CN103331652B - 一种动压浮离抛光方法 - Google Patents

Abstract

一种动压浮离抛光方法，将粘贴有工件的基盘沿圆周方向制成有若干个倾斜平面的圆盘在液体中转动时，通过液体楔产生液体动压，使保持环中的工件浮离圆盘表面，通过浮动间隙的粉末颗粒对工件进行抛光。本发明提供一种在加工工件时既能降低表面粗糙度、改善表面质量，同时能够提高精度的动压浮离抛光方法。

Description

一种动压浮离抛光方法

技术领域

本发明涉及本装置涉及抛光领域，提出了一种动压浮离抛光方法。

背景技术

随着科学技术的发展，光学、机械、电子学科交叉的各种系统被制造出来。为了保证系统中关键元件的高质量和高性能,不仅要求元件有很高的加工精度，甚至要求元件有极高的平面度和无损伤超平滑表面，即要求工件无划痕、微裂纹、凹坑以及晶格畸变等损伤。光学及半导体零件的加工基本上包括铣磨成型、研磨、抛光这3道工序，最终的表面质量由抛光决定，因此抛光是最重要的工序。抛光通常使用1um以下的微粒磨粒，抛光盘用沥青、石蜡、合成树脂和人造革、锡等软质金属或非金属材料制成以来达到技术要求。但在调研过程中，发现现阶段国内的抛光加工设备精度低，抛光工艺人为因素多，造成产品合格率低、精度差及工作效率低下等。

而从超光滑表面流体抛光技术国内外研究现状的诸多研究结果表明：磨料与加工表面的抛光压力是造成抛光缺陷的重要原因之一，接触式抛光表面粗糙度约为抛光粒子直径的1/5，亚表面的损伤层深度约为抛光粒子深度直径的1/2—1倍，位错密度范围为5×10⁹cm²—4×10¹⁰cm²，与抛光面平行的局部应变值为0.1%。松散磨粒与流体混合，可构成液—固两相或气—固两相磨粒流，因此以磨粒流为代表的准/非接触式抛光加工方法有利于减少去除单位，改善磨粒与工件的接触状况，更容易实现少无损伤、低应力的抛光加工。

因此，为了提高加工工件的表面质量和加工精度，保证各种电子元件和光学元件的性能，开发无加工变质层、无表面损伤（不扰乱结晶的原子排列）的镜面超精密加工方法显得越来越重要。

发明内容

为了克服传统的抛光方法在加工工件时不能兼顾加工质量和加工精度的不足，本发明提供一种在加工工件时既能降低表面粗糙度、改善表面质量，同时能够提高精度的动压浮离抛光方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种动压浮离抛光方法，将粘贴有工件的基盘沿圆周方向制成有若干个倾斜平面的圆盘在液体中转动时，通过液体楔产生液体动压，使保持环中的工件浮离圆盘表面，通过浮动间隙的粉末颗粒对工件进行抛光。

进一步，实现所述动压浮离抛光方法的装置包括机架、电容测距模块，动压盘浮离模块，微动限位模块和伺服微进给模块；其中，

电容测距模块是依靠嵌在主研磨盘上的三个电容传感器实现的。电容传感器利用位移量的变化使电容器的电容量发生变化，实现信号变换；

动压盘浮离模块中，电机输出轴通过普通平键将动力传递给电机连接轴，再通过导向平键依次传递给限位轴套、主轴连接套和主轴。特定的加工工艺条件下，动压盘在油膜浮力的作用下克服重力和摩擦力产生垂直向上的微位移，从而挤压滑台和抛光盘、限位轴套和锁紧螺母之间具有一定预紧力的弹簧，以此吸收抛光盘和主轴的浮动的能量，使得他们快速回复到理想的工作位置直到动压平衡。

微动限位模块中通过微动升降器与限位板将微位移传递给推力球轴承和限位轴套，使限位轴套克服其与电机连接轴的配合摩擦，产生垂直向下的微位移，减小其与主轴上端的间隙，实现微动限位功能。伺服微进给模块通过伺服电机带动联轴器使丝杠进行转动，使丝杠螺母上下运动，从而带动滑台上下平移，从而实现微进给。

