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研磨拋光機的磨削軌跡研究
作者:管理員    發布于:2018-12-31 21:17:30    文字:【】【】【
摘要: 研磨拋光機的磨削軌跡研究

    0引言

    雙面拋光技術作為晶片超光滑表面加工的最有效手段m,對器件的加工精度和原材料的加工要求越來越高,提高材料的利用率從而降低產品的生產成本,獨立研發擁有自主知識產權的超精密加工有利于企業的利潤和市場的競爭力d勺。
    近些年,國內外學者選擇不同研制方向來進行雙面研磨的研究,比如對研磨和拋光過程中化學因素研究妙通過對拋光機的氣動加載控制系統進行軟件分析改進,達到加載的穩定性,從而優化精密加工的工藝參數-4。通過引入超聲振動檢測化學拋光技術建立了拋光去除率與超聲波振動關系方程進行研究目;但有關定量方面的研究仍有不足,對工件的運動情況了解不足,實際加工的特殊性限制了工件的運動特性和受力特性的測量,所以現階段的研究工作僅限于理論數學模型的建立,與實際還存在一定差距?3。
  本文是工件在雙面研磨加工過程中,運動過程、受力狀態是影響加工過程穩定性和加工后表面質量的主要因素。依據拋光過程中工件的運動機理建立工件的運動軌跡數學模型,并基于MATLAB軟件對拋光軌跡進行研究,從模擬軌跡出發采用單一因素變量法由運動軌跡密度分布均勻程度來確定達到工件拋光均勻性的因素條件,對日后實際加工中工藝參數的選取給予一定的理論支持。

    1研磨拋光機工件加工和運動原理

1.1研磨拋光機加工原理
  本次設計研究的雙面/研磨拋光機加工機構采用的是差動式行星結構來進行研磨/拋光工作。傳統拋光機多采用單電機或者雙電機帶動上下研磨盤、齒圈和太陽輪運轉,本次研制采用四電機驅動,變頻調速;工作時上、下研磨盤由主電機驅動,并且以固定速比搭配反向運轉,同時大、小齒圈的運轉各自由單獨電機驅動共同帶動行星輪一起做行星式運動;本機備有單獨的電機驅動齒圈的升降,方便了齒圈的更換。圖1為研磨拋光加工機理示意圖。  這里對工件進行受力分析是建立三維模型的基礎,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;下拋光盤對工件施加的支撐力N;加工過程中由于工件的自轉會產生上、下拋光盤對工件的摩擦力分別為齊、Z;行星輪中的工件所受到作用的碰撞力為Q和摩擦力為九。如圖2所示。

1.2研磨拋光過程中工件的運動原理
  研磨和拋光確切地說為研磨拋光機的兩個過程。研磨是通過研具上的磨料顆粒在加載壓力作用下進行表面的精整加工;拋光則是在研磨之后,使加工工件表面在機械、化學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。總體來說拋光達到的表面潔度要比研磨高,并且采用化學或電化學的方法-訶,然而研磨只是機械的方法,所使用的磨料粒度要比拋光的更粗,粒度更大。
  本次設計的研磨拋光機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/拋光盤可同時研磨工件的上下兩個表面;工件裝載在行星輪內,置于上、下研磨盤之間,行星輪在太陽輪(主軸)和外圈齒輪帶動下繞中心輪做公轉運動和自身的自轉運動。整機運行加工過程由上、下研磨盤相對運動外加上研磨盤作用于工件上的加載壓力共同作用下,便實現了研磨/拋光加工,如圖3所示。
  研磨拋光過程中工件的運動原理圖:在研磨/拋光加工過程中,工件置于行星輪系中,工件的運動一方面受行星輪系繞內齒圈的公轉所影響,一方面受行星輪自身的自轉所關聯,所以工件的運動是自身的行星運動和工件自轉運動的合成運動。由于工件的自轉運動不易測量并且受外界偶然因素影響較大,并無固定參數,理想建模過程中簡化了工件的自轉運動;由于其自轉與公轉的合運動必將增加軌跡的復雜程度從而拋光更加均勻,這里便不再考慮工件的自轉運動。這樣運動軌跡方程的建立過程中可以將工件行星式運動軌跡直接簡化為實際加工的工件運動軌跡。簡化工件運動示意圖,如圖4所示。


    2加工中拋光盤相對工件運動軌跡模型的建立

  研磨/拋光過程中,工件盤和拋光盤之間的相對運動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對于提高工件表面的加工精度、減少實際加工中的畸變、降低工件表面的粗糙度具有重要意義。同時為有效地提高加工效率和加工后表面質量精度,控制研磨和拋光軌跡形態的分布以減少表面磨損從而減少磨損變形起著指導作用。
  研究拋光盤相對工件的軌跡方程,假設拋光盤上一點P,則可以認為點P的運動軌跡代表拋光盤研磨拋光的軌跡,初始時刻點P與回轉中心距離為盡,(拋光半徑),夾角為0。如圖5所示行星輪公轉坐標系。與自轉坐標系。太陽輪、拋光盤和大齒圈組成旋轉坐標系。,太陽輪轉速血,大齒圈轉速妁,拋光盤轉速;行星輪自轉坐標系公轉轉速必;自轉轉速叫,公轉半徑、自轉半徑這里我們依據行星式周轉傳動系統傳動比關系可知拋光盤運轉t時間后,則拋光盤轉過角度切=W;行星輪繞0公轉的角度Or =wHt,繞0;自轉的角度02 =w?i;這里點P可表示為
   L = [R?cos(0? +(/<) £sin (色 + 0) 1 ] (7)
其中冷為初始位置拋光盤上點P與原點。夾角由于本文研究拋光盤相對工件的運動軌跡,可以假想行星輪靜止其公轉和自轉的角度,相當于反向作用于拋光盤。用坐標變換可表示為XOF繞。


