基于自適應(yīng)和固定加工間隙的液動(dòng)壓懸浮拋光方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及拋光加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說(shuō)，涉及一種基于自適應(yīng)和固定加工間 隙的液動(dòng)壓懸浮拋光方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和高性能科技產(chǎn)品對(duì)零件精度和表面完整性的要求越來(lái)越高， 超精密加工的作用日益重要，它對(duì)國(guó)防、航空航天、核能等高新技術(shù)領(lǐng)域也有著重要的影 響。超精密拋光方法作為超精密加工中的一種，廣泛應(yīng)用于原子級(jí)超光滑、少/無(wú)損傷表面 的制備。
[0003] 拋光加工是獲得原子級(jí)超光滑襯底的主要途徑，其中，非接觸拋光的拋光工具與 工件分離，僅用拋光液中的微細(xì)粒子沖擊工件表面，以獲得加工表面完美結(jié)晶性和精確形 狀，去除量為幾個(gè)到幾十個(gè)原子級(jí)。雖然材料的去除率低，但工件亞表面損傷程度低，甚至 沒(méi)有亞表面損傷，面型精度高，表面粗糙度低，更有利于原子級(jí)超光滑表面的形成。
[0004] 常見(jiàn)的非接觸拋光方法，如浮法拋光，它的拋光盤(pán)上開(kāi)有同心槽，動(dòng)壓效應(yīng)??；如 動(dòng)壓浮離拋光，它的拋光盤(pán)開(kāi)有楔形槽，有一定動(dòng)壓效應(yīng)，但液動(dòng)壓分布不均勾；如彈性發(fā) 射加工方法，它的刀具容易磨損且加工表面均勻性難以保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有非接觸拋光方法加工效率低和加工后表面質(zhì)量難以保證的問(wèn)題，本 發(fā)明提出了一種基于自適應(yīng)和固定加工間隙的液動(dòng)壓懸浮拋光方法，該拋光方法優(yōu)化設(shè) 計(jì)了拋光盤(pán)的流道結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新性地添加了約束流道，使整個(gè)拋光區(qū)域的液動(dòng)壓力更加均勻、 穩(wěn)定。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:基于自適應(yīng)和固定加工間隙的液 動(dòng)壓懸浮拋光方法，包括如下步驟：
[0007] 1)優(yōu)化設(shè)計(jì)拋光盤(pán)的流道，將拋光盤(pán)分成10個(gè)均等的基本單元，每個(gè)基本單元的 表面均包括從右至左依次設(shè)置的工件的貼片區(qū)、楔形區(qū)域、蓄流槽和約束邊界，楔形區(qū)域用 于形成動(dòng)壓效應(yīng)，工件的貼片區(qū)為與與水平方向平行的平面區(qū)域，約束邊界用于防止平面 區(qū)域液體壓力驟降，蓄流槽為各基本單元之間流體的過(guò)渡區(qū)域；
[0008] 2)計(jì)算楔形區(qū)域提供的單位寬度支撐力和平面區(qū)域流體提供的粘滯力，
[0009] 楔形區(qū)域提供的單位寬度支撐力為
[0010] F = h2
[0011] 其中，F(xiàn)為支撐力，單位為N; k為承載系數(shù)，與出入口的比例有關(guān);μ為動(dòng)力粘度，單 位為Pa · S;UQ為運(yùn)動(dòng)速度，單位為m/s;L為楔形區(qū)域水平投影長(zhǎng)度，單位為m;h為楔形區(qū)域 小口高度，單位為m;
[0012] 平面區(qū)域流體提供的粘滯力為
[0013] h
[0014] 其中，F(xiàn)f為粘滯力，單位為Ν; Li為水平區(qū)域長(zhǎng)度，單位為m; Β為拋光盤(pán)半徑，單位為 m；
[0015] 3)設(shè)計(jì)液動(dòng)壓懸浮拋光裝置，將電機(jī)和滾珠花鍵軸均裝在動(dòng)板上，拋光盤(pán)裝在滾 珠花鍵軸的底端，由電機(jī)提供轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)滾珠花鍵軸和拋光盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)板通過(guò)彈簧進(jìn)行支 撐，利用彈簧克服動(dòng)板、滾珠花鍵軸和拋光盤(pán)的重量，并通過(guò)拋光盤(pán)的楔形區(qū)域形成動(dòng)壓， 通過(guò)拋光間隙的變動(dòng)引起拋光盤(pán)沿軸向浮動(dòng)和波動(dòng)，波動(dòng)后逐漸平衡，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)懸浮拋 光。
