双面研磨抛光中抛帧运动轨迹的仿真分析与优化

双面研磨抛光中抛帧运动轨迹的仿真分析与优化

0影响双面研磨加工质量的因素双表面研磨技术是研磨超光滑表面的最有效方法。近些年,国内外学者选择不同研制方向来进行双面研磨的研究,比如对研磨和抛光过程中化学因素研究本文是工件在双面研磨加工过程中,运动过程、受力状态是影响加工过程稳定性和加工后表面质量的主要因素。依据抛光过程中工件的运动机理建立工件的运动轨迹数学模型,并基于MATLAB软件对抛光轨迹进行研究,从模拟轨迹出发采用单一因素变量法由运动轨迹密度分布均匀程度来确定达到工件抛光均匀性的因素条件,对日后实际加工中工艺参数的选取给予一定的理论支持。1研磨双表面光机的工艺加工和运动原理1.1双面研磨/双面加工方法本次设计研究的双面/研磨抛光机加工机构采用的是差动式行星结构来进行研磨/抛光工作。传统抛光机多采用单电机或者双电机带动上下研磨盘、齿圈和太阳轮运转,本次研制采用四电机驱动,变频调速;工作时上、下研磨盘由主电机驱动,并且以固定速比搭配反向运转,同时大、小齿圈的运转各自由单独电机驱动共同带动行星轮一起做行星式运动;本机备有单独的电机驱动齿圈的升降,方便了齿圈的更换。图1为双面研磨/抛光加工机理示意图。这里对工件进行受力分析是建立三维模型的基础,工件主要受力情况包括:工件所受自身的重力mg;工件所承受上抛光盘的加载压力为F;下抛光盘对工件施加的支撑力N;加工过程中由于工件的自转会产生上、下抛光盘对工件的摩擦力分别为f1.2研磨/抛拾遗加工原理研磨和抛光确切地说为双面研磨/抛光机的两个过程。研磨是通过研具上的磨料颗粒在加载压力作用下进行表面的精整加工;抛光则是在研磨之后,使加工工件表面在机械、化学作用下表面的粗糙度降低,以便获得光亮、平整表面的加工方法。总体来说抛光达到的表面洁度要比研磨高,并且采用化学或电化学的方法本次设计的双面研磨/抛光机研磨和抛光工作过程主要由大齿圈、行星轮(游星轮)、中心轮(小齿圈)、上、下研磨/抛光盘等组成。采用上、下双研磨/抛光盘可同时研磨工件的上下两个表面;工件装载在行星轮内,置于上、下研磨盘之间,行星轮在太阳轮(主轴)和外圈齿轮带动下绕中心轮做公转运动和自身的自转运动。整机运行加工过程由上、下研磨盘相对运动外加上研磨盘作用于工件上的加载压力共同作用下,便实现了研磨/抛光加工,如图3所示。双面研磨/抛光过程中工件的运动原理图:在研磨/抛光加工过程中,工件置于行星轮系中,工件的运动一方面受行星轮系绕内齿圈的公转所影响,一方面受行星轮自身的自转所关联,所以工件的运动是自身的行星运动和工件自转运动的合成运动。由于工件的自转运动不易测量并且受外界偶然因素影响较大,并无固定参数,理想建模过程中简化了工件的自转运动;由于其自转与公转的合运动必将增加轨迹的复杂程度从而抛光更加均匀,这里便不再考虑工件的自转运动。这样运动轨迹方程的建立过程中可以将工件行星式运动轨迹直接简化为实际加工的工件运动轨迹。简化工件运动示意图,如图4所示。2抛盘相对工件运动轨迹模型研磨/抛光过程中,工件盘和抛光盘之间的相对运动轨迹决定了工件抛光表面的形成,所以均匀的轨迹密度分布以及理想的抛光轨迹形态对于提高工件表面的加工精度、减少实际加工中的畸变、降低工件表面的粗糙度具有重要意义。同时为有效地提高加工效率和加工后表面质量精度,控制研磨和抛光轨迹形态的分布以减少表面磨损从而减少磨损变形起着指导作用。研究抛光盘相对工件的轨迹方程,假设抛光盘上一点P,则可以认为点P的运动轨迹代表抛光盘研磨抛光的轨迹,初始时刻点P与回转中心距离为R行星轮公转坐标系O与自转坐标系O由此解得:又由于大、小齿圈与行星轮分别啮合,依据齿轮啮合原理可知:Z抛光盘运转t时间后,则抛光盘转过角度θ其中ψ为初始位置抛光盘上点P与原点O夹角由于本文研究抛光盘相对工件的运动轨迹,可以假想行星轮静止其公转和自转的角度,相当于反向作用于抛光盘。用坐标变换可表示为XOY绕O旋转到X再反向旋转角度θ由此可知若想建立抛光盘上一点P相对于工件的运动轨迹方程,便可以通过坐标变换来得知点P在坐标系X可以得出点P的运动轨迹方程,即是抛光盘相对工件的运动方程时间t代入可得如下轨迹方程:3影响工件运动轨迹的因素由上文求出的工件轨迹模拟方程,可知实际加工过程中工件的运动轨迹近似于一簇摆线,由点P运动轨迹方程可知,影响轨迹运行的因素有大小齿圈比、抛光盘与小齿圈速比还有工件在抛光盘位置参数等因素,每个因素对其轨迹分布的影响效果更不相同,为了进一步直观有效地分析影响工件实际运动轨迹的各参数,这里采用单一因素变量法,运用MATLAB软件分别对影响工件轨迹的变量(内外齿圈速度比、工件置于游星轮的位置、太阳轮转速)等因素进行抛光轨迹模拟研究。