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基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光方法及装置

阅读：279发布：2022-05-12

专利汇可以提供基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光方法及装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出了一种基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光方法，该抛光方法主要应用了动压效应，优化设计了抛光盘的流道结构，创新性地添加了约束流道，使整个抛光区域的液动压力更加均匀、稳定。抛光时，弹簧克服动板和抛光盘以及轴的自重，依靠微调旋钮进行微调，调整抛光盘和容器的初始位置，伺服电机驱动带轮，进而带动滚珠花键轴和抛光盘高速旋转。当受到一定的液动压力时，抛光盘带动轴和动板同时上浮，实现自适应；当限位螺杆通过螺纹与动板连接时，将动板和抛光盘位置固定，实现固定间隙抛光。本发明不仅改善了液动压分布，电机直接驱动，提高了抛光加工效率，而且加工前后工件都不与底面接触，提高了加工后工件表面质量。，下面是基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光方法及装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)优化设计抛光盘(10)的流道，将抛光盘(10)分成10个均等的基本单元，每个基本单元的表面均包括从右至左依次设置的工件(2)的贴片区、楔形区域(1)、蓄流槽(4)和约束边界(3)，楔形区域(1)用于形成动压效应，工件(2)的贴片区为与水平方向平行的平面区域，约束边界(3)用于防止平面区域液体压力骤降，蓄流槽(4)为各基本单元之间流体的过渡区域；
2)计算楔形区域(1)提供的单位宽度支撑力和平面区域流体提供的粘滞力，
楔形区域(1)提供的单位宽度支撑力为
其中，F为支撑力，单位为N；k为承载系数，与出入口的比例有关；μ为动力粘度，单位为Pa·s；υ0为运动速度，单位为m/s；L为楔形区域(1)水平投影长度，单位为m；h为楔形区域(1)小口高度，单位为m；
平面区域流体提供的粘滞力为
其中，Ff为粘滞力，单位为N；L1为平面区域长度，单位为m；B为抛光盘(10)半径，单位为m；
3)设计液动压悬浮抛光装置，将电机和滚珠花键轴(8)均装在动板(14)上，抛光盘(10)装在滚珠花键轴(8)的底端，由电机提供转速，带动滚珠花键轴(8)和抛光盘(10)转动，动板(14)通过弹簧(7)进行支撑，利用弹簧(7)克服动板(14)、滚珠花键轴(8)和抛光盘(10)的重量，并通过抛光盘(10)的楔形区域(1)形成动压，通过抛光间隙的变动引起抛光盘(10)沿轴向浮动和波动，波动后逐渐平衡，实现自适应悬浮抛光。
2.根据权利要求1所述的基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光方法，其特征在于：弹簧(7)的弹性系数由楔形区域(1)提供的单位宽度支撑力、平面区域流体提供的粘滞力、电机的重力、抛光盘(10)的重力和滚珠花键轴(8)的重力共同计算得出。
3.根据权利要求1所述的基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光方法，其特征在于：动板(14)上端通过旋紧限位螺杆(13)固定在升降装置(5)上，通过调整升降装置(5)调节抛光盘(10)与抛光容器的距离来调整固定的加工间隙的大小。
4.基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光装置，其特征在于：包括抛光盘(10)、液动压悬浮装置(6)、升降装置(5)和支撑装置，所述抛光盘(10)表面划分成十个基本单元，每个基本单元表面均包括从右至左依次设置的工件(2)的贴片区、楔形区域(1)、蓄流槽(4)和约束边界(3)；所述支撑装置包括上盖板、底板和四根滚动导轨，四根滚动导轨的上下两端分别固定在上盖板和底板上形成整体支撑，所述升降装置(5)包括四个滑动轴套、滚珠丝杠、联轴器、中间支撑板和步进电机，四个滑动轴套套装在四根滚动导轨上且均与中间支撑板固定连接，四个滑动轴套带动中间支撑板沿四根滚动导轨上下滑动，所述中间支撑板上还设有丝杠螺母，滚珠丝杠穿过所述丝杠螺母且上下两端分别通过轴承固定在上盖板和底板上，所述滚珠丝杠的上端通过第一联轴器连接步进电机；所述液动压悬浮装置(6)包括第二联轴器、滚珠花键轴(8)、固定板、导柱、动板(14)、微型液压缸、液压泵、带轮、同步带和伺服电机(12)，滚珠花键轴(8)与穿过动板(14)并通过第二联轴器与抛光工具盘连接，滚珠花键轴(8)的上端固定在动板(14)上；固定板固定在中间支撑板上，且动板(14)和中间支撑板之间设有四根竖直安装的导柱，动板(14)套装在所述导柱上且能沿所述导柱上下运动；所述伺服电机(12)固定在中间支撑板上，带轮安装在滚珠花键轴上，带轮通过同步带连接伺服电机(12)，所述伺服电机(12)通过同步带驱动带轮，将动力传递给滚珠花键轴(8)，并带动抛光工具盘的高速转动；所述中间支撑板上还设有弹簧(7)，所述弹簧(7)上端与动板(14)连接，通过弹簧(7)克服动板(14)、滚珠花键轴(8)和抛光工具盘在抛光时的自重。
5.根据权利要求4所述的基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光装置，其特征在于：所述抛光工具盘正下方的底座上设有抛光液容器(9)。
6.根据权利要求4所述的基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光装置，其特征在于：所述固定板上还设有用于固定动板(14)的旋紧限位螺杆(13)。
7.根据权利要求4所述的基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光装置，其特征在于：所述第二联轴器为双膜片联轴器。
8.根据权利要求4所述的基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光装置，其特征在于：所述滚珠花键轴(8)的上端还设有测力传感器。
9.根据权利要求4所述的基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光装置，其特征在于：所述伺服电机(12)通过电机座固定在中间支撑板上。
10.根据权利要求4所述的基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光装置，其特征在于：所述弹簧(7)与动板(14)连接处设有微调旋钮(11)。

