專利名稱：浮力磨粒球拋光技術的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超精密拋光技術，特別是進行平面和平緩變化曲面的超精密 拋光的技術。
背景技術：
目前傳統的拋光加工方法容易造成表面損傷，加工一致性差，這些問題隨著 材料尺寸的不斷增大，加工要求的不斷提高顯得更加突出。當表面粗糙度和波紋 度到達納米、亞納米尺度時，任何非均勻的表面材料去除作用都可能導致較大的 表面波動，任何一個異常顆粒就可能造成較大的表面缺陷導致加工器件報廢。其 原因就在于傳統的拋光加工方法對磨粒的尺寸變化十分敏感。即使沒有大的異常 顆粒，磨料本身不可避免的尺寸分散性也會引起劃痕等表面損傷。為了避免加工 表面和亞表面層損傷，往往采用軟磨料，降低加工壓力，又致使加工過程漫長， 造成效率低下，成本高昂。傳統的拋光方法所面臨的一個關鍵問題就是磨料與工 件接觸點的壓力極不均勻。
總體而言，在采用傳統的拋光方法進行加工的過程中，磨粒在研磨液中隨機 分布，難以保證磨料的分布均勻，且磨料尺寸本身大小不一，使得各磨粒與工件 接觸點的壓力不均，造成材料表面去除一致性難以控制。目前的超精密加工方法 都不能像車削一樣有效地控制切深(材料去除作用)，在拋光階段很難實現合理的分工步加工，其原因是磨粒與工件接觸點的壓力難以控制，結果是效率難以提高， 工藝穩定性差。
發明內容
本發明想要克服現有技術存在的各接觸點的壓力不均、材料表面去除一致性
難以控制、效率底、工藝穩定性差、對環境適應性差的不足，提供一種磨粒與工 件接觸點的壓力均勻、有效地控制研磨/拋光表面材料去除作用的一致性，且成本 低、效率高的研磨/拋光加工方法。
本發明所述的新型的拋光方法，包括下列加工步驟
(1) 制作浮力磨粒球將磨粒和發泡材料、膠體的混合物進行攪拌，制成密度 小于液體的球體；
(2) 將浮力磨粒球浸入液體中，制得加工混合液，通過增減浮力磨粒球的數量 或體積，調節加工壓力；
(3) 將欲拋光的工件的表面浸沒入混合液中，壓在浮力磨粒球上
(4) 使加工面與混合液相對運動，產生研磨或拋光作用。
進一步，所述的浮力磨粒球加入液體中按層排列，先根據工件材料和加工要 求確定磨粒球的浮力和磨粒球的初始層數，隨著表面粗糙度的降低，逐漸減少磨 粒球的層數調節加工壓力，從而實現合理的分工步加工，提高拋光的綜合效率。
該技術是一種軟接觸拋光方法，省去了傳統研磨/拋光加工的拋光盤和拋光 墊，以磨粒球作為拋光工具，由磨粒球的浮力產生拋光壓力，而加工設備的運動 方式和傳統的拋光方法相類似。通過控制磨粒球的體積和密度，可以很好地控制 磨粒球的浮力的一致性，從而保證磨粒與工件接觸點的壓力的均勻性，有效地控 制拋光表面材料去除作用的一致性。該方法對磨粒的尺寸不敏感，即使有大顆粒 磨料或雜質出現，也不會引起局部拋光壓力的劇烈變化。并且，該技術可以用于 平緩變化曲面的拋光。
磨粒與工件接觸點的壓力主要和磨粒球的浮力有關，當磨粒球完全浸入液體 中時，接觸點的壓力P可以用下式表示
P = N (F-W) =N (Vk-mg)
式中，N為磨粒球層數，F為單顆磨粒球的浮力，W為單顆磨粒球的重力，V為單顆磨粒球的體積，k為液體的比重，m為單顆磨粒球的質量，g為重力加速 度。
可以看到，相對傳統的拋光方法，磨料的尺寸分散性所引起的接觸點的壓力 變化可以忽略不計。
