雙面研磨拋光中拋幀運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真分析與優(yōu)化

雙面研磨拋光中拋幀運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真分析與優(yōu)化

0影響雙面研磨加工質(zhì)量的因素雙表面研磨技術(shù)是研磨超光滑表面的最有效方法。近些年,國內(nèi)外學(xué)者選擇不同研制方向來進(jìn)行雙面研磨的研究,比如對(duì)研磨和拋光過程中化學(xué)因素研究本文是工件在雙面研磨加工過程中,運(yùn)動(dòng)過程、受力狀態(tài)是影響加工過程穩(wěn)定性和加工后表面質(zhì)量的主要因素。依據(jù)拋光過程中工件的運(yùn)動(dòng)機(jī)理建立工件的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)學(xué)模型,并基于MATLAB軟件對(duì)拋光軌跡進(jìn)行研究,從模擬軌跡出發(fā)采用單一因素變量法由運(yùn)動(dòng)軌跡密度分布均勻程度來確定達(dá)到工件拋光均勻性的因素條件,對(duì)日后實(shí)際加工中工藝參數(shù)的選取給予一定的理論支持。1研磨雙表面光機(jī)的工藝加工和運(yùn)動(dòng)原理1.1雙面研磨/雙面加工方法本次設(shè)計(jì)研究的雙面/研磨拋光機(jī)加工機(jī)構(gòu)采用的是差動(dòng)式行星結(jié)構(gòu)來進(jìn)行研磨/拋光工作。傳統(tǒng)拋光機(jī)多采用單電機(jī)或者雙電機(jī)帶動(dòng)上下研磨盤、齒圈和太陽輪運(yùn)轉(zhuǎn),本次研制采用四電機(jī)驅(qū)動(dòng),變頻調(diào)速;工作時(shí)上、下研磨盤由主電機(jī)驅(qū)動(dòng),并且以固定速比搭配反向運(yùn)轉(zhuǎn),同時(shí)大、小齒圈的運(yùn)轉(zhuǎn)各自由單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)共同帶動(dòng)行星輪一起做行星式運(yùn)動(dòng);本機(jī)備有單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒圈的升降,方便了齒圈的更換。圖1為雙面研磨/拋光加工機(jī)理示意圖。這里對(duì)工件進(jìn)行受力分析是建立三維模型的基礎(chǔ),工件主要受力情況包括:工件所受自身的重力mg;工件所承受上拋光盤的加載壓力為F;下拋光盤對(duì)工件施加的支撐力N;加工過程中由于工件的自轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生上、下拋光盤對(duì)工件的摩擦力分別為f1.2研磨/拋拾遺加工原理研磨和拋光確切地說為雙面研磨/拋光機(jī)的兩個(gè)過程。研磨是通過研具上的磨料顆粒在加載壓力作用下進(jìn)行表面的精整加工;拋光則是在研磨之后,使加工工件表面在機(jī)械、化學(xué)作用下表面的粗糙度降低,以便獲得光亮、平整表面的加工方法?？傮w來說拋光達(dá)到的表面潔度要比研磨高,并且采用化學(xué)或電化學(xué)的方法本次設(shè)計(jì)的雙面研磨/拋光機(jī)研磨和拋光工作過程主要由大齒圈、行星輪(游星輪)、中心輪(小齒圈)、上、下研磨/拋光盤等組成。采用上、下雙研磨/拋光盤可同時(shí)研磨工件的上下兩個(gè)表面;工件裝載在行星輪內(nèi),置于上、下研磨盤之間,行星輪在太陽輪(主軸)和外圈齒輪帶動(dòng)下繞中心輪做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和自身的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。整機(jī)運(yùn)行加工過程由上、下研磨盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)外加上研磨盤作用于工件上的加載壓力共同作用下,便實(shí)現(xiàn)了研磨/拋光加工,如圖3所示。雙面研磨/拋光過程中工件的運(yùn)動(dòng)原理圖:在研磨/拋光加工過程中,工件置于行星輪系中,工件的運(yùn)動(dòng)一方面受行星輪系繞內(nèi)齒圈的公轉(zhuǎn)所影響,一方面受行星輪自身的自轉(zhuǎn)所關(guān)聯(lián),所以工件的運(yùn)動(dòng)是自身的行星運(yùn)動(dòng)和工件自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。由于工件的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不易測(cè)量并且受外界偶然因素影響較大,并無固定參數(shù),理想建模過程中簡(jiǎn)化了工件的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);由于其自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的合運(yùn)動(dòng)必將增加軌跡的復(fù)雜程度從而拋光更加均勻,這里便不再考慮工件的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣運(yùn)動(dòng)軌跡方程的建立過程中可以將工件行星式運(yùn)動(dòng)軌跡直接簡(jiǎn)化為實(shí)際加工的工件運(yùn)動(dòng)軌跡。