研磨抛光机设计

第9卷第3期2012年9月

邵阳学院学报（自然科学版）

（Natu r a l S c i e nc e Ed i t i o n ）J o u r na l of S ha o yang Un i v e r s i ty

V ol . 9N o . 3

Se p . 2012

文章编号：1672-7010（2012）03-0061-05

高性能陶瓷材料研磨抛光机设计

于雷

（闽南理工学院电子与电气工程系, 福建石狮362700）

摘要：抽水马桶排水阀的密封环普遍采用的是橡胶材料，随着使用时间的延长或在寒冷地带使

用，将会出现硬化、老化现象，从而使密封失效，造成漏水现象. 陶瓷材料具有硬度高、耐磨性好、抗高温等特点，更适于制作密封环. 但其加工工艺及其复杂，成品率较低，且无法大批量生产. 研制一种成熟的可批量生产的陶瓷材料研磨抛光机，可大大提高其密封可靠性，降低使用成本，推动陶瓷密封环在工业和民用流体管道上的广泛应用，并在市场中占据有利地位.

关键词：抛光；抛光盘；夹具；行星齿轮；超精密加工中图分类号：T H 16

文献标识码：A

De s i gn of th e M ach i n e fo r H i gh P e r fo r manc e C e r am i c M at e ri a l G ri nd i ng

and P ol i sh i ng

Y U L e i

(Facultyof Electronic and Electrical Engineering, Minnan University of Technology, Shishi ,Fujian 362700China)

A bst r act :Th e s e a l i ng ri ng of fl ush t o i le t d r a i nag e va l v e s i n g e n e r a l i s r ubb e r mat e ri a l ,a f t e r a lo ng t i m e o r us e d i n c ol d a r e as, i t w i ll ha r d e n and ag e i ng, wh i ch le ads t o le ak i ng. C e r am i c mat e ri a l i s of h i gh ha r dn e ss,g oo d ab r as i o n r e s i stanc e and r e s i stanc e t o ele vat e d t e mp e r atu r e s,s o i t i s m o r e su i tab le t o b e th e s e a l i ng ri ng mat e ri a l .But th e p r o c e ss i ng t e chn olo gy i s v e r y c o mp le x,th e r at e of f i n i sh e d p r o ducts i s v e r y lo w and i t c o u l d n o t t o b e mass p r o duc e d. De v elo p i ng a k i nd of matu r e c e r am i c mat e ri a l g ri nd i ng p ol i sh i ng mach i n e , wh i ch c o u l d b e mass p r o duc e d,w i ll i mp r o v e r el i ab i l i ty of s e a l i ng, r e duc e th e c o st,p r o m o t e th e w i d el y us e of th e c e r am i c mat e ri a l s e a l i ng ri ng,and o ccupy th e advantag eo us p o s i t i o n i n th e ma r k e t.

K e y w o r ds :polishing; polishing disk; fixture; planetary gear; super precision machining

收稿日期：2012-07-12

基金项目：福建省泉州市科技计划项目（2009G83）; 福建省教育厅科技项目（J A09276）

作者简介：于雷（1982-），男，吉林辽源市人，讲师，主要从事电子、电气技术研究.E-ma i l :[email protected] m

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随着人口增长、经济迅猛发展，我国正步入水资源严重缺乏的时代. 抽水马桶的用水占城市居民日常用水的相当大一部分. 抽水马桶普通阀门的漏水问题一直是困扰广大民众的一个普遍性问题. 据统计，平均一个漏水马桶一个月将流掉3. 25立方米水，无疑造成了巨大的浪费. 抽水马桶漏水的主要部位是排水阀的密封件，其设计结构在近年来已经有了很大提高，材料上主要采用橡胶，尽管成本低，具有弹性，但如果使用时间过久或是在寒冷地区使用，橡胶材料会因老化、硬化等问题使密封环失效，因此新的抽水马桶往往在使用一年之后就会经常出现漏水现象. 陶瓷材料的特性相比于橡胶材料，更加适用于制作密封环，会大大提高密封的有效期限，且平均成本和维护成本很低. 但陶瓷密封环的加工工艺复杂，而且现阶段的高精研磨抛光机主要是针对半导体材料和光学冷加工而开发的，不能直接用于陶瓷材料密封环的抛光[1]. 针对这一问题，设计一种用于先进陶瓷密封环超精密加工的研磨抛光设备，实现陶瓷密封环的广泛应用.