    3拋光盤相對于工件運動軌跡仿真

  由上文求出的工件軌跡模擬方程,可知實際加工過程中工件的運動軌跡近似于一簇擺線,由點p運動軌跡方程可知,影響軌跡運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等因素,每個因素對其軌跡分布的影響效果更不相同,為了進一步直觀有效地分析影響工件實際運動軌跡的各參數,這里采用單一因素變量法,運用MATLAB軟件分別對影響工件軌跡的變量(內外齒圈速度比、工件置于游星輪的位置、太陽輪轉速)等因素進行拋光軌跡模擬研究。
  為了找出在不同拋光半徑和不同拋光盤轉速心下運動軌跡分布的規律,這里采取單一因素變量取值法,簡化計算模型的繁瑣性給予模型中固定的轉速比以及齒圈半徑,R =40 mm, r =60 mm ,考慮初始位置夾角在D,2tt]范圍內變化,研磨拋光時間t在D,2tt/w?]內拋光盤相對運動軌跡的分布規律。
  1)磨削顆粒在拋光盤上不同位置點RP下軌跡分布。點P代表拋光盤任一點拋光半徑,則在心在(R, R + 2r]范圍內;設如1 = 5 (r/min),拋光盤轉速 =50 (r/min) , w? = 10 (r/min)即齒圈轉速比2,分別模擬不同位置點&0, 60, 80,100,120,160]運動軌跡。如圖6所示。由模擬軌跡曲線可知:隨著點P所在拋光盤位置的變化,的增大,點P的運動軌跡范圍變大,但靠近中心和邊緣的軌跡分布相對集中不均勻,只有RP增大到一定程度,接近拋光盤的外側邊緣處,軌跡密度分布均勻;由此可知實際加工選定工藝參數時,選擇此位置使拋光均勻進行。
  2)磨削顆粒在拋光盤不同轉速wP下軌跡分布。
  從模擬軌跡曲線可以看出:隨著拋光盤轉速的變大,軌跡曲線的曲率變化加大,意味著拋光盤磨削變化較大,我們應盡可能選取拋光盤轉速滿足軌跡曲率突變小,保持拋光均勻性。

    4仿真軌跡分析

  通過拋光盤相對工件的運動軌跡方程及工件相對拋光盤的運動軌跡方程的建立,在給定的加工工藝參數情況下,通過仿真軟件分析了拋光盤和工件的運動軌跡變化趨勢,從中找出軌跡分布均勻、致密性好、突變幾率小的運動軌跡模擬曲線;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:隨著大小齒圈的轉速比的增大,工件的運動軌跡相對比較復雜,趨于3 ~5倍時軌跡分布最均勻;隨著拋光盤轉速的增加,軌跡復雜并趨于平穩,拋光盤的轉速為中心齒輪的轉速的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倍的范圍內變化時,軌跡分布均勻,曲率變化小;工件遠離行星輪的回轉中心,軌跡分布均勻致密性好,曲率突變小。

    5試驗設計

5.1實驗正交化
   本次加工試驗選取3個參數(因素)進行分析:A加載壓力、B拋光盤轉速、C太陽輪轉速;每個因素取3個水平,試驗水平因素如表1所示。
   根據實驗方案所選一個3水平實驗,選用Z”G)型正交表M 表示需要完成的總實驗次數,r表示水平個數,m表示因素個數。由于本次共有3個因素,所以要選一張23的表。加入一不可控因素,列在正交設計的方差分析中也稱為誤差列。選用正交表L?(3)安排實驗。實驗結果的考察選取加工后表面的材料去除率Ry和表面粗糙度

5.2實驗數據的記錄與處理
  由上述可知,本次需要對研磨拋光后的工件表面粗糙度和拋光去除率進行考察分析。表面粗糙度選用現有的原子力顯微鏡和輪廓儀綜合測量獲得,同時拋光去除率的測量使用三坐標測量儀測得。經測得數據整理,可得表3所示的記錄數據。

5.3正交試驗直觀分析
  如表3為基于拋光后材料去除率的直觀分析血表。這里表中K”為第丿列上水平號為i的各實驗結果之和;心=K^/s, (s為第j列上水平號i出現的次數)。心表示水平因素為i時j列實驗結果的平均值;
      R- = max {K- } - min {K-} (13)
由正交實驗表可知,極差大小依次是&G4)>7?2(P)>R? (C) >7??(D);這里極差的大小反映出各因素的水平變化對實驗結果影響的大小,極差越大表示該列因素對整體試驗的結果影響也就越大,即為主要因素。所以各因素參數對材料去除率的影響規律分布中:壓力對其變化影響最大,其次是拋盤轉速和太陽輪轉速,這與直觀分析的結果保持—致。所以各因素對拋光后表面粗糙度的影響次序為:拋光盤轉速、加載壓力、太陽輪轉速。各參數對表面粗糙度的影響規律分布有拋光盤轉速對其變化影響最大,其次是壓力和太陽輪轉速,這與直觀分析的結果保持一致.