簡(jiǎn)化工件運(yùn)動(dòng)示意圖,如圖4所示。2拋盤相對(duì)工件運(yùn)動(dòng)軌跡模型研磨/拋光過程中,工件盤和拋光盤之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡決定了工件拋光表面的形成,所以均勻的軌跡密度分布以及理想的拋光軌跡形態(tài)對(duì)于提高工件表面的加工精度、減少實(shí)際加工中的畸變、降低工件表面的粗糙度具有重要意義。同時(shí)為有效地提高加工效率和加工后表面質(zhì)量精度,控制研磨和拋光軌跡形態(tài)的分布以減少表面磨損從而減少磨損變形起著指導(dǎo)作用。研究拋光盤相對(duì)工件的軌跡方程,假設(shè)拋光盤上一點(diǎn)P,則可以認(rèn)為點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)軌跡代表拋光盤研磨拋光的軌跡,初始時(shí)刻點(diǎn)P與回轉(zhuǎn)中心距離為R行星輪公轉(zhuǎn)坐標(biāo)系O與自轉(zhuǎn)坐標(biāo)系O由此解得:又由于大、小齒圈與行星輪分別嚙合,依據(jù)齒輪嚙合原理可知:Z拋光盤運(yùn)轉(zhuǎn)t時(shí)間后,則拋光盤轉(zhuǎn)過角度θ其中ψ為初始位置拋光盤上點(diǎn)P與原點(diǎn)O夾角由于本文研究拋光盤相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡,可以假想行星輪靜止其公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的角度,相當(dāng)于反向作用于拋光盤。用坐標(biāo)變換可表示為XOY繞O旋轉(zhuǎn)到X再反向旋轉(zhuǎn)角度θ由此可知若想建立拋光盤上一點(diǎn)P相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡方程,便可以通過坐標(biāo)變換來得知點(diǎn)P在坐標(biāo)系X可以得出點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)軌跡方程,即是拋光盤相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)方程時(shí)間t代入可得如下軌跡方程:3影響工件運(yùn)動(dòng)軌跡的因素由上文求出的工件軌跡模擬方程,可知實(shí)際加工過程中工件的運(yùn)動(dòng)軌跡近似于一簇?cái)[線,由點(diǎn)P運(yùn)動(dòng)軌跡方程可知,影響軌跡運(yùn)行的因素有大小齒圈比、拋光盤與小齒圈速比還有工件在拋光盤位置參數(shù)等因素,每個(gè)因素對(duì)其軌跡分布的影響效果更不相同,為了進(jìn)一步直觀有效地分析影響工件實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡的各參數(shù),這里采用單一因素變量法,運(yùn)用MATLAB軟件分別對(duì)影響工件軌跡的變量(內(nèi)外齒圈速度比、工件置于游星輪的位置、太陽輪轉(zhuǎn)速)等因素進(jìn)行拋光軌跡模擬研究。為了找出在不同拋光半徑R1)磨削顆粒在拋光盤上不同位置點(diǎn)R由模擬軌跡曲線可知:隨著點(diǎn)P所在拋光盤位置的變化,R2)磨削顆粒在拋光盤不同轉(zhuǎn)速w從模擬軌跡曲線可以看出:隨著拋光盤轉(zhuǎn)速的變大,軌跡曲線的曲率變化加大,意味著拋光盤磨削變化較大,我們應(yīng)盡可能選取拋光盤轉(zhuǎn)速滿足軌跡曲率突變小,保持拋光均勻性。4運(yùn)動(dòng)軌跡模擬分析通過拋光盤相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡方程及工件相對(duì)拋光盤的運(yùn)動(dòng)軌跡方程的建立,在給定的加工工藝參數(shù)情況下,通過仿真軟件分析了拋光盤和工件的運(yùn)動(dòng)軌跡變化趨勢(shì),從中找出軌跡分布均勻、致密性好、突變幾率小的運(yùn)動(dòng)軌跡模擬曲線;這樣的加工軌跡分布均勻、曲率變化小,影響著整體加工后表面的均勻性。由上述模擬軌跡分析可知:隨著大小齒圈的轉(zhuǎn)速比的增大,工件的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)比較復(fù)雜,趨于3~5倍時(shí)軌跡分布最均勻;隨著拋光盤轉(zhuǎn)速的增加,軌跡復(fù)雜并趨于平穩(wěn),拋光盤的轉(zhuǎn)速為中心齒輪的轉(zhuǎn)速的5倍,軌跡的分布最均勻;小齒圈與大齒圈的半徑比在0.3~0.4倍的范圍內(nèi)變化時(shí),軌跡分布均勻,曲率變化小;工件遠(yuǎn)離行星輪的回轉(zhuǎn)中心,軌跡分布均勻致密性好,曲率突變小。5試驗(yàn)設(shè)計(jì)5.1試驗(yàn)條件及水平本次加工試驗(yàn)選取3個(gè)參數(shù)(因素)進(jìn)行分析:A加載壓力、B拋光盤轉(zhuǎn)速、C太陽輪轉(zhuǎn)速;每個(gè)因素取3個(gè)水平,試驗(yàn)水平因素如表1所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案所選一個(gè)3水平實(shí)驗(yàn),選用L5.2拋光去除率的測(cè)量由上述可知,本次需要對(duì)研磨拋光后的工件表面粗糙度和拋光去除率進(jìn)行考察分析。表面粗糙度選用現(xiàn)有的原子力顯微鏡和輪廓儀綜合測(cè)量獲得,同時(shí)拋光去除率的測(cè)量使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)得。