超精密平面研磨加工精度的影响参数

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1、超精密平面研磨加工精度的影响参数郭隐彪张翊兰劲吴洪锦庄司克雄厦门大学机电工程系厦门361005日本东北大学工学部摘要为了取得高的加工精度和合理的研磨轮磨损对研磨加工过程的加工参数进行分析通过研究在等速与不等速加工条件下平面研磨轮放射线研磨轮以及螺旋线研磨轮在工件上的加工轨迹及工件在研磨轮上的滑移轨迹引入加工精度系数和砂轮磨损系数的概念描述加工精度与砂轮磨损程度建立不同结构研磨轮的加工参数与工件加工精度及研磨轮磨损的关系并分析其对加工精度的影响本文着重探讨了研磨轮与工件相对速度变化对加工精度的影响因素通过三

2、种结构研磨轮不同加工参数的理论分析与实践表明优化设计砂轮的结构合理选择加工参数可以达到提高研磨加工精度及降低的砂轮磨损的目的关键词平面研磨加工参数加工精度砂轮磨损0前言平面研磨技术已被广泛应用于超精密加工中它可加工出粗糙度Ra为0.010.02ìm的镜面诸如量块光学平面集成电路的硅基片等硬脆零件最后都是用超精密研磨与抛光得到要求的高质量表面其关键是如何提高效率加工精度降低成本根据需要SyojiKatsuo提出了一种采用[1]超微粒金刚石砂轮的垂直布置的超精密平面研磨方法平面研磨由于研磨轮和工件面接触磨粒的

3、有效切削数较多可以得到高的表面精度及加工效率同时为了改善冷却液工作状态减小加工动压的影响现在研磨轮多数采用了开槽式结构设[2]计主要有放射线沟槽结构和螺旋线沟槽结构两种形式针对上述研磨方法本文首次对此研磨过程的加工参数进行全面分析并得出微粒金刚石研磨轮的不同沟槽结构及加工速度变化对加工面精度的影响并从理论上解决平面研磨中砂轮加工参数的选择问题1平面研磨原理平面研磨加工原理如图1所示为了方便解析砂轮和工件的运动关系图中设定M为砂轮上一点N为被加工工件上的一点砂轮和工件的基本参数如图中所示由图1所示砂轮与工件

4、的运动关系并通过坐标变换可得到砂轮上M点在工件上的加工轨迹方程为éxùéRcos(q-(w1-w2)t)-acosw1tùêú=ê()ú(1)ëyûë-Rsinq-(w1-w2)t-asinw1tû式中q砂轮加工初始角w工件的角速度w砂轮的角速度12a砂轮和工件的中心距R砂轮上M点的半径同砂轮的加工轨迹的求解相同坐标系x¢oy¢上半径为r的N点在砂轮上的滑移轨迹方程éx¢ùé-rcos(f-(w1-w2)t)-acosw1tùêú=êú(2)ëy¢ûërsin(f-(w1-w2)t)-asinw1tû式中

5、f工件加工初始角w工件的角速度w砂轮的角速度12a砂轮和工件的中心距r工件上N点的半径y0'y'研磨轮y0工件yNwjr2r2x0'RO2qO1w1x02RxMx'a图1砂轮和工件的相对运动关系2等速加工KobayasiA提出研磨中当研磨轮和工件的角速度相等时研磨加工条件对加工精度的影响最[3]小因此考虑在通常的等速加工情况下由工件的边界条件可知其外周方程()222x+a+y=r(3)2式中r2工件的外周半径由式(1)和式(3)以及w=w可得到平面砂轮上一点在圆形工件上的加工轨迹线如图2所示12y0'y加

6、工轨迹加工方向RR0xqx0'O2O1r2RM2aa图2平面研磨轮的加工轨迹线从图2及式(3)可得出砂轮上M点在工件上的切削轨迹长LM(砂轮上磨粒磨损)j22MædxöædyöL=ç÷+ç÷dwt(4)Mòçdwt÷çdwt÷1j-Mè1øè1ø式中j,j砂轮上M点的切削轨迹和工件外周的交角M-M由砂轮的边界条件可知其内周和外周方程22é2ùé(x¢-a)+y¢ùR2ê22ú=ê2ú(5)ë(x¢-a)+y¢ûëR0û式中R2砂轮的外周半径R0砂轮的内周半径由式(2)和式(5)可得到圆形工件上一点在砂轮上

7、的滑移轨迹线如图3a所示从图3a及式(2)可得出砂轮在工件上N点的有效滑移长LNL=a(q-q+q-q)(6)N2143式中当砂轮上N点的半径r>a-R时轨迹线和砂轮内周的交角为q,q当砂轮上和工件的014中心距a>0.5R时轨迹线和砂轮外周的交角为q,q2142.1放射线砂轮图3b所示为工件上N点在放射线砂轮上的滑移轨迹图中砂轮放射线方程y¢=tanf(x¢±tsinf)(7)j2j2jð式中f=,j=1,2×××,njnn砂轮放射线条数y'滑移轨迹有效滑移y'y'q2yy有效滑移长度y长度bj-b-j

8、ai-a-iNaR0rjq1r2x'x'x'q3O2O1xO2O1xO2O1xq4rraaR2aa工件在平面砂轮上的滑移轨迹b工件N点在放射线砂轮上的滑移轨迹c工件N点在螺旋线砂轮上的滑移轨迹图3工件在不同结构砂轮上的滑移轨迹¢¢由式(5)和式(7)并经过坐标变换x=x¢-r,y=y¢可得到砂轮放射线和轨迹的交点方程11ætsinfört×sinft2(1+tan2f)x'2+ç-2rtan2f±j÷x'mj+r2tan2f+