本發明的優點在于在采用本發明提供的技術進行拋光加工時，先根據工件 材料和加工要求確定磨粒球的浮力和磨粒球的初始層數，隨著表面粗糙度的降低， 逐漸減少磨粒球的層數，從而實現合理的分工步加工，提高拋光的綜合效率。與 現有技術相比，本發明提出的加工裝置結構簡單，能夠達到主動控制作用于加工 工件表面各點壓力的一致性。同時由于在加工過程中，工件始終浸入水中，磨料 的尺寸變化引起的接觸點的壓力變化可以忽略不計，相對于傳統拋光加工過程需 要嚴格控制加工環境的潔凈度要求，浮力磨粒球研磨/拋光技術對加工環境有很好 的適應性。通過自動化控制加工過程，減少了人為因素的影響，提高了加工的一 致性和穩定性。結合合理的加工工藝，可以有效提高精度和效率，實現批量生產， 在加工精度、效率及機械結構上具有明顯的綜合優勢。
下面結合附圖對本發明的具體技術方案及工作過程作進一步說明
圖1是本發明給出的制作浮力磨粒球時所依據的計算原理圖。 曲線表示為在不同的浮力磨粒球密度P 下，單個浮力磨粒球作用于加工件表 面的壓力P隨浮力磨粒球直徑D變化的關系式。
圖2為本發明用于無損傷拋光超光滑平面的實例圖。
圖3為本發明用于無損傷拋光內壁表面平緩變換圓筒的實例圖。
圖4為本發明用于無損傷拋光外表面平緩變換圓柱體的實例圖。
實施例
實施例1
參照附圖1、 2:
圖中標號為l.水，2.容器，3.浮力磨粒球，4.工件，5.工件裝載器，6.同步帶 輪及同步帶，7.機座，8.同步電機，9.主動盤
本實施例是關于無損傷拋光超光滑平面的研磨例子。加工步驟如下 (1)制作浮力磨粒球
使用本加工技術的磨粒球是通過磨粒和發泡材料的混合物和膠體的粘著力 共同作用成型的。上述作為磨粒的，可是使用鉆石、剛玉、金剛砂、石榴石、硅
石、tridory、燒成大理石、熔融鋁、人造金剛砂、碳化硅、碳化硼、酸化鐵、燒 成鋁、酸化鉻、酸化鈰、酸化鋯、酸化鎂、碳酸鈣、碳酸鎂、硅石、silas等通常 的磨粒。
由阿基米德原理浸入液體中的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于它排 開的液體受到的重力，F浮二G排。又由浮力公式F浮二p液gv排，(g-重力加速度， Vf在水中，物體排開水的體積)。由二力平衡法的分析知，實心物體完全浸沒在
液體中有上浮、靜止和下沉三種可能。當^ >/ 時，下沉；當0 =/^時， 懸浮；當G菊時，上浮，最后漂浮。由G菊-附菊g-A^菊g。基亍上述公式，
當<^ <^ ，浮力磨球完全浸沒在液體中時，V*=Vffi，即加工件表面所承受的壓 力為P壓二(/o液一/w)gV物，V物-為單個浮力磨粒球的體積。
制作的浮力磨球為均勻球體時，取P液^lg/cm3，水的比重，由公式 P壓=(/9 _/^^丫物可得在不同浮力磨粒球密度P球下，同時浮力磨球直徑D變化
情況下，完全壓入液體中的浮力磨球產生在加工件表面上的壓力P的曲線圖，如 圖1所示。
(2) 將浮力磨粒球3加入容器2中的水1中，制得加工混合液，浮力磨粒球3
浸入液體，分層排列，通過增減浮力磨粒球的層數或體積，調節加工壓力；
(3) 將欲研磨或拋光的工件4的表面浸沒入液體中，壓在浮力磨粒球上；
(4)使加工面與浮力磨粒球堆層相對運動，產生研磨或拋光作用
先根據工件材料和加工要求確定磨粒球的浮力和磨粒球的初始層數，隨著表 面粗糙度的降低，逐漸減少磨粒球的層數調節加工壓力，從而實現合理的分工步 加工，提高拋光的綜合效率。
釆用的裝置原理示意圖，見附圖2。浮力磨粒球拋光以磨粒球作為拋光工具， 由磨粒球的浮力產生拋光壓力。浮力磨粒球拋光系統的運動方式和傳統的研磨方 法相類似，工件在以wl的速度公轉的同時，以co2的速度自轉。在拋光過程中， 磨粒球完全浸入漂浮的浮力磨粒球堆層中，這樣磨粒球浮力大小不會發生變化。 此時作用于加工件表面的壓力為一常值，大小為P = N (F - W) = N (Vk - mg)。 在需要時，可以通過增加浮力磨粒球的單體體積和整體層厚獲得較高的壓力。
