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1、中国机械工程第13卷第20期2002年10月下半月文章编号:1004-132Ò(2002)20-1724-03研磨轮结构参数对工件加工精度的影响郭隐彪 张 翊 庄司克雄 摘要:通过建立研磨轮和工件的相对运动数学模型,得出研磨轮在工件上的切削运动轨迹方程,由此得到超精密平面研磨中,不同结构参数研磨轮的滑移轨迹长度。引入精度系数的概念,用于评价不同结构参数研磨轮对工件的加工效果。采用微粒金刚石研磨轮对单晶硅和压电陶瓷材料进行研磨实验的结果表明,使用设计合理的研磨轮可以提高研磨的加工精度。关键词:超精密平面研磨;微粒金刚石;研磨轮结构;加工精度郭隐
2、彪 教授中图分类号:TG74 文献标识码:A 游离磨粒加工如研磨、抛光等,使用简单的机器虽然很容易得到非常高光洁度的镜面,但是存在加工后工件表面误差大,加工工序不容易控制[1]等因素。Lin等提出了一种采用超微粒金刚石研磨轮的垂直布置的超精密平面研磨方法。实验结果表明,平面研磨具有很高的加工精度及加工[2]效率。但工件的加工精度受到研磨轮结构、研磨[3]轮和工件相对运动等参数的影响。本文通过建立平面研磨中研磨轮和工件的相对运动数学模型,通过计算加工工件上一点在研图1 研磨轮和工件的相对运动关系′x-rcosU+acos(X2t)磨轮上的滑移长
3、度,得到不同结构研磨轮在工件=(2)′yrsinU+asin(X2t)上一点的有效加工深度(精度系数)。并通过分析由研磨轮的边界条件可知其外周和内周方程研磨轮结构参数和工件加工精度系数之间的关′2′22(x-a)+yR2系,解决超精密平面研磨中研磨轮结构参数的选=(3)′2′22(x-a)+yR0择问题。式中,R2为研磨轮的外周半径;R0为研磨轮的内周半径。1 平面研磨加工原理由式(2)和式(3)可得到圆形工件上N点在平面研磨轮上的滑移轨迹线见图2。图1为研磨加工中研磨轮和工件的相对运动关系。图中设定,N为被加工工件上的一点。从图中研磨轮和被加工件
4、的相对运动关系,并通过从′′工件坐标系xO1y到研磨轮坐标系xO2y的坐标变换,得到被加工工件上N点在研磨轮上的滑移轨迹方程′x-rcos[U-(X2-X1)t]+acos(X2t)=(1)′yrsin[U-(X2-X1)t]+asin(X2t)式中,U为工件加工初始角;X1为工件的角速度;X2为研磨轮的角速度;a为研磨轮和工件的中心距;r为工件上N点的半径。图2 工件上N点在平面研磨轮上的滑移轨迹Kobayasi[4]提出,研磨中当研磨轮和工件角从图2及式(2)可得出,工件上N点在砂轮速度相等时,研磨加工条件对加工精度的影响最的滑移轨迹为半径是a
5、的圆。其轨迹在平面研磨小。因此,本文设定研磨加工中X1=X2,由此式轮的滑移长度(1)简化为LN=aH(4)式中,H为有效滑移角。收稿日期:2001—03—29有效滑移角和工件上N点的半径r、砂轮上·1724·研磨轮结构参数对工件加工精度的影响——郭隐彪 张 翊 庄司克雄和工件的中心距a有关。当工件上N点的半径rR2ö2时,轨迹线和研磨轮外圆周形成两点交角。通过内圆、外圆和轨迹线的交角可以求出H值。2 研磨轮的加工精度2.1 放射线研磨轮图3为工件上N点在放射线研磨轮上的滑
6、移轨迹。由研磨轮结构参数可得到放射线方程图4工件上N点在螺线研磨轮上的滑移轨迹′′tsinUj)(5)iy=tanUj(x±2LS=∑(Ai-A-i)a(10)1式中,Uj=2Pjön,j=1,2,⋯n;n为放射线条数。式中,Ai为研磨轮螺线上部和轨迹线的交点;A-i为研磨轮螺线下部和轨迹线的交点。2.3 加工精度系数以表1的研磨轮结构参数,并通过式(4)、式(7)和式(10)可分别得到平面、放射线和螺线结构研磨轮的有效滑移长度见图5。工件上一点在研磨轮上的有效滑移长度,在研磨加工中表现为工件的被切削深度。表1 研磨轮结构参数与实验条件金刚石研磨轮
7、型号SD3000B图3 工件上N点在放射线研磨轮上的滑移轨迹研磨轮内圆、外圆直径100mm、350mm′′由式(5)和式(2),并经坐标变换x1=x-r,放射线、螺线宽度t3mm′′研磨轮放射线条数n78y1=y,可得到研磨轮放射线和轨迹的交点方程2′2(-22tsinUj′研磨轮螺线间距C2mm(1+tanUj)x1+rtanUj±(2)x1ºcosUj研磨轮和工件中心距a110mm2工件材料Si,LiTaOrtsinUj+22t232rtanUj+2-a=0(6)cosUj4cosUj研磨轮和工件转速X1、X2400römin′′从式(6)可解
8、得x1,通过坐标变换x1=研磨加工压力p10NacosBj可求得研磨轮放射线上下边和轨迹的交点放射线、螺线有效使用率30%