外齿圈；3、上抛光盘；4、光垫；5、中心齿轮；

6、气缸；7、压力传感器；12、电机. 工作时，电机带动上下抛光盘向相反方向运转，位于抛光机顶部的气缸使抛光盘上下移动，在给予工件合适的抛光压力的同时也便于拿取、安装工件. 工件在抛光盘作用下所产生的自转，加之行星齿轮的带动，共同合成了工件的运动.

图1陶瓷材料抛光机结构图

F i g. 1S t r uctu r e of c e r am i c mat e ri a l g ri nd i ng p ol i sh i ng mach i n e

2抛光机控制系统设计

图2为本设计提出的抛光机控制系统原理图.

1陶瓷材料研磨抛光机工作原理1. 1陶瓷材料的加工原理

陶瓷材料的去除机理主要包括塑性变形和脆性断裂[2]. 前者通过切削成形方式去除，而后者大多利用空隙的形成、剥落等方式去除.

1. 2抛光原理

陶瓷材料研磨抛光机由抛光液供给装置、上下抛光盘、夹具共同构成，其结构如图

图2陶瓷材料抛光机控制系统原理图

F i g. 2C o nt r ol syst e m of c e r am i c mat e ri a l g ri nd i ng

p ol i sh i ng mach i n

e

1所示. 主要部件介绍如下：1、下抛光盘；2、

工控机与转速传感器、变频器等构成

了

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电器控制部分，变频电机的转动可由设定好的程序完成. 数字伺服阀、储气罐与气缸等构成了气动控制部分，可精密控制抛光压力.

该抛光机通过液压、油缸、活塞杆动作使内齿圈升降，下磨盘固定不动的结构，提高了下磨盘工作的稳定性；通过电脑优化设计对四轴进行旋转扭矩分析，增大了轴的直径，提高了整机刚性及研磨盘的稳定性，研磨精度高于同类型产品[3]. 采用无极变频调速电机，使转动平稳、可靠、无冲击、启动停止平稳；使用了预置计数器和转速表，研磨时间可自动控制，方便了磨削量的控制；上研磨盘下降时，设置了快捷和缓降，缓降速度可随意可调，能有效防止工件破碎；操作箱控制部分及阀的控制电源电压为直流

2. 2抛光机主体结构设计

传统的研磨抛光机在研磨抛光过程中，由于研磨盘支座多为悬臂式结构，因此容易出现左右晃动的情况. 在需要对高硬度材料进行研磨时，晃动更加严重甚至会“翻车”，后果可想而知. 针对这一问题，再考虑到研磨盘的拆卸及清洗等因素，本设计中采用了

20a 号热轧普通槽钢搭建的龙门式结构，如图4所示[5]. 其高度为900mm, 长度为400mm.

图4龙门式结构

24V ，提高了阀的使用寿命及安全性[4].

F i g. 4Gant r y S t r uctu r e

2. 1抛光盘的稳态运行控制设计

本设计利用电器控制部分实现抛光盘稳态运行，考虑到对设备运行状态的控制、上研磨盘下降速度的控制、处理紧急故障的控制等，因此采取了手动与自动控制结合的方式，设置了如：电源，工作运行，抛光液开、停，气缸上、下，速度缓降，紧急停止等功能按键. 手动控制面板如图3所示.

为增加刚度，床身与立柱及横梁与立柱之间采取焊接连接. 通过实际的加工、校核证明，该龙门式结构材料在刚度、强度上都满足要求，可以有效减小抛光过程中的摆动问题，提高了稳定性. 主体结构示意图如图5所示.

图5抛光机主体结构示意图

F i g. 5M a i n st r uctu r e of th e p ol i sh i ng mach i n e

2. 3抛光机的连接机构设计

图3控制面板

上抛光盘和气缸活塞之间如果采取刚性连接的方式，对加工表面的平行度要求

非

F i g. 3Th e c o nt r ol pan

el

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常高，增加了机床制造和安装的难度，同时也存在着抛光盘错盘等隐患. 因此，本设计中采用了代码为1207的球头轴承，参数如表1所示[6].

