基于自適應和固定加工間隙的液動壓懸浮拋光方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及拋光加工技術領域，更具體的說，涉及一種基于自適應和固定加工間 隙的液動壓懸浮拋光方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 隨著現代工業技術和高性能科技產品對零件精度和表面完整性的要求越來越高， 超精密加工的作用日益重要，它對國防、航空航天、核能等高新技術領域也有著重要的影 響。超精密拋光方法作為超精密加工中的一種，廣泛應用于原子級超光滑、少/無損傷表面 的制備。
[0003] 拋光加工是獲得原子級超光滑襯底的主要途徑，其中，非接觸拋光的拋光工具與 工件分離，僅用拋光液中的微細粒子沖擊工件表面，以獲得加工表面完美結晶性和精確形 狀，去除量為幾個到幾十個原子級。雖然材料的去除率低，但工件亞表面損傷程度低，甚至 沒有亞表面損傷，面型精度高，表面粗糙度低，更有利于原子級超光滑表面的形成。
[0004] 常見的非接觸拋光方法，如浮法拋光，它的拋光盤上開有同心槽，動壓效應小；如 動壓浮離拋光，它的拋光盤開有楔形槽，有一定動壓效應，但液動壓分布不均勾；如彈性發 射加工方法，它的刀具容易磨損且加工表面均勻性難以保證。

【發明內容】

[0005] 為了解決現有非接觸拋光方法加工效率低和加工后表面質量難以保證的問題，本 發明提出了一種基于自適應和固定加工間隙的液動壓懸浮拋光方法，該拋光方法優化設 計了拋光盤的流道結構，創新性地添加了約束流道，使整個拋光區域的液動壓力更加均勻、 穩定。
[0006] 為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為:基于自適應和固定加工間隙的液 動壓懸浮拋光方法，包括如下步驟：
[0007] 1)優化設計拋光盤的流道，將拋光盤分成10個均等的基本單元，每個基本單元的 表面均包括從右至左依次設置的工件的貼片區、楔形區域、蓄流槽和約束邊界，楔形區域用 于形成動壓效應，工件的貼片區為與與水平方向平行的平面區域，約束邊界用于防止平面 區域液體壓力驟降，蓄流槽為各基本單元之間流體的過渡區域；
[0008] 2)計算楔形區域提供的單位寬度支撐力和平面區域流體提供的粘滯力，
[0009] 楔形區域提供的單位寬度支撐力為
[0010] F = h2
[0011] 其中，F為支撐力，單位為N; k為承載系數，與出入口的比例有關;μ為動力粘度，單 位為Pa · S;UQ為運動速度，單位為m/s;L為楔形區域水平投影長度，單位為m;h為楔形區域 小口高度，單位為m;
[0012] 平面區域流體提供的粘滯力為
[0013] h
[0014] 其中，Ff為粘滯力，單位為Ν; Li為水平區域長度，單位為m; Β為拋光盤半徑，單位為 m；
[0015] 3)設計液動壓懸浮拋光裝置，將電機和滾珠花鍵軸均裝在動板上，拋光盤裝在滾 珠花鍵軸的底端，由電機提供轉速，帶動滾珠花鍵軸和拋光盤轉動，動板通過彈簧進行支 撐，利用彈簧克服動板、滾珠花鍵軸和拋光盤的重量，并通過拋光盤的楔形區域形成動壓， 通過拋光間隙的變動引起拋光盤沿軸向浮動和波動，波動后逐漸平衡，實現自適應懸浮拋 光。
[0016] 進一步的，彈簧的彈性系數由楔形區域提供的單位寬度支撐力、平面區域流體提 供的粘滯力、電機的重力、拋光盤的重力和滾珠花鍵軸的重力共同計算得出。
[0017] 進一步的，動板上端通過旋緊限位螺桿固定在升降裝置上，通過調整升降裝置調 節拋光盤與拋光容器的距離來調整固定的加工間隙的大小。
[0018] 基于自適應和固定加工間隙的液動壓懸浮拋光裝置，包括拋光盤、液動壓懸浮裝 置、升降裝置和支撐裝置，所述拋光盤表面劃分成十個基本單元，每個基本單元表面均包括 從右至左依次設置的工件的貼片區、楔形區域、蓄流槽和約束邊界;所述支撐裝置包括上蓋 板、底板和四根滾動導軌，四根滾動導軌的上下兩端分別固定在上蓋板和底板上形成整體 支撐，所述升降裝置包括四個滑動軸套、滾珠絲杠、聯軸器、中間支撐板和步進電機，四個滑 動軸套套裝在四根滾動導軌上且均與中間支撐板固定連接，四個滑動軸套帶動中間支撐板 沿四根滾動導軌上下滑動，所述中間支撐板上還設有絲杠螺母，滾珠絲杠穿過所述絲杠螺 母且上下兩端分別通過軸承固定在上蓋板和底板上，所述滾珠絲杠的上端通過第一聯軸器 連接步進電機;所述液動壓懸浮裝置包括第二聯軸器、滾珠花鍵軸、固定板、導柱、動板、微 型液壓缸、液壓栗、帶輪、同步帶和伺服電機滾珠花鍵軸與穿過動板并通過第二聯軸器與拋 光工具盤連接，滾珠花鍵軸的上端固定在動板上；固定板固定在中間支撐板上，且動板和支 撐板之間設有四根豎直安裝的導柱，動板套裝在所述導柱上且能沿所述導柱上下運動；所 述伺服電機固定在中間支撐板上，帶輪安裝在滾軸花鍵軸上，帶輪通過同步帶連接伺服電 機，所述伺服電機通過同步帶驅動帶輪，將動力傳遞給滾珠花鍵軸，并帶動拋光工具盤的高 速轉動;所述中間支撐板上還設有彈簧，所述彈簧上端與動板連接，通過彈簧克服動板、滾 珠花鍵軸和拋光工具盤在拋光時的自重。
