行星式雙平面多工件研磨盤設計

邊培瑩

(西安文理學院，陜西 西安，710065)

0 引言

現代制造中對機械零件的加工精度和表面品質提出了更高的要求，研磨技術成為精密加工技術中的一種，在機械加工中應用越來越廣泛，因此其研磨精度與效率成為尤為重要的關鍵因素。目前對平面研磨的研究已有近半個世紀的歷史，其研磨機理與軌跡分析都有很多成熟的算法與理論，而進一步推進研磨技術的高效化、實用化是目前主要的實踐需求。

雙面平面研磨是在超精密磨削的基礎上發展起來的一種磨削方法，主要用于加工兩平行面，比單平面研磨具有更高效率及精度。本設計就是以高效的多工件、雙平面研磨的需求而展開的行星式研磨盤結構設計與運動仿真，通過仿真，進一步驗證了已有的解析法研究軌跡。

1 節圓式雙平面研磨機理分析

研磨軌跡是由加工設備及其幾何運動參數決定。對其進行分析是研磨軌跡均勻性研究的基礎，分析時一般對研磨設備進行一些假設，如1)工件、磨粒、研磨盤均為剛體;2)所有磨粒粒徑都相同且不考慮、不破碎、不脫落;3)忽略工件與研磨盤轉動誤差等影響因素。

根據已有研究，平面研磨軌跡主要有4 種［1］:1)直線式研磨運動軌跡。主要是用于臺階等狹長工件平面的研磨，可獲得較高的幾何精度。2)擺動式直線研磨運動軌跡。可以獲得較好的穩定性與平直度。3)螺旋形研磨運動軌跡。一般進行圓片形或圓柱形工件端平面研磨，可獲得較小的表面粗糙度與較高的平面度。4)“8”字形研磨運動軌跡。適用于小平面工件的研磨和平板類工件的修整，能使相互研磨的平面介質均勻接觸，并使研具均勻地磨損。

1.1 行星式研磨原理及軌跡

平面雙面研磨運動機構最常見的是行星式機構，如圖1 所示，被加工件放在行星輪孔內，行星輪除繞太陽輪中心公轉外，還繞自己中心旋轉。由于行星輪的自轉使工件中心與研磨盤中心之間的距離隨時間周期性變化，故該行星式研磨機構也是一種不定偏心式研磨方式。其基本參數見表1。

圖1 行星式平面研磨機運動原理圖

表1 行星式研磨機構基本參數表

假設P(R，η)為研磨盤上的任意位置磨粒，L 為O1與O2兩中心的距離，則某一磨粒P 在工件上的軌跡方程為［2］:

其軌跡方程對應的研磨路徑如圖2 所示［3］。

圖2 一般行星式研磨軌跡

1.2 采用節圓對行星式研磨軌跡解析分析［3］

在圖1 中，太陽輪帶動行星輪繞其中心ο2回轉，其絕對角速度為ω2，行星輪同時繞太陽輪的中心ο1公轉，其絕對角速度ω4，以此可推算出:

根據研磨盤與行星輪的回轉運動，設其相對角速度分別為Ω1、Ω2，于是有:

一般定義兩個回轉運動的角速度之比稱為速比，即:

式中:R1，R2分別為研磨盤與行星輪的節圓半徑，將式(2)—式(4)代入式(5)可得:

由中心距與節圓半徑的關系Z1+Z2=A，便可求得節圓半徑的表達式:

由于研磨盤的節圓(母圓)靜止不動，行星輪的節圓(滾圓)在其上作純滾動，經節圓矢量變換后最終得直角坐標表達式:

由此軌跡方程即可得到行星式研磨軌跡理論分析圖，當中心距A 一定，發生點的位置(a2，α2)確定后，速比I 的不同將產生運動類型的變化，即得到的擺線軌跡各不相同。一般文獻都定義I 為正，表示Ω1與Ω2異向回轉，I 為負，表示Ω1與Ω2同向回轉，文獻［4］計算得到速比I 取不同值時，工件上定點相對于研磨盤的部分軌跡曲線圖如圖3。

圖3 不同速比行星式研磨軌跡曲線圖

由圖3 可見，速比I 的變化，將對應不同的軌跡曲線形狀、類型及均勻性，表現出軌跡變化的復雜性，那么在實踐中就可以通過合理的速比值得到越雜亂、類似仿人的研磨軌跡，這正是平面研磨拋光可以獲得較高精度的主要原因。