表11207轴承的参数

Tab. 1Pa r am e t e r s of th e b e a ri ng

2. 5抛光盘压力精确控制系统设计

为实现抛光盘压力的精确控制，设计了气动控制系统，如图7所示.

经校核，其可利用自动调心的性能，在轴向承受载荷的同时，自动调整轴心不正的情况，从而提高抛光的精度.

2. 4抛光机的夹具设计

抛光机的夹具主要起到夹紧待抛光试样和定位的作用，主要用于装卡试样. 通常设计成圆形. 原有夹具是将工件放置在行星轮内，这样的结构简单，但每次加工尺寸不同的新工件，原有的行星式抛光夹具就不能使用，需要重新定做抛光轮. 超精密加工中的抛光产品以小批量居多，一旦更换新的抛光产品，需要设计新的专用夹具，势必延缓产品生产进度，且原夹具的使用率低，也大大提高了加工成本.

本设计中设计了一种通用夹具，将齿轮用耐腐蚀40Cr 材料来制作，齿轮的中间再挖出一个正八边形的夹具槽，在其内可放置一个正八边形环氧树脂板，并与其上开出多个工位以放置工件. 齿轮用40Cr 材料制作，具有较强的耐腐蚀性；而正八边形夹具用环氧树脂制作. 由此，无需定做齿轮，只需加工内部的八边形环氧树脂夹具板，即可实现不同尺寸工件的加工，节省了夹具制作时间和成本. 图6为设计的圆形工件、方形工件夹具.

其原理如下：压力传感器检测气缸的压力，位移传感器检测抛光盘位置，二者提供的信号反馈至工控机，通过闭环控制产生精确的调压信号. 空气压缩机提供压缩空气给系统，工控机将调压信号送至数字伺服阀的步进电机，使之产生运动，进而调节阀芯在阀套中的位置，实现汽缸的精确运动和抛光盘压力的精确控制.

图7气动控制系统结构图

F i g.7S t r uctu r e of pn e umat i c c o nt r ol syst e

m

3抛光机性能实验分析

实验材料选用宁波陶瓷厂的99氧化铝陶瓷，实验仪器包括传统的研磨抛光机与本设计提出的新型抛光设备. 采用德国马尔粗糙度测量仪PE R T H OM ETE R S 2作为检测仪器，选5. 6mm 的扫描长度，11200个采样

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点数，0.8nm 的垂直轮廓分辨率；另外还使用了日本岛津分析天平A U Y 220作为千分表. 实验条件如表2所示.

率与之接近，但所获得的表面粗糙程度要明显低很多，抛光质量更好，性能更优越.

4结论

针对传统设备的不足，本设计提出的新型陶瓷抛光机从结构上进行了优化，使零件加工的精度、稳定性、质量都得到了很大提升，降低了高精度的陶瓷产品的加工成本，具有很好的实用前景.

在不同载荷条件下，每15分钟测量一次数据. 实验获得的测量材料加工表面粗糙度和去除率如表3所示.

参考文献：

[1]胡晓珍. 超精密双面抛光机结构的优化设计[J].制造技术

与机床，2009，（3）：54-57.

[2]陈毓. 高精度大尺寸硅晶片的双面研磨抛光机改进设计

（6）：586-590. [J].海洋学院学报，2010，29

[3]钱宁. 双面抛光机气动伺服加载系统分析[J].机床与液

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[4]王军. 光纤透镜研磨抛光的轮廓成形控制系统的研究[J].

制造技术与机床，2009，（11）：36-39.

[5]余跃庆. 多轴联动龙门式加工中心主体结构有限元分析

（9）：87-91. [J].工艺与装备，2009，

通过实验可知，与传统研磨抛光设备相比，本设计的研磨抛光机在相同载荷下的效

[6]方英志. 调心球轴承外圈沟道磨削方法分析及应用[J].哈

尔滨轴承，2011，32（2）：28-30

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