说明书全文

基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及抛光加工技术领域，更具体的说，涉及一种基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光方法及装置。

背景技术

[0002] 随着现代工业技术和高性能科技产品对零件精度和表面完整性的要求越来越高，超精密加工的作用日益重要，它对国防、航空航天、核能等高新技术领域也有着重要的影响。超精密抛光方法作为超精密加工中的一种，广泛应用于原子级超光滑、少/无损伤表面的制备。

[0003] 抛光加工是获得原子级超光滑衬底的主要途径，其中，非接触抛光的抛光工具与工件分离，仅用抛光液中的微细粒子冲击工件表面，以获得加工表面完美结晶性和精确形状，去除量为几个到几十个原子级。虽然材料的去除率低，但工件亚表面损伤程度低，甚至没有亚表面损伤，面型精度高，表面粗糙度低，更有利于原子级超光滑表面的形成。

[0004] 常见的非接触抛光方法，如浮法抛光，它的抛光盘上开有同心槽，动压效应小；如动压浮离抛光，它的抛光盘开有楔形槽，有一定动压效应，但液动压分布不均匀；如弹性发射加工方法，它的刀具容易磨损且加工表面均匀性难以保证。

发明内容

[0005] 为了解决现有非接触抛光方法加工效率低和加工后表面质量难以保证的问题，本发明提出了一种基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光方法，该抛光方法优化设计了抛光盘的流道结构，创新性地添加了约束流道，使整个抛光区域的液动压力更加均匀、稳定。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光方法，包括如下步骤：

[0007] 1)优化设计抛光盘的流道，将抛光盘分成10个均等的基本单元，每个基本单元的表面均包括从右至左依次设置的工件的贴片区、楔形区域、蓄流槽和约束边界，楔形区域用于形成动压效应，工件的贴片区为与水平方向平行的平面区域，约束边界用于防止平面区域液体压力骤降，蓄流槽为各基本单元之间流体的过渡区域；

[0008] 2)计算楔形区域提供的单位宽度支撑力和平面区域流体提供的粘滞力，[0009] 楔形区域提供的单位宽度支撑力为

[0010]

[0011] 其中，F为支撑力，单位为N；k为承载系数，与出入口的比例有关；μ为动力粘度，单位为Pa·s；υ0为运动速度，单位为m/s；L为楔形区域水平投影长度，单位为m；h为楔形区域小口高度，单位为m；

[0012] 平面区域流体提供的粘滞力为

[0013]

[0014] 其中，Ff为粘滞力，单位为N；L1为平面区域长度，单位为m；B为抛光盘半径，单位为m；

[0015] 3)设计液动压悬浮抛光装置，将电机和滚珠花键轴均装在动板上，抛光盘装在滚珠花键轴的底端，由电机提供转速，带动滚珠花键轴和抛光盘转动，动板通过弹簧进行支撑，利用弹簧克服动板、滚珠花键轴和抛光盘的重量，并通过抛光盘的楔形区域形成动压，通过抛光间隙的变动引起抛光盘沿轴向浮动和波动，波动后逐渐平衡，实现自适应悬浮抛光。