[0019] 進一步的，所述拋光工具盤正下方的底座上設有拋光液容器。
[0020] 進一步的，所述固定板上還設有用于固定動板的旋緊限位螺桿。
[0021 ]進一步的，所述第二聯軸器為雙膜片聯軸器。
[0022]進一步的，所述滾珠花鍵軸的上端還設有測力傳感器。
[0023] 進一步的，所述伺服電機通過電機座固定在中間支撐板上。
[0024] 進一步的，所述彈簧與動板連接處設有微調旋鈕。
[0025] 升降部件工作時，步進電機通過第一聯軸器與滾珠絲杠連接，將動力傳遞給滾珠 絲杠，進而帶動中間支撐板升降，步進電機的最小細分可以滿足微米級的定位精度要求，且 滾動導軌和滾珠絲杠靈敏度高，運動平穩，低速時不易出現爬行現象，因而可以達到微米級 定位精度的要求。
[0026] 通過微調旋鈕調節拋光盤和容器的初始距離，拋光盤處于自由狀態，根據轉速、 拋光液粘度的不同，拋光區域的液動壓力也會隨之不同，經過一個動態穩定的過程實現自 適應懸浮拋光。與此同時，通過限位螺桿限制動板的運動，從而限制拋光盤的上浮，實現固 定間隙拋光。
[0027] 拋光時，彈簧克服動板和拋光盤以及軸的自重，依靠微調旋鈕進行微調，調整拋光 盤和容器的初始位置，伺服電機驅動帶輪，進而帶動滾珠花鍵軸和拋光盤高速旋轉。當受到 一定的液動壓力時，拋光盤帶動軸和動板同時上浮，實現自適應;當限位螺桿通過螺紋與動 板連接時，將動板和拋光盤位置固定，實現固定間隙拋光。由于電機直接驅動，此時的轉速 可以達到很高，比傳動的拋光加工效率高很多。
[0028] 與現有技術相比，本發明具有以下優點：加工間隙可調，既可以實現自適應懸浮拋 光，也可以實現固定間隙拋光；電機通過帶輪直接驅動拋光盤，加工效率高、液動壓分布均 勻;加工前后工件都不與底面接觸，使得加工后工件表面質量好。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明拋光盤示意圖。
[0030] 圖2為本發明拋光盤圓周展開后流道結構示意圖。
[0031] 圖3為本發明的拋光裝置的結構示意圖。
[0032] 圖4為本發明液動壓懸浮裝置部分示意圖。
[0033] 圖5為本發明液動壓懸浮裝置部分剖視圖。
[0034] 圖中，1-楔形區域、2-工件、3-約束邊界、4-蓄流槽、5-升降裝置、6-液動壓懸浮裝 置、7-彈簧、8-滾珠花鍵軸、9-拋光液容器、10-拋光盤、11-微調旋鈕、12-伺服電機、13-旋 緊限位螺桿、14-動板。
【具體實施方式】
[0035]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明了，下面結合【具體實施方式】并參 照附圖，對本發明進一步詳細說明。應該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發 明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結構和技術的描述，以避免不必要地混淆本 發明的概念。
[0036] 如圖1所示為拋光盤示意圖，如圖2所示為拋光盤上的流道結構按圓周方向展開的 示意圖。拋光盤10上總共有10單元，一個單元包括楔形區域1，工件2的貼片區，約束邊界3和 蓄流槽4。拋光液在楔形區域1形成動壓效應，工件2貼在平行區域，該區域的液動壓均勻，拋 光液中磨粒的水平沖擊效果好，約束邊界3防止水平區域液體壓力驟降，進一步保證液動壓 均勻，蓄流槽4為各單元之間流體的過渡區域，前一單元為后一單元補充流體，防止壓力驟 變形成負壓。
[0037] 假設流體為牛頓流體，定常流動，因間隙很小，且拋光液粘度大，故將流動看作層 流。楔形平面提供的單位寬度支撐力為：
[0038] F = k h"
[0039] 其中，F為支撐力，單位為N;
[0040] k為承載系數，與出入口的比例有關；
[00411 μ為動力粘度，單位為Pa · s;
[0042] 為運動速度，單位為m/s;
[0043] L為楔形區域水平投影長度，單位為m;
[0044] h為楔形區域小口