超精密平面磨削0.01μm微量进给装置的实验研究

zpc64 · 发表于 2010-9-25 21:11:52

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超精密平面磨削0.01μm微量进给装置的实验研究（一）

微量进给装置是超精密机床关键的元部件之一。在磨削脆性材料时，超精密平面磨床砂轮以0.1μm以下的切削深度进行磨削，其磨屑像切削软金属时那样呈卷曲状，且表面没有加工变质现象。因此，微量磨削能改变零件的表面加工性能，可以使脆性材料零件表面塑性化(即可延性磨削Ductil Grinding)。但是，超精密机床的精度主要是靠机床的基准元部件的精度达到的，而继续提高机床部件的精度已十分困难，并且一些加工中产生的误差很难消除，利用计算机修正其误差，可进一步提高加工精度。
　　电致伸缩元件具有高分辨率(校正分辨率可达0.001μm)，不发热，自动控制方便，价格低廉等特点，已广泛应用于超精密车削的微量进给。但它的驱动力较小，且位移量受驱动力大小影响，不能直接推动超精密平面磨床的工作台或磨头。笔者把电致伸缩元件用于磨床砂轮的进给控制，将其微量位移转换为可用于计算机补偿的平面磨削微量进给位移。
　　1 微量进给装置设计
　　随着空气轴承的发展和进入实用，已应用到百分之几微米精度、高速化和稳定性好的超精密机床上。笔者所设计的微进给装置就是通过电致伸缩元件控制轴承供气压力变化，使得主轴产生随压力变化的位移，实现砂轮的微量进给，其工作原理见图1。

图1 微进给控制装置工作原理

　　在开有6个进气孔的空气轴承中，进气压力P1和P2通过节流器控制的精密减压阀进行调节，而其余孔供气压力P0由同一气源获得，保证其相等。节流孔的输出压力直接作用于减压阀的溢流钢球，当电致伸缩元件伸缩时，节流孔的输出压力产生变化，减压阀的输出压力P1和P2随之变化，使得空气轴承在其工作间隙范围内作相应的上下移动。
　　图1中各参数选取如下：①电致伸缩元件选择φ24mm×46mm的WTDS—1B型压电陶瓷，工作位移为35μm，控制电压为0V～300V，回零再现性小于0.05μm;②空气轴承单边平均间隙为9μm，每孔开有长70mm、相距15mm的“王”字形沟槽;③气泵的恒压气缸压力为0.5MPa。
　　2 空气轴承的位移分析
　　由空气轴承实现的微量进给，是依靠改变它的工作间隙实现的，空气轴承的位移工作原理即微进给原理。笔者采用的是轴颈轴承，其节流面可分解为许多“等效狭缝”，其狭缝节流可视为平板节流，狭缝宽度为a=πD/n。由平板节流公式可得
　　
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　　(1)
　　式中，Pd为进入空气轴承孔口处压力;Pa为环境压力;u为气体粘度;R为气体常数;T为绝对温度;l为节流长度;h为轴承间隙;D为轴承直径;n为进气孔数目;m为质量流量。
　　空气轴承进气口处为小孔节流，有
　　
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　　(2)
　　式中，CD为流量系数;A为节流小孔面积;ν为气体比热比;T0为供气温度，这里等于T;ρ0为供气密度;P1为空气轴承可调节供气压力。
　　设[1]
　　
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　　(3)
　　空气轴承受力分析见图2。P0为无减压阀调节的直接供气压力，P1、P2分别为经过减压阀调节后的供气压力。

图2 空气轴承受力分析

zpc64 · 发表于 2010-9-25 21:34:51

超精密平面磨削0.01μm微量进给装置的实验研究（二）

受力分析时作几种假设：①空气轴承不考虑周向流动;②“王”字沟槽无节流作用;③轴承端部的压力分布呈梯形分布，并且两排相邻“王”字之间的压力是恒定的。由此可得出作用于轴承的载荷为
　　W=(Pd4-Pd1+Pd2-Pd3)(L-l)D/2 (4)
　　当轴承出现偏心时，有
　　h=h0(1-εcosθ)0≤θ≤180° (5)
　　式中，ε为偏心率;h为偏心距;h0为平均间隙。
　　由以上方程可得出当供气压力P1变化时空气轴承向下做轴向位移δ的变化曲线(见图3)。

