CN103481124B - 一种基于复杂轨迹的金刚石研磨方法 - Google Patents
一种基于复杂轨迹的金刚石研磨方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于复杂轨迹的金刚石研磨方法，属于超精密切削加工技术领域，涉及一种金刚石研磨方法。所述方法包括如下步骤：（1）设置适当的研磨机构尺寸；（2）计算金刚石工件研磨的放置位置；（3）检验计算得到的放置位置是否可以保证研磨过程中金刚石工件始终与砂轮盘接触而不脱离，若不能保证则返回步骤（2），若能够保证则继续下一步；（4）采用优化算法使得研磨速度的方向最大程度的在研磨平面内做360度的均匀变化，由此计算得到研磨机构各个轴的转速，用所计算的转速对金刚石工件表面进行研磨加工。本发明不需要寻找金刚石工件的易磨方向，且能够磨出较低的表面粗糙度值，Ra值可达约1nm。
Description
技术领域
本发明属于超精密切削加工技术领域，涉及一种金刚石研磨方法。
背景技术
二战后为了适应手表精密零件、光饰件以及首饰雕花等工艺的需要，金刚石刀具开始发展了起来。它的制造工艺就起源于钻石首饰的研磨抛光技术。早在20世纪50年代末，为适应航天等尖端技术的发展需求，美国首先发展了金刚石刀具超精密切削技术，即“SPDT（Single Point Diamond Turning）技术”，这种技术的特点就是采用数控方法直接控制加工轮廓和表面粗糙度。
在超精密切削加工领域，金刚石刀具的精度指标主要有——表面粗糙度、刃口锋利度，此外对于圆弧刃和直线刃的金刚石刀具还有圆弧度和直线度的要求。表面粗糙度的重要性在于改善刀具与工件之间的摩擦学特性，尤其对于超精密加工。低的表面粗糙度可以减小切屑与刀具之间的摩擦阻力有利于切削的流动并且同时降低刀具表面的粘着磨损，提高刀具的耐用度。
目前已有的金刚石刀具刃磨工艺方法除了机械研磨法外还有离子束溅蚀法、热化学抛光法、无损伤机械化学抛光法、真空等离子化学抛光法、化学辅助机械抛光与光整法和激光烧蚀法等。离子束溅蚀法需要昂贵的设备，而且加工效率较低；热化学抛光法工艺复杂，需要***的辅助设备，加工效率也不高；无损伤机械化学抛光法加工效率也极低，每分钟约去除一个原子层；真空等离子化学抛光同样存在着加工效率低的问题；化学辅助机械抛光与光整法所需设备昂贵，且工艺也较复杂；激光烧蚀法由于其烧蚀后金刚石表面的粗糙度较高，所以只适用于粗加工。机械研磨是目前加工金刚石刀具的高效廉价简便的方法。但是这种方法需要寻找金刚石待磨表面上容易磨削的方向，且研磨质量对经验依赖较多。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于复杂轨迹的金刚石研磨方法，以省去天然单晶金刚石机械研磨初始需要寻找容易磨削方向的工序，并且进一步的提高研磨表面粗糙度，减少对人工的经验依赖。
如图1所示，本发明提供的金刚石表面机械研磨方法，包括如下步骤：
（1）设置适当的研磨机构尺寸；
（2）计算金刚石工件研磨的放置位置；
（3）检验计算得到的放置位置是否可以保证研磨过程中金刚石工件始终与砂轮盘接触而不脱离，若不能保证则返回步骤（2），若能够保证则继续下一步；
（4）采用优化算法使得研磨速度的方向最大程度的在研磨平面内做360度的均匀变化，由此计算得到研磨机构各个轴的转速，用所计算的转速对金刚石工件表面进行研磨加工，研磨加工示意图如图2所示。
如图3所示，本发明所述研磨机构为砂轮盘提供运动的含有三个轴，包括往复轴、行星轴、主轴。其中往复轴通过曲柄滑块机构实现砂轮盘的往复直线运动，且曲柄长度可调。所要设置的研磨机构的尺寸包括往复轴的曲柄长度和连杆长度、行星轴的偏心距，砂轮盘的外径和内径。
本发明中设置研磨机构尺寸的方法是设置好研磨机构的尺寸后，采用计算金刚石工件的放置位置的方法检验在该放置位置是否满足在研磨加工过程中无论砂轮盘处于任何位置金刚石工件都不脱离砂轮盘，若不满足则继续调整研磨机构尺寸，直到满足为止。所述计算金刚石工件的放置位置的方法是：
1）依据设置的尺寸估计砂轮平面可以覆盖到的区域，在这个可以覆盖的区域里排布足够密集的点，给出所有这些点的三维坐标；
2）依据往复轴运动的区间和行星偏心距，计算砂轮盘中心可以到达的所有点的坐标，再根据砂轮盘的外径和内径就可以求得砂轮盘中心在各个位置时所覆盖的区域；
3）依次检验1）中的点，若该点总是在砂轮盘的覆盖区域则保留该点，若该点不总是在砂轮盘的覆盖区域则删除该点；
4）将3）中保留下来的点画在坐标系中，得到由这些点描绘的区域，即为研磨的金刚石工件与砂轮盘的接触区域，该区域就决定了金刚石工件的放置位置。
上述设置的结构尺寸能够使得砂轮盘在研磨过程中总是可以覆盖某一区域。
上述待研磨的试件放置在总是可以与砂轮盘接触的位置，无论砂轮盘在研磨过程中处于哪一位置。
被优化算法优化的函数称作优化算法的目标函数，本发明中优化的目标函数为研磨平面内研磨角度分布的标准差。该标准差的计算方法为：
