行星式研磨抛光机的机械部分改造设计

秦立庆

（福州大学，福建 福州 350108）

行星式研磨抛光机的机械部分改造设计

秦立庆

（福州大学，福建 福州 350108）

研磨抛光机的机械部分主要是由传动系统、磨盘、磨盘连接接头、主体支架、工件夹紧盘和供液系统组成。在LZM-6B研磨抛光机工作过程中，主体结构影响摆动，传动机构影响加载均匀性。研磨抛光液的均匀性对抛光的质量也有很大的影响。本文从抛光机的主体结构、传动机构、夹具和供应系统等方面，介绍改造行星式研磨抛光机的机械部分的设计经验。

研磨抛光机；结构设计

1 行星式研磨抛光机的主体结构改造设计

（1）主体结构改造设计。因为抛光盘以及与之连接的主轴组件都放在工作台面上，所以要求其具有保持平面精度的能力，否则将造成抛光盘倾斜，最终使两抛光盘不能很好地适应，工件受力不均匀，产生较大的尺寸误差和平面误差。综上所述，必须采用尺寸稳定性优越的材料作为工作台表面材料。花岗岩比铸铁的稳定性优越，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度高，耐磨性好，不生锈。因此把原来的铸铁床身改造为花岗岩工作台的床身，使机床能够始终保持高精度。本课题是对现有的LZM-6B抛光机进行改造，使其能符合氧化锆、氧化铝等高硬度材料研磨抛光的加工要求。由于被加工材料的硬度比普通材料要高，需要使用超硬磨料，并且需要使用较高的加工负载来达到一定的材料去除率。因此，有必要改进现有的悬臂结构。考虑到机器本身的尺寸，我们决定把现有的悬臂结构改造为龙门结构，以提高其刚度。

龙门结构的材料选择：如果采用角钢结构，由于其结构不对称，容易造成扭曲；采用工字钢，则外形不够美观；为了达到稳定性和美观性，决定使用槽钢。具体结构如图1所示。龙门结构的两根垂直柱和横梁被焊接在一起，以增加整个支架的刚度。

考虑到上磨盘需要经常拆卸和清洗，立柱的高度跟原来的高度相比有所增加，高度定为900mm。考虑横梁需要保留一定的操作空间，长度定为460mm。在梁的中心挖一个孔槽，使连接轴通过，加载气缸使用螺栓固定在龙门钢框架结构的顶部，通过连接轴把加载气缸和上磨盘连接在一起。龙门架选择的普通槽钢横截面形状及各部位的尺寸如图2所示。经过多次的计算，决定采用20a号热轧普通槽钢作为龙门结构的材料。

图1 龙门结构的构建

（2）横梁的强度、刚度校核。一般机械部件，如果强度条件达到要求，则刚度条件一般也可以达到要求。因此在设计过程中，刚度要求往往处于从属地位。然而在超精密研抛机中，上研磨盘支撑结构需要非常好的刚度，这时刚度条件则是首要条件。在机械加工过程中，往往要对挠度和转角进行一定的限制，例如切削机床的主轴挠度过大，将直接影响其加工的精度；传动轴在其支座处转角过大，则其轴承会发生严重的磨损等。一般情况下挠度和转角取值如下：

[W/L]=1/50000～ 1/10000；

[θ]=0．005 ～ 0．001rad。

因为超精密研磨抛光机要求具有高刚度，所以挠度取上限值1/10000。下面将对横梁的强度和刚度进行校核。

（1）强度校核。横梁的受力情况如图3。由图可知：

横梁和立柱间的弯矩图如图4。由图可知：

通过查阅机械设计手册中槽型钢部分，可知：

图2 截面图

图3 横梁的受力简图

图4 弯矩分析简图

故所选择的龙门式结构材料满足强度要求。

（2）刚度校核

即所选择的龙门式结构材料满足刚度要求。有实际结构也可以证明，使用20a号热轧普通槽钢构建的龙门结构符合设计的要求，结构稳定，有效降低了研磨抛光过程中的摆动。

2 行星式研磨抛光机的连接机构改造设计

（1）连接机构改造设计。因气缸顶柱的旋转速度为60r/min,精度要求较高,所以应选择调心球轴承,轴承型号代码为“1”,顶柱的直径为φ35,故轴承的内径代码为“7”。综上所述，轴承代码为“1207”，具体参数如表1所示。

