第９卷第３期 邵阳学院学报（自然科学版） Ｖｏ１．９ ＮＯ．３ ２０１２年９月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｏｙａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｓｅｐ．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Ａ－Ｙ－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：ＴＨ１６ 文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｍａｃｈｉｎｅ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｇｒｉｎｄｉｎｇ ａｎｄ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ＹＵ Ｌｅｉ （Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍｉｎｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｉｓｈｉ，ｒ￣ｊｉｎａ ３６２７００ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｒｉｎｇ ｏｆ ｌｆｕｓｈ ｔｏｉｌｅｔ ｄｒａｉｎａｇｅ ｖａｌｖｅｓ ｉｎ ｇｅｎｅｒａｌ ｉｓ ｒｕｂｂｅｒ ｍａｔｅｒｉｌａ，ａｆｔｅｒ ａ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ ｏｒ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｏｌｄ ａｒｅａｓ，ｉｔ ｗｉｌｌ ｈａｒｄｅｎ ａｎｄ ａｇｅｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｌｅａｋｉｎｇ．Ｃｅｒａｍｉｃ ｍａｔｅｒｉｌａ ｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｈａｒｄｎｅｓｓ，ｇｏｏｄ ａｂｒａｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ ｅｌｅｖａｔｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ，ＳＯ ｉｔ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｔｏ ｂｅ ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｒｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａ１．Ｂｕｔ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｖｅｒｙ ｃｏｍｐｌｅｘ，ｔｈｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｉｆｎｉｓｈｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｉｓ ｖｅｒｙ ｌｏｗ ａｎｄ ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｎｏｔ ｔｏ ｂｅ ｍａｓｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ．Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｍａｔｕｒｅ ｃｅｒａｍｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ， ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｍａｓｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｉｌｌ ｉｍｐｒｏｖｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｅａｌｉｎｇ，ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ，ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅ ０ｆ ｔｈｅ ｃｅｒａｍｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｅａｌｉｎｇ ｒｉｎｇ，ａｎｄ ｏｃｃｕｐｙ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：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（ＪＡ０９２７６） 作者简介：于雷（１９８２一），男，吉林辽源市人，讲师，主要从事电子、电气技术研究．Ｅ—ｍａｉｌ：ｌ１４１８８３９４＠ｑｑ．ｃｏｎｒ ６２ 邵阳学院学报（自然科学版） 第９卷 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［”．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． 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【２１．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 １所示．主要部件介绍如下：１、下抛光盘；２、 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 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃｅｒａｍｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ 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． 图２陶瓷材料抛光机控制系统原理图 Ｆｉｇ．２ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｃｅｒａｍｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ 工控机与转速传感器、变频器等构成了 第３期 于雷：高性能陶瓷材料研磨抛光机设计 ６３ 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嘲．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 ２４Ｖ，提高了阀的使用寿命及安全性『４］． 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． 图３控制面板 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｎｅ 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【５Ｊ．其高度为９００ｍｍ，长度为４００ｍｍ． 图４龙ｌ】式结构 Ｆｉｇ．４ Ｇａｎｔｒｙ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 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 Ｆｉｇ．５ Ｍａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ２．３抛光机的连接机构设计 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 邵阳学院学报（自然科学版） 第９卷 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所示陶． 表１ １２０７轴承的参数 Ｔａｂ．１ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ 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 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． 图６通用夹具设计示意图 Ｆｉｇ．６ Ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｘｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ 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． 图７气动控制系统结构图 Ｆｉｇ．７ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ 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． 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ＰＥＲＴＨＯＭＥＴＥＲ Ｓ２作为检测 仪器，选５．６ｒａｍ的扫描长度，１１２００个采样 第３期 于雷：高性能陶瓷材料研磨抛光机设计 ６５ 点数，０．８ｎｍ的垂直轮廓分辨率；另外还使 用了Ｅｔ本岛津分析天平ＡＵＹ２２０作为千分 表．实验条件如表２所示． 表２实验条件 Ｔａｂ．２ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ 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 参考文献： 度和去除率如表３所示． 表３实验数据 Ｔａｂ．３ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ［１】胡晓珍．超精密双面抛光机结构的优化设计卟制造技术 与机床。２００９，（３）：５４—５７． ［２】陈毓扁精度大尺寸硅晶片的双面研磨抛光机改进设计 ［『］．海洋学院学报，２０１０，２９（６）：５８６－５９０． 【３】钱宁．双面抛光机气动伺服加载系统分析Ⅱ】．机床与液 压，２００６，（８）：７２－７４． 去除率 （ｕｍ／ｍｉｎ） 加工载荷表面粗糙度深度 Ｒｍａｘ（ ｈｎ） ６ＫＰａ ９ＫＰａ １２ＫＰａ ６ＫＰａ ９ＫＰａ １２ＫＰａ ［４】王军．光纤透镜研磨抛光的轮廓成形控制系统的研究Ⅱ】． 制造技术与机床，２００９，（１１）：３６—３９． 传统抛光机０．１２１ ０．１５４ ０．１６１ １．５０３ １．６４２ １．７０５ 新型抛光机０．１１３ ０．１３９ ０．１５２ ０．２７４ ０．４１９ ０．６０８ ［５】余跃庆．多轴联动龙门式加工中心主体结构有限元分析 Ｕ］．工艺与装备，２００９，（９）：８７—９１． 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Ｕ】．哈 尔滨轴承，２０１１，３２（２）：２８—３Ｏ．