經(jīng)測(cè)得數(shù)據(jù)整理,可得表3所示的記錄數(shù)據(jù)。這里加載壓力我們選取穩(wěn)定加工階段時(shí)的工作載荷,設(shè)定壓力值分別為2000、4000和5000N;拋光盤轉(zhuǎn)速分別取10、20、30r/min;太陽輪轉(zhuǎn)速分別取5、10、15r/min。5.3正交試驗(yàn)的視覺分析R由正交實(shí)驗(yàn)表可知,極差大小依次是R基于表面粗糙度的正交試驗(yàn)表直觀分析,如下表5所示。由正交實(shí)驗(yàn)表知,極差大小依次是R5.4影響因素的顯著性及自由度在直觀分析中極差的大小只是確定因素影響的程度大小,但是并未給出誤差的估計(jì)值,為此引入方差分析,構(gòu)造F統(tǒng)計(jì)量進(jìn)而生成方差分析表。能用于檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程中有關(guān)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的顯著性基于拋光后材料去除率的方差分析計(jì)算列成顯著水平表:表中平方和SS是各因素的離差平方和,反映了結(jié)果的總差異;差值越大則反映因素變化和實(shí)驗(yàn)誤差是引起實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異的原因。其中差異顯著性以*的數(shù)量表示,數(shù)量越多表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果越顯著。各因素離差平方和,如式所示?？傋杂啥葹?df=n-1=9-1=8;各因素自由度df由F檢驗(yàn)對(duì)于材料去除率分析知,對(duì)于給定的顯著性水平α,若F為了進(jìn)一步選出對(duì)拋光去除率最優(yōu)匹配的方案,因素A和因素B組合搭配,如表7所示。由上表可知,拋光去除率最大組合為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。由表面粗糙度顯著性表可知,F由上表可知,拋光后表面粗糙度最大組合為A由上述試驗(yàn)分析可知,加載壓力對(duì)材料去除率起顯著作用的,拋光盤轉(zhuǎn)速和加載壓力對(duì)表面粗糙度起顯著效果;又考慮到實(shí)際加工中,材料去除率越大、表面粗糙度越低所拋光后工件表面質(zhì)量越好,成品率也越高。綜合選擇A5.5表面粗糙度通過實(shí)驗(yàn)分析,選出最優(yōu)加工工藝參數(shù)組合(400kg、30r/min、5r/min)對(duì)藍(lán)寶石晶片進(jìn)行研磨/拋光實(shí)驗(yàn),加工前藍(lán)寶石晶片厚度為1.35mm,直徑Φ41.1mm,加工后直徑為Φ39.4mm,厚度去除量為1.88mm/h,表面粗糙度可達(dá)0.334nm。拋光前和拋光后藍(lán)寶石晶片,其中分別對(duì)應(yīng)的是經(jīng)倒角工藝處理過的藍(lán)寶石晶片,可以看出拋光后的晶片亮度、光澤相比拋光前有了顯著的改觀,經(jīng)新改造的研磨/拋光機(jī)進(jìn)行加工后的藍(lán)寶石晶片的材料去除率和表面粗糙度達(dá)到了預(yù)期效果,為實(shí)際加工制定了一套優(yōu)化的加工工藝參數(shù),具有實(shí)際意義。5.6基于工藝參數(shù)對(duì)表面去除率和表面質(zhì)量的影響分析經(jīng)上述分析,最終的工藝參數(shù)的選取使加工軌跡分布比較均勻、曲率變化小研磨/拋光軌跡復(fù)雜為最優(yōu)的加工軌跡。優(yōu)化的工藝參數(shù)對(duì)于實(shí)際加工過程中拋光機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)以及研磨拋光運(yùn)行時(shí)參數(shù)的選取評(píng)定具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。依據(jù)工藝參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果,可初步獲得理想的材料去除均勻的工藝標(biāo)準(zhǔn),從而對(duì)實(shí)際加工過程中,工件的表面去除率和表面質(zhì)量作進(jìn)一步研究。以加工后材料去除率和表面粗糙度為評(píng)價(jià)指標(biāo),基于新改造的雙面研磨/拋光機(jī)分別以加載壓力、拋光盤轉(zhuǎn)速和太陽輪轉(zhuǎn)速為設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)際加工生產(chǎn)試驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理,從中選出最優(yōu)的加工工藝參數(shù)。6運(yùn)動(dòng)軌跡仿真分析1)建立了雙面研磨/拋光機(jī)的拋光盤相對(duì)于加工晶體的運(yùn)動(dòng)軌跡模型,基于仿真分析得到了拋光盤不同位置點(diǎn)對(duì)加工晶體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡。2)拋光盤隨著大小齒圈的轉(zhuǎn)速比的增大,工件的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)比較復(fù)雜,趨于3~5倍時(shí)軌跡分布最均勻;隨著拋光盤轉(zhuǎn)速的增加,軌跡復(fù)雜并趨于平