[0016] 進(jìn)一步的，彈簧的彈性系數(shù)由楔形區(qū)域提供的單位寬度支撐力、平面區(qū)域流體提 供的粘滯力、電機(jī)的重力、拋光盤(pán)的重力和滾珠花鍵軸的重力共同計(jì)算得出。
[0017] 進(jìn)一步的，動(dòng)板上端通過(guò)旋緊限位螺桿固定在升降裝置上，通過(guò)調(diào)整升降裝置調(diào) 節(jié)拋光盤(pán)與拋光容器的距離來(lái)調(diào)整固定的加工間隙的大小。
[0018] 基于自適應(yīng)和固定加工間隙的液動(dòng)壓懸浮拋光裝置，包括拋光盤(pán)、液動(dòng)壓懸浮裝 置、升降裝置和支撐裝置，所述拋光盤(pán)表面劃分成十個(gè)基本單元，每個(gè)基本單元表面均包括 從右至左依次設(shè)置的工件的貼片區(qū)、楔形區(qū)域、蓄流槽和約束邊界;所述支撐裝置包括上蓋 板、底板和四根滾動(dòng)導(dǎo)軌，四根滾動(dòng)導(dǎo)軌的上下兩端分別固定在上蓋板和底板上形成整體 支撐，所述升降裝置包括四個(gè)滑動(dòng)軸套、滾珠絲杠、聯(lián)軸器、中間支撐板和步進(jìn)電機(jī)，四個(gè)滑 動(dòng)軸套套裝在四根滾動(dòng)導(dǎo)軌上且均與中間支撐板固定連接，四個(gè)滑動(dòng)軸套帶動(dòng)中間支撐板 沿四根滾動(dòng)導(dǎo)軌上下滑動(dòng)，所述中間支撐板上還設(shè)有絲杠螺母，滾珠絲杠穿過(guò)所述絲杠螺 母且上下兩端分別通過(guò)軸承固定在上蓋板和底板上，所述滾珠絲杠的上端通過(guò)第一聯(lián)軸器 連接步進(jìn)電機(jī);所述液動(dòng)壓懸浮裝置包括第二聯(lián)軸器、滾珠花鍵軸、固定板、導(dǎo)柱、動(dòng)板、微 型液壓缸、液壓栗、帶輪、同步帶和伺服電機(jī)滾珠花鍵軸與穿過(guò)動(dòng)板并通過(guò)第二聯(lián)軸器與拋 光工具盤(pán)連接，滾珠花鍵軸的上端固定在動(dòng)板上；固定板固定在中間支撐板上，且動(dòng)板和支 撐板之間設(shè)有四根豎直安裝的導(dǎo)柱，動(dòng)板套裝在所述導(dǎo)柱上且能沿所述導(dǎo)柱上下運(yùn)動(dòng)；所 述伺服電機(jī)固定在中間支撐板上，帶輪安裝在滾軸花鍵軸上，帶輪通過(guò)同步帶連接伺服電 機(jī)，所述伺服電機(jī)通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)帶輪，將動(dòng)力傳遞給滾珠花鍵軸，并帶動(dòng)拋光工具盤(pán)的高 速轉(zhuǎn)動(dòng);所述中間支撐板上還設(shè)有彈簧，所述彈簧上端與動(dòng)板連接，通過(guò)彈簧克服動(dòng)板、滾 珠花鍵軸和拋光工具盤(pán)在拋光時(shí)的自重。
[0019] 進(jìn)一步的，所述拋光工具盤(pán)正下方的底座上設(shè)有拋光液容器。
[0020] 進(jìn)一步的，所述固定板上還設(shè)有用于固定動(dòng)板的旋緊限位螺桿。
[0021 ]進(jìn)一步的，所述第二聯(lián)軸器為雙膜片聯(lián)軸器。
[0022]進(jìn)一步的，所述滾珠花鍵軸的上端還設(shè)有測(cè)力傳感器。
[0023] 進(jìn)一步的，所述伺服電機(jī)通過(guò)電機(jī)座固定在中間支撐板上。
[0024] 進(jìn)一步的，所述彈簧與動(dòng)板連接處設(shè)有微調(diào)旋鈕。
[0025] 升降部件工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)第一聯(lián)軸器與滾珠絲杠連接，將動(dòng)力傳遞給滾珠 絲杠，進(jìn)而帶動(dòng)中間支撐板升降，步進(jìn)電機(jī)的最小細(xì)分可以滿足微米級(jí)的定位精度要求，且 滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠靈敏度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，低速時(shí)不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，因而可以達(dá)到微米級(jí) 定位精度的要求。
[0026] 通過(guò)微調(diào)旋鈕調(diào)節(jié)拋光盤(pán)和容器的初始距離，拋光盤(pán)處于自由狀態(tài)，根據(jù)轉(zhuǎn)速、 拋光液粘度的不同，拋光區(qū)域的液動(dòng)壓力也會(huì)隨之不同，經(jīng)過(guò)一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的過(guò)程實(shí)現(xiàn)自 適應(yīng)懸浮拋光。與此同時(shí)，通過(guò)限位螺桿限制動(dòng)板的運(yùn)動(dòng)，從而限制拋光盤(pán)的上浮，實(shí)現(xiàn)固 定間隙拋光。