表1 1207轴承的参数

（2）调心球轴承校核。当气缸的顶部下降时，顶柱通过轴承向下研磨盘施加压力；当气缸的顶部上升时，顶柱通过轴承提起上研磨盘。其最大的轴向载荷径向载荷可忽略不计。

许用动载荷 C=12．4kN。

式中，P为当量动载荷，N；L为额定寿命，106；ε为寿命指数，球轴承取3。，

图5 疲劳曲线

因为 C额≥ C实际。

故1207调心球轴承满足疲劳极限要求，能在获得调心性能的同时承受轴向载荷。

3 行星式研磨抛光机的夹具改造设计

（1）传统行星式抛光夹具。在磨削加工过程中，由于加工压力和摩擦的影响，容易造成工件的跑位，甚至引起跑离工作台的现象。因此，需要设计一款即能够承受工作载荷，又能够保持工件夹具，提高研磨抛光过程的稳定性，并进一步改善加工的质量。

（2）行星式研磨抛光夹具的结构改造设计。传统夹具为整体行星式抛光夹具，抛光新工件时，由于尺寸的变化，导致工件不能配合原有的夹具，尤其是工件尺寸的变化大的工件，根本无法使用，这时就必须要重新制作夹具。为此，建议采用组合夹具，如图6所示。在齿轮的中间切出一个正八边形夹槽。考虑到抛光液的腐蚀和重复使用，行星齿轮采用高耐腐蚀的40Cr材料制成，而八边形夹具由于其强度低，故采用易于加工的环氧树脂制成。因此，加工不同尺寸的工件时，只要制作一个新的八边形环氧树脂夹具，不需要重新设计行星齿轮，在保证抛光质量的前提，节省生产夹具成本和时间。

图6 夹具的改造

（3）行星齿轮强度校核。在磨削和抛光过程中，工件夹在上下磨盘中间，行星轮是由内圈和中心轮的啮合驱动，带动工件进行自转和公转的复合运动。行星轮会承受一定载荷，所以需要进行强度校核。由于行星齿轮的工作环境是半封闭，其主要失效形式是疲劳断裂，所以只要校核其轮齿的弯曲疲劳强度即可。

LZM-6B行星研抛机的上磨盘在磨削和抛光过程中，通过加压缸施加压力。

最大压力值为F1=800N

上磨盘的体积V=0．003030m3

使用材料为HT200

密度ρ=7000kg / m3

上研磨盘的所受的总压力为：

以每个夹具中有3个30mm×30mm的工件为例，一台抛光机一次性可安装5个行星轮，即每次可同时加工工件数15个，每个工件平均受到的压力67．47N。摩擦系数都在1以内，所以每个工件所受的最大摩擦力为67．47N。依据工件和行星轮的中心距，因此行星轮所受最大阻力矩T=3×67．47N×0．035m=7．08N·m。

根据轮齿齿根弯曲疲劳强度的校核公式：

查得相关数据如表2。

表2 齿轮相关弯曲疲劳参数

行星轮夹具的齿轮模数为m=2，因此得出结论：

故所选择的40Cr制成的夹具满足强度要求。

4 结语

本文主要从以下方面对行星式研磨抛光机的机械部分进行了改造：将原有的铸铁床身改为花岗石的工作台面；将原来的单臂式结构改进为龙门式箱体结构。选用107调心球轴承，连接气缸活塞杆与上抛光盘，使其具有自动调心性能。制作出了一种通用夹具来代替专用夹具。

[1]Klameck iB E． Comparison of material removal rate models and experimental results for the double2 sided polishing process [ J ]．Journal of M aterials Processing Technology, 2001, 109: 248-253．

[2]杨建东, 田春林, 王长兴． 高速研磨技术[M ]． 北京:国防工业出版社 , 2003． 18-34．

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