[0016] 进一步的，弹簧的弹性系数由楔形区域提供的单位宽度支撑力、平面区域流体提供的粘滞力、电机的重力、抛光盘的重力和滚珠花键轴的重力共同计算得出。

[0017] 进一步的，动板上端通过旋紧限位螺杆固定在升降装置上，通过调整升降装置调节抛光盘与抛光容器的距离来调整固定的加工间隙的大小。

[0018] 基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光装置，包括抛光盘、液动压悬浮装置、升降装置和支撑装置，所述抛光盘表面划分成十个基本单元，每个基本单元表面均包括从右至左依次设置的工件的贴片区、楔形区域、蓄流槽和约束边界；所述支撑装置包括上盖板、底板和四根滚动导轨，四根滚动导轨的上下两端分别固定在上盖板和底板上形成整体支撑，所述升降装置包括四个滑动轴套、滚珠丝杠、联轴器、中间支撑板和步进电机，四个滑动轴套套装在四根滚动导轨上且均与中间支撑板固定连接，四个滑动轴套带动中间支撑板沿四根滚动导轨上下滑动，所述中间支撑板上还设有丝杠螺母，滚珠丝杠穿过所述丝杠螺母且上下两端分别通过轴承固定在上盖板和底板上，所述滚珠丝杠的上端通过第一联轴器连接步进电机；所述液动压悬浮装置包括第二联轴器、滚珠花键轴、固定板、导柱、动板、微型液压缸、液压泵、带轮、同步带和伺服电机，滚珠花键轴与穿过动板并通过第二联轴器与抛光工具盘连接，滚珠花键轴的上端固定在动板上；固定板固定在中间支撑板上，且动板和中间支撑板之间设有四根竖直安装的导柱，动板套装在所述导柱上且能沿所述导柱上下运动；所述伺服电机固定在中间支撑板上，带轮安装在滚珠花键轴上，带轮通过同步带连接伺服电机，所述伺服电机通过同步带驱动带轮，将动力传递给滚珠花键轴，并带动抛光工具盘的高速转动；所述中间支撑板上还设有弹簧，所述弹簧上端与动板连接，通过弹簧克服动板、滚珠花键轴和抛光工具盘在抛光时的自重。

[0019] 进一步的，所述抛光工具盘正下方的底座上设有抛光液容器。

[0020] 进一步的，所述固定板上还设有用于固定动板的旋紧限位螺杆。

[0021] 进一步的，所述第二联轴器为双膜片联轴器。

[0022] 进一步的，所述滚珠花键轴的上端还设有测力传感器。

[0023] 进一步的，所述伺服电机通过电机座固定在中间支撑板上。

[0024] 进一步的，所述弹簧与动板连接处设有微调旋钮。

[0025] 升降部件工作时，步进电机通过第一联轴器与滚珠丝杠连接，将动力传递给滚珠丝杠，进而带动中间支撑板升降，步进电机的最小细分可以满足微米级的定位精度要求，且滚动导轨和滚珠丝杠灵敏度高，运动平稳，低速时不易出现爬行现象，因而可以达到微米级定位精度的要求。

[0026] 通过微调旋钮调节抛光盘和容器的初始距离，抛光盘处于自由状态，根据转速、抛光液粘度的不同，抛光区域的液动压力也会随之不同，经过一个动态稳定的过程实现自适应悬浮抛光。与此同时，通过限位螺杆限制动板的运动，从而限制抛光盘的上浮，实现固定间隙抛光。

[0027] 抛光时，弹簧克服动板和抛光盘以及轴的自重，依靠微调旋钮进行微调，调整抛光盘和容器的初始位置，伺服电机驱动带轮，进而带动滚珠花键轴和抛光盘高速旋转。当受到一定的液动压力时，抛光盘带动轴和动板同时上浮，实现自适应；当限位螺杆通过螺纹与动板连接时，将动板和抛光盘位置固定，实现固定间隙抛光。由于电机直接驱动，此时的转速可以达到很高，比传动的抛光加工效率高很多。

[0028] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：加工间隙可调，既可以实现自适应悬浮抛光，也可以实现固定间隙抛光；电机通过带轮直接驱动抛光盘，加工效率高、液动压分布均匀；加工前后工件都不与底面接触，使得加工后工件表面质量好。附图说明

[0029] 图1为本发明抛光盘示意图。

[0030] 图2为本发明抛光盘圆周展开后流道结构示意图。

[0031] 图3为本发明的抛光装置的结构示意图。

[0032] 图4为本发明液动压悬浮装置部分示意图。

[0033] 图5为本发明液动压悬浮装置部分剖视图。

[0034] 图中，1-楔形区域、2-工件、3-约束边界、4-蓄流槽、5-升降装置、6-液动压悬浮装置、7-弹簧、8-滚珠花键轴、9-抛光液容器、10-抛光盘、11-微调旋钮、12-伺服电机、13-旋紧限位螺杆、14-动板。