5.4正交實驗方差分析
  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值,為此引入方差分析,構造F統計量進而生成方差分析表。能用于檢驗實驗過程中有關因素對實驗結果影響的顯著性明,所以對結果進行方差分析,則可以彌補直觀分析法的這些不足。
  基于拋光后材料去除率的方差分析計算列成顯著水平表:表中平方和SS是各因素的離差平方和,反映了結果的總差異;差值越大則反映因素變化和實驗誤差是引起實驗結果差異的原因。其中差異顯著性以*的數量表示,數量越多表示實驗結果越顯著。由F檢驗對于材料去除率分析知,對于給定的顯著性水平a,若FrNFi,則認為因素A對實驗結果的影響是顯著的;若FrWF—,則認為因素A對實驗結果的影響不顯著。由材料去除率顯著性可知=1FX218 >Ff? =83.5 >F?_? ??(2,2)=19.00,所以加載壓力和拋光盤轉速是對實驗結果高度顯著,其顯著性依次為加載壓力、拋光盤轉速和太陽輪轉速,與直觀分析結果一致。
  為了進一步選出對拋光去除率最優匹配的方案,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人艮或者皿民;再結合實際加工中太陽輪轉速的影響我們選取A?B?C?為優化的工藝參數組合。同理可以求出基于表面粗糙度的方差分析表,由上表可知,拋光后表面粗糙度最大組合為人艮或者A?B?;再結合實際加工中太陽輪轉速的影響我們選取A?B?C?為優化的工藝參數組合。由上述試驗分析可知,加載壓力對材料去除率起顯著作用的,拋光盤轉速和加載壓力對表面粗糙度起顯著效果;又考慮到實際加工中,材料去除率越大、表面粗糙度越低所拋光后工件表面質量越好,成品率也越高。綜合選擇A?B?C?即加載壓力維持400 kg,拋光盤轉速在30 r/min太陽輪在5 r/min,這時加工的材料去除率最大、拋光后表面粗糙度最低,為實際加工的最優工藝參數。
5.5藍寶石實際加工實驗分析
  通過實驗分析,選出最優加工工藝參數組合(400 kg>30 r/min>5 r/min)對藍寶石晶片進行研磨/拋光實驗,加工前藍寶石晶片厚度為1- 35 mm,直徑<Z>41. 1 mm,加工后直徑為39. 4 mm,厚度去除量為1. 88 mm/h,表面粗糙度可達0. 334 nm。
  拋光前和拋光后藍寶石晶片,其中分別對應的是經倒角工藝處理過的藍寶石晶片,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,經新改造的研磨/拋光機進行加工后的藍寶石晶片的材料去除率和表面粗糙度達到了預期效果,為實際加工制定了一套優化的加工工藝參數,具有實際意義。

5.6實驗結論
  經上述分析,最終的工藝參數的選取使加工軌跡分布比較均勻、曲率變化小研磨/拋光軌跡復雜為最優的加工軌跡。優化的工藝參數對于實際加工過程中拋光機的設計改進以及研磨拋光運行時參數的選取評定具有一定的實際指導意義。依據工藝參數的優化結果,可初步獲得理想的材料去除均勻的工藝標準,從而對實際加工過程中,工件的表面去除率和表面質量作進一步研究。以加工后材料去除率和表面粗糙度為評價指標,基于新改造的研磨拋光機分別以加載壓力、拋光盤轉速和太陽輪轉速為設計參數進行實際加工生產試驗,將實驗結果進行正交試驗設計處理,從中選出最優的加工工藝參數。

    6結論

  1)建立了研磨拋光機的拋光盤相對于加工晶體的運動軌跡模型,基于仿真分析得到了拋光盤不同位置點對加工晶體的相對運動軌跡。
  2)拋光盤隨著大小齒圈的轉速比的增大,工件的運動軌跡相對比較復雜,趨于3 ~5倍時軌跡分布最均勻;隨著拋光盤轉速的增加,軌跡復雜并趨于平穩,拋光盤的轉速為中心齒輪的轉速的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倍的范圍內變化時,軌跡分布均勻,曲率變化小;工件遠離行星輪的回轉中心,軌跡分布均勻致密性好,曲率突變小。
  3)基于運動軌跡的仿真分析,優化了拋光機的加工工藝參數,優化后的工藝參數的選取使加工軌跡分布比較均勻、曲率變化小,并且通過實驗驗證了理論建模的正確性。依據工藝參數的優化結果,可初步獲得理想的材料去除均勻的工藝標準。
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