[0027] 拋光時(shí)，彈簧克服動(dòng)板和拋光盤(pán)以及軸的自重，依靠微調(diào)旋鈕進(jìn)行微調(diào)，調(diào)整拋光 盤(pán)和容器的初始位置，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輪，進(jìn)而帶動(dòng)滾珠花鍵軸和拋光盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)受到 一定的液動(dòng)壓力時(shí)，拋光盤(pán)帶動(dòng)軸和動(dòng)板同時(shí)上浮，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng);當(dāng)限位螺桿通過(guò)螺紋與動(dòng) 板連接時(shí)，將動(dòng)板和拋光盤(pán)位置固定，實(shí)現(xiàn)固定間隙拋光。由于電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，此時(shí)的轉(zhuǎn)速 可以達(dá)到很高，比傳動(dòng)的拋光加工效率高很多。
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：加工間隙可調(diào)，既可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)懸浮拋 光，也可以實(shí)現(xiàn)固定間隙拋光；電機(jī)通過(guò)帶輪直接驅(qū)動(dòng)拋光盤(pán)，加工效率高、液動(dòng)壓分布均 勻;加工前后工件都不與底面接觸，使得加工后工件表面質(zhì)量好。
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1為本發(fā)明拋光盤(pán)示意圖。
[0030] 圖2為本發(fā)明拋光盤(pán)圓周展開(kāi)后流道結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 圖3為本發(fā)明的拋光裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖4為本發(fā)明液動(dòng)壓懸浮裝置部分示意圖。
[0033] 圖5為本發(fā)明液動(dòng)壓懸浮裝置部分剖視圖。
[0034] 圖中，1-楔形區(qū)域、2-工件、3-約束邊界、4-蓄流槽、5-升降裝置、6-液動(dòng)壓懸浮裝 置、7-彈簧、8-滾珠花鍵軸、9-拋光液容器、10-拋光盤(pán)、11-微調(diào)旋鈕、12-伺服電機(jī)、13-旋 緊限位螺桿、14-動(dòng)板。
【具體實(shí)施方式】
[0035]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】并參 照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā) 明的范圍。此外，在以下說(shuō)明中，省略了對(duì)公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本 發(fā)明的概念。
[0036] 如圖1所示為拋光盤(pán)示意圖，如圖2所示為拋光盤(pán)上的流道結(jié)構(gòu)按圓周方向展開(kāi)的 示意圖。拋光盤(pán)10上總共有10單元，一個(gè)單元包括楔形區(qū)域1，工件2的貼片區(qū)，約束邊界3和 蓄流槽4。拋光液在楔形區(qū)域1形成動(dòng)壓效應(yīng)，工件2貼在平行區(qū)域，該區(qū)域的液動(dòng)壓均勻，拋 光液中磨粒的水平?jīng)_擊效果好，約束邊界3防止水平區(qū)域液體壓力驟降，進(jìn)一步保證液動(dòng)壓 均勻，蓄流槽4為各單元之間流體的過(guò)渡區(qū)域，前一單元為后一單元補(bǔ)充流體，防止壓力驟 變形成負(fù)壓。
[0037] 假設(shè)流體為牛頓流體，定常流動(dòng)，因間隙很小，且拋光液粘度大，故將流動(dòng)看作層 流。楔形平面提供的單位寬度支撐力為：
[0038] F = k h"
[0039] 其中，F(xiàn)為支撐力，單位為N;
[0040] k為承載系數(shù)，與出入口的比例有關(guān)；
[00411 μ為動(dòng)力粘度，單位為Pa · s;
[0042] 為運(yùn)動(dòng)速度，單位為m/s;
[0043] L為楔形區(qū)域水平投影長(zhǎng)度，單位為m;
[0044] h為楔形區(qū)域小口