本发明的技术构思为：动压浮离抛光方法主要依托于流体动压润滑基本理论：

二维Reynolds方程的三种效应：液体动压润滑理论研究的起点Reynolds，它解决了在运动副表面间的润滑油如何产生动压力及产生动压力的条件。分析二维Reynolds方程： $\frac{\mathrm{\δ}}{\∂x}\left(\frac{h^2}{\mathrm{\η}}\frac{\∂P}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\frac{h^2}{\mathrm{\η}}\frac{\∂P}{\∂z}\right)=6\mathrm{\η}({\mathrm{\μ}}_1-{\mathrm{\μ}}_2)\frac{\∂h}{\∂x}+6h\frac{\mathrm{\δ}}{\∂x}({\mathrm{\μ}}_1+{\mathrm{\μ}}_2)+2\frac{\∂h}{\mathrm{\δt}}$

可知：方程右侧三项分别代表着液体动压润滑过程中的油楔效应、表面伸缩效应和挤压效应。

液体动压润滑状态下挤压效应的三种情况：

（1）当轴受到冲击载荷或振动情况下，挤压效应的作用是显而易见的。此时，不仅挤压效应引起的油膜动压力对油膜承载起到了主导作用，而且是很有利的缓冲减震阻尼膜，但对轻载高速轴，应注意防止“油膜震荡”。

（2）当轴受有如旋转载荷等载荷方向变化的情况时，如果载荷的旋转速度u接近轴的旋转速度的二分之一，油楔效应将不起作用，而挤压效应引起的油膜动压力是保证系统维持动压润滑的关键。

（3）当轴受有稳定载荷，且大小变化在完全允许范围之内时，挤压效应与油楔效应所产生的油膜动压力属于同一数量级。挤压效应引起的动压力增加了油膜的承载能力，其作用不应忽略。

为去除微小划痕在抛光过程中应用非接触抛光法——动压浮离抛光法：将粘贴有工件的基盘沿圆周方向制成有若干个倾斜平面的圆盘在液体中转动时，通过液体楔产生液体动压（也称动压推力轴承工作原理），使保持环中的工件浮离圆盘表面，通过浮动间隙的粉末颗粒对工件进行抛光。

如图1和图2，找出最佳倾斜角α及比率γ的基盘。基盘的浮力F可按下式计算：

$F=\frac{{6\mathrm{\ηULB}}^2}{h^2}K=\mathrm{PLB},\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dx}}=\mathrm{\η}\frac{{\mathrm{dU}}^2}{{\mathrm{dy}}^2}---\left(1\right)$

其中， $b=\frac{\mathrm{rB}\×\tan \mathrm{\α}}{h}---\left(2\right)$

$K=\frac{r^2\mathrm{In}(1+b)}{b^2}+\frac{{2r}^2}{b(b+2)}+\frac{\mathrm{br}(1-r)}{2(1-r){(b+1)}^2+r(b+2)}\×(\frac{r}{b+2}+\frac{1-r}{2})=\frac{h^2\mathrm{PLB}}{6\mathrm{\η}{B}^2\mathrm{LU}}=\frac{h^2}{6\mathrm{\ηB}}\×\frac{P}{U}---\left(3\right)$

式中：

U——相对速度；

η——流体黏度；

L——基盘半径方向的分割长度；

B——基盘面圆周的分割宽度；

h——最小间隙；

K——形状系数，是γ，α，B，h的函数。基盘从内圆端到外圆端宽度之比为γ，由于γ是定值，而在不同半径处的相对速度U不同。

本发明的有益效果主要表现在：1、在加工精度上相比传统的接触式抛光有很大的提高，并且提高了抛光效率；2、本发明能够调节抛光盘与研磨盘之间的初始距离，并解决了动压浮离抛光中因抛光盘浮离位置变动影响到抛光精度的难题；3.本发明采用动压推力轴承理论，设计了动压浮离抛光盘的结构，有效降低了工件表面的粗糙度；4.本发明具有减振降噪效果，降低抛光盘的振动幅度，并且能够通过电容传感器抛光盘的浮离位置变化。

附图说明

图1是动压浮离抛光基盘截面的结构。

图2是动压浮离抛光基盘的平面示意图。

图3是动压浮离加工原型系统示意图。

图4动压盘浮离和微动限位工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种动压浮离抛光方法，将粘贴有工件的基盘沿圆周方向制成有若干个倾斜平面的圆盘在液体中转动时，通过液体楔产生液体动压，使保持环中的工件浮离圆盘表面，通过浮动间隙的粉末颗粒对工件进行抛光。