具体实施方式

[0035] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

[0036] 如图一所示为抛光盘示意图，如图二所示为抛光盘上的流道结构按圆周方向展开的示意图。抛光盘10上总共有10单元，一个单元包括楔形区域1，工件2的贴片区，约束边界3和蓄流槽4。抛光液在楔形区域1形成动压效应，工件2贴在平行区域，该区域的液动压均匀，抛光液中磨粒的水平冲击效果好，约束边界3防止平面区域液体压力骤降，进一步保证液动压均匀，蓄流槽4为各单元之间流体的过渡区域，前一单元为后一单元补充流体，防止压力骤变形成负压。

[0037] 假设流体为牛顿流体，定常流动，因间隙很小，且抛光液粘度大，故将流动看作层流。楔形平面提供的单位宽度支撑力为：

[0038]

[0039] 其中，F为支撑力，单位为N；

[0040] k为承载系数，与出入口的比例有关；

[0041] μ为动力粘度，单位为Pa·s；

[0042] υ0为运动速度，单位为m/s；

[0043] L为楔形区域水平投影长度，单位为m；

[0044] h为楔形区域小口高度，单位为m。

[0045] 平行区域流体对工件的水平作用力主要由粘滞力提供，即：

[0046]

[0047] 抛光盘的运动环境可以视为纯剪切流，故：

[0048]

[0049] 其中，Ff为粘滞力，单位为N；

[0050] L1为平面区域长度，单位为m；

[0051] B为抛光盘半径，单位为m。

[0052] 因此，转速、抛光液粘度一定的情况下，合理的抛光盘流道设计，如长度、楔形角等，可以提高加工效率。

[0053] 如图三所示，基于自适应和固定加工间隙的液动压悬浮抛光装置，包括抛光盘10、液动压悬浮装置6、升降装置5和支撑装置，所述抛光盘10表面划分成十个基本单元，每个基本单元表面均包括从右至左依次设置的工件2的贴片区、楔形区域1、蓄流槽4和约束边界3；所述支撑装置包括上盖板、底板和四根滚动导轨，四根滚动导轨的上下两端分别固定在上盖板和底板上形成整体支撑，所述升降装置5包括四个滑动轴套、滚珠丝杠、联轴器、中间支撑板和步进电机，四个滑动轴套套装在四根滚动导轨上且均与中间支撑板固定连接，四个滑动轴套带动中间支撑板沿四根滚动导轨上下滑动，所述中间支撑板上还设有丝杠螺母，滚珠丝杠穿过所述丝杠螺母且上下两端分别通过轴承固定在上盖板和底板上，所述滚珠丝杠的上端通过第一联轴器连接步进电机；所述液动压悬浮装置6包括第二联轴器、滚珠花键轴8、固定板、导柱、动板14、微型液压缸、液压泵、带轮、同步带和伺服电机12，滚珠花键轴8与穿过动板14并通过第二联轴器与抛光工具盘连接，滚珠花键轴8的上端固定在动板14上；
固定板固定在中间支撑板上，且动板14和中间支撑板之间设有四根竖直安装的导柱，动板
14套装在所述导柱上且能沿所述导柱上下运动；所述伺服电机12固定在中间支撑板上，带轮安装在滚珠花键轴上，带轮通过同步带连接伺服电机12，所述伺服电机12通过同步带驱动带轮，将动力传递给滚珠花键轴8，并带动抛光工具盘的高速转动；所述中间支撑板上还设有弹簧7，所述弹簧7上端与动板14连接，通过弹簧7克服动板14、滚珠花键轴8和抛光工具盘在抛光时的自重。

[0054] 其中液动压悬浮装置部分如图4和图5所示。抛光时，伺服电机12提供转速，带动滚珠花键8和抛光盘10旋转，弹簧7克服动板14、滚珠花键轴8和抛光盘10的重量，楔形区域形成动压，提供支撑力，受支撑力影响，抛光盘10将沿轴向上浮，抛光间隙h增大，因此支撑力又减小，抛光盘10将下降一段距离，波动后逐渐平衡，实现自适应悬浮抛光。当旋紧限位螺杆13时，由于动板14被固定，所以抛光盘10和容器9的间隙固定，微调旋钮11调节抛光盘10和容器9的距离，实现固定间隙抛光。

[0055] 应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

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