本實施例所使用的拋光機，機座7上帶有同步電機8，同步電機8帶動主動 盤9旋轉，4.工件，同步帶輪及同步帶6帶動工件裝載器5旋轉，工件4安裝在 工件裝載器5上，工件裝載器5偏心安裝在主動盤9上，工件繞裝載器5的軸心 自轉，繞主動盤軸心公轉，工件壓在浸入液體中的浮力磨粒球上。
實施例2
圖中標號為l.右支承，2.右密封蓋，3.工件，4.浮力磨粒球，5.右密封蓋， 6.電機，7.左支承，8.水
本實施例是無損傷拋光內壁表面平緩變化圓筒的例子。其實施步驟與實施例 l相同。
采用的裝置原理示意圖，見附圖3。工件在電機帶動下以"3的速度旋轉，浮 力磨粒球和水組成的混合液充滿整個圓筒。當在拋光過程中，磨粒球完全浸入混 合液中，磨粒球的浮力不會發生變化。根據需要，作用在圓筒內壁上的壓力也不 會發生變化，此壓力為一常數。通過增加浮力磨粒球的單體體積和整體層厚獲得
較高的壓力。
先根據工件材料和加工要求確定磨粒球的浮力和磨粒球的初始層數，隨著表 面粗糙度的降低，逐漸減少磨粒球的層數調節加工壓力，從而實現合理的分工步 加工，提高拋光的綜合效率。
從本實施例可以看出采用本發明方法可以方便地進行曲面研磨/拋光。 實施例3
圖中標號l.右支承，2.浮力磨粒球，3.工件，4.容器，5.水，6.左支承，7.電機
本實施例是無損傷拋光外表面平緩變化圓柱體的例子。其實施步驟與實施 例1、 2相同。
采用的裝置原理示意圖，見附圖4。工件在電機帶動下以"4的速度旋轉， 浮力磨粒球和水組成的混合液在容器中。當在拋光過程中，磨粒球完全浸入液體 中，磨粒球的浮力不會發生變化。根據需要，作用在圓柱體表面上的壓力也不會 發生變化，此壓力為一常數。通過增加浮力磨粒球的單體體積和整體層厚獲得較 高的壓力。
先根據工件材料和加工要求確定磨粒球的浮力和磨粒球的初始層數，隨著表面 粗糙度的降低，逐漸減少磨粒球的層數調節加工壓力，從而實現合理的分工步加 工，提高拋光的綜合效率。
從本實施例可以看出采用本發明方法可以方便地進行曲面研磨/拋光。
權利要求
1.一種新型的拋光方法，包括下列加工步驟(1)制作浮力磨粒球將磨粒和發泡材料、膠體的混合物進行攪拌，制成密度小于液體的球體；(2)將浮力磨粒球浸入液體中，制得加工混合液，通過增減浮力磨粒球的數量或體積，調節加工壓力；(3)將欲拋光的工件的表面浸沒入混合液中，壓在浮力磨粒球上；(4)使加工面與混合液相對運動，產生研磨或拋光作用。
2、 如權利要求1所述的新型的拋光方法，其特征在于所述的浮力磨粒球加入液體中按層排列，先根據工件材料和加工要求確定磨粒球的浮力 和磨粒球的初始層數，隨著表面粗糙度的降低，逐漸減少磨粒球的層數調節加工壓力。
全文摘要
本發明提供一種新的平面拋光加工技術——浮力磨粒球拋光技術，該技術以磨粒球作為拋光工具，由磨粒球的浮力產生拋光壓力，可以保證磨粒與工件接觸點的壓力的均勻性，有效地控制拋光表面材料去除作用的一致性。是從根本上解決了傳統拋光技術在提高加工效率和避免工件表面損傷方面的矛盾，并且對環境的要求低。該技術也可以用于平緩變化曲面的拋光。
文檔編號B24B31/00GK101204790SQ20061015541
公開日2008年6月25日 申請日期2006年12月22日 優先權日2006年12月22日
發明者勇 戴, 虞勛杰, 鄧乾發 申請人:浙江工業大學