1、在Matlab的Simulink工具箱中建立研磨机构的多体动力学模型；
2、计算各个时刻研磨接触点在研磨盘和金刚石工件上的速度；
3、计算各个时刻研磨速度及其在研磨平面中的方向角；
4、计算方向角在360度范围里的分布；
5、计算分布的标准差。
优化的目标为标准差取最小值，此时得到的往复轴、行星轴和主轴的转速即为实际加工用的转速。
本发明由于使得研磨方向在研磨平面内做360度范围的改变，所以不用在开始研磨时通过试磨寻找金刚石的易磨方向。同时由于优化后研磨方向将以最为均匀的方式变化，可以进一步的提高表面粗糙度，使研磨加工表面更为光滑，Ra值可达约1nm。
附图说明
图1为研磨方法流程图；
图2为包含砂轮盘和工件放置平台的研磨加工示意图；
图3为砂轮运动机构简图；
图4为实施例1中砂轮盘面覆盖区域；
图中，1为砝码，2为定滑轮，3为气浮溜板，4为刀架，5为金刚石试件，6为砂轮盘，7为往复轴，8为曲柄，9为连杆，10为主轴，11为行星轴，12为往复滑块。
具体实施方式
下面通过一个例子说明本发明的金刚石研磨方法，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
往复轴曲柄长度设为10mm，连杆长度为460mm，调速范围为1-32 r/min。行星轴调速范围为1-32 r/min，行星偏心距为30mm。主轴调速范围设为4203-8298r/min。砂轮外径Φ86mm，内径Φ35mm。计算得到砂轮无论在任何位置其盘面都可以覆盖的区域，大小足够，其中心即为待磨金刚石工件表面放置位置。采用遗传算法作为优化算法结合上述目标函数对各个轴的转速进行优化得到最优的三个轴的转速配合，即主轴4366r/min，行星轴20r/min，往复轴8r/min。采用粒度为800的铜基金刚石砂轮，以此组合在研磨机上对金刚石的表面进行研磨，得到表面粗糙度为Ra=1.02nm。
本实施例所采用设备为单晶钻石PG3B行星型研磨机。单晶钻石PG3B行星型研磨机是一种商业化的金刚石刀具研磨机，产自英国的Coborn公司。所述计算得到的放置待磨金刚石试件的区域如图4所示。图4中的横坐标原点为往复运动距离的中心，纵坐标原点为行星运动中心。所述优化计算中用于计算研磨速度的机床仿真模型采用Matlab中的Simulink模块建立，在该模型中可以容易的采集砂轮上的研磨接触点处的速度，并作记录，用于计算目标函数。所述优化算法的优化目标为目标函数值最小。所述研磨表面的粗糙度用AMF测得。
Claims (4)
1.一种基于复杂轨迹的金刚石研磨方法，其特征在于所述研磨方法包括如下步骤：
(1)设置适当的研磨机构尺寸，具体方法如下：
设置好研磨机构的尺寸后，采用计算金刚石工件的放置位置的方法检验在该放置位置是否满足在研磨加工过程中无论砂轮盘处于任何位置金刚石工件都不脱离砂轮盘，若不满足则继续调整研磨机构尺寸，直到满足为止；
(2)计算金刚石工件研磨的放置位置；
(3)检验计算得到的放置位置是否可以保证研磨过程中金刚石工件始终与砂轮盘接触而不脱离，若不能保证则返回步骤(2)，若能够保证则继续下一步；
(4)采用优化算法使得研磨速度的方向最大程度的在研磨平面内做360度的均匀变化，由此计算得到研磨机构各个轴的转速，用所计算的转速对金刚石工件表面进行研磨加工，其中：所述优化算法的目标函数为研磨平面内研磨角度分布的标准差，该标准差的计算方法为：
1)在Matlab的Simulink工具箱中建立研磨机构的多体动力学模型；
2)计算各个时刻研磨接触点在研磨盘和金刚石工件上的速度；
3)计算各个时刻研磨速度及其在研磨平面中的方向角；
4)计算方向角在360度范围里的分布；
5)计算分布的标准差。
2.根据权利要求1所述的基于复杂轨迹的金刚石研磨方法，其特征在于所述研磨机构尺寸包括往复轴的曲柄长度和连杆长度、行星轴的偏心距、砂轮盘的外径和内径。
3.根据权利要求1所述的基于复杂轨迹的金刚石研磨方法，其特征在于所述计算金刚石工件的放置位置的方法是：
1)依据设置的尺寸估计砂轮平面可以覆盖到的区域，在这个可以覆盖的区域里排布足够密集的点，给出所有这些点的三维坐标；
2)依据往复轴运动的区间和行星偏心距，计算砂轮盘中心可以到达的所有点的坐标，再根据砂轮盘的外径和内径求得砂轮盘中心在各个位置时所覆盖的区域；
3)依次检验1)中的点，若该点总是在砂轮盘的覆盖区域则保留该点，若该点不总是在砂轮盘的覆盖区域则删除该点；
4)将3)中保留下来的点画在坐标系中，得到由这些点描绘的区域，即为研磨的金刚石工件与砂轮盘的接触区域，该区域就决定了金刚石工件的放置位置。
4.根据权利要求1所述的基于复杂轨迹的金刚石研磨方法，其特征在于所述优化得到的最佳的各轴转速为目标函数取得最小值时往复轴、行星轴和主轴的转速。
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