为了找出在不同抛光半径R1)磨削颗粒在抛光盘上不同位置点R由模拟轨迹曲线可知:随着点P所在抛光盘位置的变化,R2)磨削颗粒在抛光盘不同转速w从模拟轨迹曲线可以看出:随着抛光盘转速的变大,轨迹曲线的曲率变化加大,意味着抛光盘磨削变化较大,我们应尽可能选取抛光盘转速满足轨迹曲率突变小,保持抛光均匀性。4运动轨迹模拟分析通过抛光盘相对工件的运动轨迹方程及工件相对抛光盘的运动轨迹方程的建立,在给定的加工工艺参数情况下,通过仿真软件分析了抛光盘和工件的运动轨迹变化趋势,从中找出轨迹分布均匀、致密性好、突变几率小的运动轨迹模拟曲线;这样的加工轨迹分布均匀、曲率变化小,影响着整体加工后表面的均匀性。由上述模拟轨迹分析可知:随着大小齿圈的转速比的增大,工件的运动轨迹相对比较复杂,趋于3~5倍时轨迹分布最均匀;随着抛光盘转速的增加,轨迹复杂并趋于平稳,抛光盘的转速为中心齿轮的转速的5倍,轨迹的分布最均匀;小齿圈与大齿圈的半径比在0.3~0.4倍的范围内变化时,轨迹分布均匀,曲率变化小;工件远离行星轮的回转中心,轨迹分布均匀致密性好,曲率突变小。5试验设计5.1试验条件及水平本次加工试验选取3个参数(因素)进行分析:A加载压力、B抛光盘转速、C太阳轮转速;每个因素取3个水平,试验水平因素如表1所示。根据实验方案所选一个3水平实验,选用L5.2抛光去除率的测量由上述可知,本次需要对研磨抛光后的工件表面粗糙度和抛光去除率进行考察分析。表面粗糙度选用现有的原子力显微镜和轮廓仪综合测量获得,同时抛光去除率的测量使用三坐标测量仪测得。经测得数据整理,可得表3所示的记录数据。这里加载压力我们选取稳定加工阶段时的工作载荷,设定压力值分别为2000、4000和5000N;抛光盘转速分别取10、20、30r/min;太阳轮转速分别取5、10、15r/min。5.3正交试验的视觉分析R由正交实验表可知,极差大小依次是R基于表面粗糙度的正交试验表直观分析,如下表5所示。由正交实验表知,极差大小依次是R5.4影响因素的显著性及自由度在直观分析中极差的大小只是确定因素影响的程度大小,但是并未给出误差的估计值,为此引入方差分析,构造F统计量进而生成方差分析表。能用于检验实验过程中有关因素对实验结果影响的显著性基于抛光后材料去除率的方差分析计算列成显著水平表:表中平方和SS是各因素的离差平方和,反映了结果的总差异;差值越大则反映因素变化和实验误差是引起实验结果差异的原因。其中差异显著性以*的数量表示,数量越多表示实验结果越显著。各因素离差平方和,如式所示。总自由度为:df=n-1=9-1=8;各因素自由度df由F检验对于材料去除率分析知,对于给定的显著性水平α,若F为了进一步选出对抛光去除率最优匹配的方案,因素A和因素B组合搭配,如表7所示。由上表可知,抛光去除率最大组合为A同理可以求出基于表面粗糙度的方差分析表,如表8所示。由表面粗糙度显著性表可知,F由上表可知,抛光后表面粗糙度最大组合为A由上述试验分析可知,加载压力对材料去除率起显著作用的,抛光盘转速和加载压力对表面粗糙度起显著效果;又考虑到实际加工中,材料去除率越大、表面粗糙度越低所抛光后工件表面质量越好,成品率也越高。综合选择A5.5表面粗糙度通过实验分析,选出最优加工工艺参数组合(400kg、30r/min、5r/min)对蓝宝石晶片进行研磨/抛光实验,加工前蓝宝石晶片厚度为1.35mm,直径Φ41.1mm,加工后直径为Φ39.4mm,厚度去除量为1.88mm/h,表面粗糙度可达0.334nm。抛光前和抛光后蓝宝石晶片,其中分别对应的是经倒角工艺处理过的蓝宝石晶片,可以看出抛光后的晶片亮度、光泽相比抛光前有了显著的改观,经新改造的研磨/抛光机进行加工后的蓝宝石晶片的材料去除率和表面粗糙度达到了预期效果,为实际加工制定了一套优化的加工工艺参数,具有实际意义。5.6基于工艺参数对表面去除率和表面质量的影响分析经上述分析,最终的工艺参数的选取使加工轨迹分布比较均匀、曲率变化小研磨/抛光轨迹复杂为最优的加工轨迹。优化的工艺参数对于实际加工过程中抛光机的设计改进以及研磨抛光运行时参数的选取评定具有一定的实际指导意义。依据工艺参数的优化结果,可初步获得理想的材料去除均匀的工艺标准,从而对实际加工过程中,工件的表面去除率和表面质量作进一步研究。以加工后材料去除率和表面粗糙度为评价指标,基于新改造的双面研磨/抛光机分别以加载压力、抛光盘转速和太阳轮转速为设计参数进行实际加工生产试验,将实验结果进行正交试验设计处理,从中选出最优的加工工艺参数。6运动轨迹仿真分析1)建立了双面研磨/抛光机的抛光盘相对于加工晶体的运动轨迹模型,基于仿真分析得到了抛光盘不同位置点对加工晶体的相对运动轨迹。2)抛光盘随着大小齿圈的转速比的增大,工件的运动轨迹相对比较复杂,趋于3~5倍时轨迹分布最均匀;随着抛光盘转速的增加,轨迹复杂并趋于平