2 行星式雙平面研磨盤設計

為了達到研磨精度的要求并考慮到多工件同時研磨、雙平面研磨、往復式螺旋線軌跡等設計因素，工件的被加工面是隨時被研磨盤所覆蓋著的，屬于大研磨盤小工件加工方式。在此假設研磨工件數目為4，則行星輪數K=4，初選傳動比i1H－3.59，采用標準直齒圓柱齒輪設計該研磨機構。

取壓力角α=20°直齒傳動β=0，由于研磨工件的最小高度為30 mm，又考慮到上研磨盤力的作用，取行星輪和太陽輪的齒輪厚度均為50 mm，則有B1=B2=50。經對行星輪系的一系列計算，確定該研磨盤的太陽輪、行星輪、下磨盤輪等主要參數。

根據計算參數草繪出其傳動簡圖，如圖4 所示:

圖4 設計簡圖

進一步用三維實體軟件設計出實體效果圖，見圖5。

為了實現不同尺寸規格的工件研磨裝夾，設計采用了螺紋式三抓卡盤，且頂端設計為半球頭，使其完成即可實現不同截面尺寸工件裝夾，還可實現工件隨盤任意軌跡擺轉，其實體效果如圖5(c)。

圖5 行星式研磨盤實體圖

3 運動幾何學仿真分析研磨軌跡

對此設計的研磨盤實體結構在PROE 環境下，進入機構仿真環境進行實際加工過程的仿真。取工件上任一點的磨粒，仿真其在不同速比I 下的研磨軌跡，以300 s 的加工時間為例進行位置軌跡仿真，輸出圖見圖6。

圖6 不同速比下行星式研磨盤研磨軌跡仿真輸出圖

由實際仿真的軌跡結果可見，與理論解析法研究并用MATLAB 繪制的軌跡圖一致，這充分證實了已有研究的理論價值。同時也進一步證實了不同速比下的軌跡變化，即對于大研磨盤小工件、多工件同時研磨的批量加工方式，行星式研磨即往復螺旋線式軌跡對工件進行研磨加工，可以通過改變研磨盤的轉速ω3和太陽輪的轉速ω1之比來改變研磨盤與工件之間相對運動的軌跡，形狀及均勻性。進一步分析可見，在使研磨盤轉速與太陽輪轉速之比較小時軌跡彎曲程度比較平緩，這種情況可降低磨具的異形磨損，提高工作效率:當其速比較大時，且為負時，可以使研磨中工件表面的平均相對速度下的研磨均勻性得到改善，并顯示出軌跡變化的雜亂性，對應的這將改善材料去除率的均勻性，提高工件的表面品質。

4 結語

行星式雙面研磨機與普通研磨機相比具有結構簡單、研磨力小、研磨溫度低、精度高、表面品質高、加工穩定、效益高等特點。解決了普通研磨中難以解決的許多工藝問題，特別是在難加工材料和難加工零件以及精密加工中，行星式研磨機構更是顯示出其優越的工藝效果。本次設計采用齒輪傳動的卡盤夾具式行星式雙面研磨機構，通過太陽輪的轉動來帶動多個行星輪的公轉和自轉運動實現多個工件同時研磨。進一步的運動學幾何仿真驗證了不同速比下軌跡的變化情況，通過選擇合適的I 值可以得到更好的研磨效果，從而提高了研磨技術水平，保證研磨加工精度和加工品質，而且還可顯著降低加工成本，提高加工效率，使研磨技術進一步實用化。

［1］Su J X，Guo D M，Kang R K，etc.Modeling and Analyzing on Nonuniformity of Materia Removal in Chemical Mechanical Polishing of Silicon Wafer［J］.Science Material Forum，2004，471～472:26～31.

［2］王軍，孫軍，楊信偉.晶片行星式研磨拋光機運動模擬的研究［J］.機械設計與制造，2000 (2):55-56 .

［3］吳宏基，曹利新，劉健.基于行星式平面研磨機研拋過程的運動幾何學分析［J］.機械工程學報，2002，38(6):144-147.

［4］Wang Lijiang，et al.Investigation on zero－phase－difference vibration chip breaking［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，1990.3(1)50－57.

［5］田業冰，金洙吉，康仁科，等.硅片自旋轉磨削的運動幾何學分析［J］.中國機械工程，2005，16(20):1798-1802.