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单 晶金刚石刀具是精密与超精密加工中不可缺少的工 具,其研磨质量是直接影响超精密加工精 度的关键因素,除与金刚石刀具磨床、研磨砂轮质量等硬件因素有关外,还在于研磨工艺参数的选 择与控制,因此对操作者的经验要求很高。研磨压力是一个影响研磨效率、表面质量、刃口质量等 的关键工艺参数。使用不同结合剂的砂轮,其研磨压力也不同,例如陶瓷结合剂砂轮需要的研磨压 力最小,金属结合剂砂轮需要的研磨压力最大;不同的加工工艺如粗磨和精磨时的压力也不同。因 此,要达到最好的研磨效率、最少的砂轮磨耗、高质量的刀刃面和刀刃,必须精确控制研磨压力。 目前常见的金刚石刀具研磨压力控制机构主要有三种形式:(1)杠杆式较常见的传统机构,通过 调节质量块在杠杆上的位置调节研磨压力(见图1)。1·质量块2·杠杆3·金刚石刀具4·砂 轮图1杠杆式研磨压力控制机构(2)弹簧式通过刀具滑动式夹具夹持部分弹簧与滑块来调节研磨 压力,使之保持恒定。(3)气压式常见于专用刀具磨床上,如Baileno金刚石刀具磨床,台湾Farman公司的FC-200D,FC- 500DPCD&CBN刀具磨床,以及瑞士EWAGRS12工具磨床。采用前两种研磨压力控制方式,存在压力调节不方便、夹具系统刚度不足、刀具 容易振动的缺点;而气压式存在夹具刚度不足的风险,甚至可能产生蠕动。金刚石刀具研磨量一般 不是很大,利用压电陶瓷位移驱动器和压电陶瓷力传感器的控制简便、高刚度的特点,设计了一套 多功能夹具系统,实现了微位移进给、研磨压力控制等功能,提高了研磨可靠性和研磨质量。2夹 具系统功能单晶金刚石刀具研磨智能夹具系统与专用金刚石刀具工具磨床结合使用,通过微驱动结 构、压力传感器以及微处理器组成的闭环系统实现研磨压力控制,能实现以下功能:辅助对刀,自 动研磨压力调节,工艺状况自动记录与存储,夹具系统自标定。另外,夹具系统还需实现刀具研磨 时后角和主偏角的定位功能以及辅助检测设备在线检测研磨质量功能。多功能夹具系统的功能框图 如图2所示。系统进行一定扩充可实现研磨量的检测,如系统和刀具磨床控制与检测系统连结,并 在PC机上实现工艺数据的处理与工艺参数统一控制,则形成一套完整的金刚石刀具研磨智能检测 与控制系统,实现金刚石刀具研磨的自动化和标准化。图2多功能夹具系统功能框图3夹具系统结 构夹具系统的结构由刀具装夹与角度调整部分、压力检测与控制机构两部分构成,关键在于后者的 结构设计。整个夹具系统采用压电陶瓷微位移驱动器和压电陶瓷传感器结合实现压力的控制,故压 力检测与控制部分结构采用了基于柔性铰链的一维微位移移动平台来实现。3·1直圆柔性铰链的 系列设计计算公式柔性铰链用于绕轴做复杂运动的有限角位移,特点是无机械摩擦和间隙、运动灵 敏度高。它有多种结构,最普通的是绕一个轴弹性弯曲,这种弹性变形是可逆的。本夹具系统采用 的是最常见的直圆柔性铰链(见图3)。从微位移机构的实际情况出发,对用于微位移机构的柔性 铰链进行分析,发现有两个明显特点:一是位移即柔性铰链的变形比较小,一般是几十到几百微米 ;二是柔性铰链的转轴方向刚度远大于转动方向刚度,即b>>t。直圆柔性铰链的变形可只需考 虑绕z轴的弯曲变形和沿x轴的拉伸。图3直圆柔性铰链简化计算图图4一维微位移平台结构示意图(1)弯曲刚度根据材料力学理论,由力矩M引起的柔性变形角 αM为αM=∫-RREJ(Mx)dx=∫-RRE812b(2t+RM-R2-x2)3dx上式积分得αM=3EMbR<>当 t/R<<1时,上式可简化为αm≈92πembtr51//22得到直圆 ks="ΔFxx="Eb2(24ss++11)arctan" s="R/t3·2一维微位移平台设计一维微位移平台的结构示意图如图" x="ltanθ由于Δx/l很小,tanθ≈θ,故Δx="lθ可知对某" u="21kbθ2+21ksΔl02式" w="1/2FΔx连杆伸长为Δl="l" l0="Δ4xl2整个复合弹性移动副共有8个柔性铰链,由功能原理可得W="21" x="8u="8(12kbθ2+21ksΔl02)由此可知,
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