部。
7.根据权利要求6所述的研磨抛光一体装置的运行方法，其特征在于：步骤如下：
步骤1、以加工面为接触面粘附工件，粗磨工件加工面对面的基准面；
（a）、超声清洗工件，备用；
（b）加热配重块至工件粘附介质的熔点以上，将工件待研磨抛光面均匀按压粘附在配重块上，冷却配重块；
（c）、粗磨基准面：将行星环和配重块组件置于研磨盘工位，滴水管滴水，调整换向导轮臂的摆臂及可调节轮臂，使其开口方向为逆时针方向，设定研磨盘转动方向为顺时针方向，转速为80 r/min，时间为5min，启动装置，待粗磨结束、清洗，取下工件；
步骤2、以基准面为接触面将工件粘附在配重块底部，处理工件的加工面：
再次加热配重块至工件粘附介质的熔点以上，以工件基准面为固定面固定工件，并重复步骤1（c）的粗磨过程；
步骤3、粗、精研磨去除工件表面凸起层：
先后将不同目数的金刚石磨片贴在湿润的研磨盘（3）上，粗、精研磨导轮臂（2）开口方向相同，均为逆时针方向，放置行星环组件，滴水管滴水，设定研磨盘（3）转动方向为顺时针方向；
金刚石磨片的金刚石从工件上磨削下的磨屑流动至行星环，由于行星环逆时针旋转，螺旋齿形结构的行星环（4）使磨屑产生离心力，同时齿形壁推扫磨屑，磨屑加速清甩出研磨室；启动研磨抛光机，待研磨机停止并清洗；
步骤4、通过在抛光过程中喷洒不同粒度的抛光液实现粗抛、中抛和精抛；
将抛光垫贴在湿润的研磨盘（3）上，放置行星环组件于工位，调整导轮臂（2）的摆臂和轮臂，使导轮臂（2）的开口方向为逆时针方向，设定研磨盘（3）转动方向为逆时针转动；
行星环组件逆时针转动，螺旋齿形结构的行星环顺时针转动，将研磨盘上的抛光液不断吞入行星环组件的抛光室内，抛光液均匀充分的分布在工件底部；
粗抛是采用较大粒度抛光液，去除研磨损伤层；
中抛是采用中等粒度抛光液去除粗抛划痕，产生较平滑、光亮表面；
精抛采用较小粒度抛光液，进一步降低表面粗糙度，获得镜面光亮表面；
步骤5、待研磨机停止，取下工件、抛光垫、配重块和行星环组件，冲洗研磨盘。
8.根据权利要求7所述的研磨抛光一体装置的运行方法，其特征在于：步骤（3）中，粗、精研磨过程，研磨速度分别为80r/min、100 r/min，时间均为5min；粗磨采用的金刚石磨片目数为600~1000#，精磨采用的金刚石磨片目数为1200#以上。
9.根据权利要求7所述的研磨抛光一体装置的运行方法，其特征在于：步骤4中，粗抛、中抛和精抛过程：
转速分别为80 r/min、100 r/min、120 r/min；
抛光液的粒度依次为9 μm、3 μm和1 μm；
抛光时间均为15min，每隔7min喷洒一次抛光液。
10.根据权利要求6所述的研磨抛光一体装置的运行方法，其特征在于：所述的工件粘附介质为石蜡，配重块加热至65℃以上。
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