进一步，实现所述动压浮离抛光方法的装置包括机架、电容测距模块，动压盘浮离模块，微动限位模块和伺服微进给模块；其中，

电容测距模块依靠嵌在主研磨盘上的三个电容传感器实现。电容传感器利用位移量的变化使电容器的电容量发生变化，实现信号变换。

动压盘浮离模块中，电机输出轴通过普通平键将动力传递给电机连接轴，再通过导向平键依次传递给限位轴套、主轴连接套和主轴。特定的加工工艺条件下，动压盘在油膜浮力的作用下克服重力和摩擦力产生垂直向上的微位移，从而挤压滑台和抛光盘、限位轴套和锁紧螺母之间具有一定预紧力的弹簧，以此吸收抛光盘和主轴的浮动的能量，使得他们快速回复到理想的工作位置直到动压平衡。

微动限位模块中通过微动升降器与限位板将微位移传递给推力球轴承和限位轴套，使限位轴套克服其与电机连接轴的配合摩擦，产生垂直向下的微位移，减小其与主轴上端的间隙，实现微动限位功能。

伺服微进给模块通过伺服电机带动联轴器使丝杠进行转动，使丝杠螺母上下运动，从而带动滑台上下平移，从而实现微进给。

参照图3，动压浮离抛光方法主要包括：机架1、电容测距装置2，动压盘浮离装置3，微动限位装置4和伺服微进给装置5。所述电容测距装置2安装在所述机架内，所述微动限位装置4与所述动压浮离装置3相连接。所述伺服微进给装置5能调节抛光盘与研磨盘的距离，所述微动限位装置4能够调节抛光盘的浮离位置。所述电容传感装置2随着抛光盘浮离位置的变化，其电容量发生变化，实现实时检测目的。

参考图4，首先所述调节微动升降器11，使所述驱动限位板10上下运动，从而依次推动所述推力球轴承16和所述限位轴套8的上下运动，使弹簧产生不同的预紧力。再启动所述电机6，通过普通平键和紧定螺钉方式将动力传递给所述电机连接轴7，再通过导向平键依次传递给所述限位轴套8、主轴连接套9和主轴13，从而带动所述抛光盘12转动。当所述抛光盘12与研磨盘在液体中存在足够的相对速度时，会产生液体动压，使保持环中的工件浮离研磨盘表面，通过浮动间隙的粉末颗粒对工件进行抛光。而所述抛光盘12和所述主轴13也会受到楔形液体的冲击而向上浮动，从而挤压滑台和抛光盘12、限位轴套8和锁紧螺母15之间的弹簧，弹簧具有一定的预紧力，进而会产生抵抗作用，吸收所述抛光盘12和所述主轴13的浮动的能量，使得他们快速回复到理想的工作位置，确保所述抛光盘12动压浮离位置的稳定。

Claims (1)

1.一种动压浮离抛光方法，其特征在于：将粘贴有工件的基盘沿圆周方向制成有若干个倾斜平面的圆盘在液体中转动时，通过液体楔产生液体动压，使保持环中的工件浮离圆盘表面，通过浮动间隙的粉末颗粒对工件进行抛光；实现所述动压浮离抛光方法的装置包括机架、电容测距模块，动压盘浮离模块，微动限位模块和伺服微进给模块；其中，

电容测距模块是依靠嵌在主研磨盘上的三个电容传感器实现的，电容传感器利用位移量的变化使电容器的电容量发生变化，实现信号变换；

动压盘浮离模块中浮离抛光盘由安装在滑台上的转轴带动，抛光盘和滑台底部安装有设定预紧力的弹簧，抛光盘和转轴采用间隙配合的花键连接，起到导向及传递扭矩的作用，当产生的动压力超过时，抛光盘能沿着花键上下运动，实现动压浮离抛光；

微动限位模块中通过微动升降器与限位板将微位移传递给推力球轴承和限位轴套，使限位轴套克服其与电机连接轴的配合摩擦，产生垂直向下的微位移，减小其与主轴上端的间隙，实现微动限位功能，伺服微进给模块通过伺服电机带动联轴器使丝杠进行转动，使丝杠螺母上下运动，从而带动滑台上下平移，从而实现微进给。