图3 P1变化时轴承轴向位移δ的变化情况

由图可知，减压阀输出压力决定了空气轴承位移分辨率和位移范围，而减压阀输出压力是由节流器控制的。图1节流器的节流孔输入压力PT先通过小孔节流，再由压电陶瓷作平板节流，则作用于减压阀溢流钢球的压力PT可表示为

　　
http://tech.86cut.com/techfiles/2010-9-21/fb4a0b5e-a717-41b3-930e-7e21e4202cc5.gif
　　(6)
　　式中，a为节流小孔直径;b为压电陶瓷节流长度;s为压电陶瓷位移。
　　当s连续变化时，PT可连续变化，即可满足对减压阀的调节。
　　3 空气轴承位移分辨率及范围测试
　　本实验主要测试压电陶瓷所能控制的空气轴承最大位移范围和位移分辨率。测试环境在摄氏20±0.5℃，无噪音，加有防振地基的实验室。笔者只对单面调节空气轴承压力情况进行讨论。实验采用0.001μm的TDC-1精密电容式测微仪分别对P1和P2调节时的轴承位移精度进行测试，其位移随电压的变化曲线见图4，下表给出了P1调节时轴承位移的分辨率。

图4 轴承位移随电

　轴承位移分辨率表

http://tech.86cut.com/techfiles/image/6d145544-e000-4d32-a53e-ca8f3fe4df5a.gif

　　压变化曲线
　　由于压电陶瓷存在电滞特性和0.5μm的回零再现误差，同一电压值的位移在上升和下降时不重合。从图2测量曲线上可以看出，大致可分为3个阶段：
　　(1)0V～90V阶段　该阶段由于压电陶瓷本身存在电滞性，位移在这一段时间变化范围较小，并且存在一个凹点，所以，这段曲线可不作为控制范围。
　　(2)90V～190V阶段　该阶段电压—位移基本呈直线变化。使用时以这段范围为最佳。
　　(3)190V～240V阶段　该阶段中由于压电陶瓷节流面积最小，因此轴承压力调节孔气压接近其它孔，空气轴承接近同心。这时的位移变化极小，所以这一段也不理想。
　　P1调节时空气轴承的最大位移范围为3.0μm，其中直线性范围内为2.4μm;P2调节时最大位移范围为2.0μm，其中直线性范围内为1.8μm。由于空气轴承在2/3的工作间隙范围内即可正常工作，因此，图3给出的位移范围可满足空气轴承的工作条件。上表给出的空气轴承位移分辨率达到了0.01μm。
　　4 空气轴承的位移时间响应
　　由空气轴承实现的微量位移可用于零件加工的误差补偿。决定零件加工精度的因素主要取决于机床的导轨精度和动态误差。如果能消除导轨误差，采用计算机补偿技术，按照导轨的表面直线度状况控制微动进给，用以补偿导轨引起的复映误差，从理论上来说，则可以加工出“无误差”的零件表面。在以补偿导轨误差方式实现进给量控制时，利用误差“复映”原理，将在无补偿进给磨削的工件上复映的导轨误差存入计算机，再由计算机根据空气轴承各点位移进行补偿控制。
　　由于受压电陶瓷电滞特性以及空气轴承气腔、气阻等因素的影响，轴承位移与控制电压之间存在一定的时间滞后，这种滞后效应不可避免地会影响补偿控制的进给速度。因此，该装置用于补偿控制时，如果电压调节频率过快，空气轴承可能来不及响应，图5和图6分别给出了电压快速调节和缓慢调节时空气轴承的位移曲线。可以看出，在快速磨削过程中，空气轴承位移对控制电压变化反应不灵敏，因此，该装置适合于缓进给微量磨削。

图5 电压缓慢调节时空气轴承位移曲线

图6 电压快速调节时空气轴承位移曲线

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