彈性發射數控拋光系統設計及搭建*

同濟大學機械與能源工程學院 王昆 黃智星

本文根據彈性發射加工特點以及其精度要求，搭建了一套用于彈性發射加工的裝置，并對拋光過程中的拋光正壓力和拋光距離進行了分析，通過對石英玻璃進行拋光實驗驗證了本裝置可以用于彈性發射加工，且拋光后石英玻璃表面粗糙度有所降低。

彈性發射加工（Elastic Emission Machining）是一種超精密拋光加工方法，常作為光學表面的最后一道拋光工序，光學表面在經過EEM拋光后表面粗糙度可以達到納米級甚至亞納米級[4-5]。EEM屬于非接觸式拋光，拋光時拋光頭與工件之間不直接接觸而是存在幾微米至幾十微米的間隙，通過拋光頭高速旋轉帶動拋光液中的拋光顆粒與工件表面碰撞，從而實現工件表面材料原子級別去除。

由于拋光頭和工件之間的間隙很小，該工藝方法對裝置的精度要求極高，目前用于實現EEM的裝置主要分為三種類型：轉子式、噴嘴式、振動式[1]。本文搭建的裝置屬于轉子式。

1 裝置設計及搭建

1.1 拋光系統應滿足的設計要求

（1）工件的裝夾要保證工件與拋光頭的平行度，且工件能夠相對拋光頭在XYZ三個方向上進行移動。

（2）拋光頭的旋轉速度在一定范圍內可以進行無級調節，拋光頭旋轉時其徑向跳動應盡可能小。

（3）拋光間隙可在0～100內調節。

（4）拋光時拋光頭和工件應完全浸沒在拋光液中。

1.2 實驗臺設計方案

實驗臺主要由以下幾個部分組成：拋光輪、電主軸、光學底座及光學移動臺，壓電陶瓷微位移機構，實驗臺裝置簡圖如圖2所示，實物如圖3所示。

圖2 拋光裝置簡圖Fig.2 Diagram of polishing equipment

圖3 拋光裝置實物圖Fig.3 Picture of polishing equipment

（1）拋光輪：主要由桿件和拋光頭兩部分組成。桿件由鎢鋼制成，因為鎢鋼具有硬度高耐磨，強度和韌性好等特點。桿件一端連接電主軸，另一端連接拋光頭，桿件旋轉時的徑向跳動會受電主軸旋轉精度和夾頭夾持精度的影響，桿件越長其底部所產生的徑向跳動越大，所以在保證拋光頭安裝的前提下桿件長度要盡可能短。拋光頭為圓柱形，材料為聚氨酯，聚氨酯彈性體性能介于塑料和橡膠之間，耐油耐磨耐低溫耐老化，硬度高有彈性。聚氨酯具有一定的彈性，故在加工時會有一定的形狀誤差，聚氨酯的形狀誤差會通過電主軸、夾頭、桿件放大，導致在拋光頭在加工時的徑向微小誤差會在其高速旋轉時放大幾倍，需要在桿件和聚氨酯拋光頭裝配好之后進行修正以盡可能減小徑向跳動[2-3]。

（2）電主軸：采用的是水冷型氣密電主軸，額定功率800W，直徑62mm，電主軸內部有四個采用油脂潤滑的角接觸球軸承，通過調節變頻器頻率可使得電主軸轉速在600-4000rpm內無級調節，其錐孔跳動在2um內滿足實驗精度要求。電主軸前端有氣密閥，通過向氣密閥充氣可使得電主軸擁有一定的氣密性。

（3）光學底座及光學移動臺：底座采用50cm×50cm鋁合金光學底板，其上均布間距25mm的M4螺紋孔。移動臺采用的是LY90-LM（XY）型鋁合金精密微調移動臺，其在XY兩個方向的位移均為正負12.5mm，最小刻度和精度均為0.01mm，滿足實驗要求。光學移動臺上裝有夾具用于夾持工件。

（4）壓電陶瓷微位移機構：包括封裝壓電陶瓷，壓力傳感器，高頻壓電陶瓷控制器，計算機程序。

壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能相互轉換的功能陶瓷材料，其特點是輸出位移小輸出壓力大，響應速度在微秒級。實驗選用的是封裝壓電陶瓷，其長度為10cm，位移為0～100um，誤差為0.1%。

力傳感器采用的是N10E型壓力傳感器，量程選取為0～100N，其采用優質合金鋼制成，量程小精度高，中間凸點壓縮測力，適用于精密壓縮測力。

計算機連接高頻壓電陶瓷控制器，高頻壓電陶瓷控制器連接壓電陶瓷及壓力傳感器。壓力傳感器、高頻壓電陶瓷控制器、壓電陶瓷三者構成一個閉環系統，控制原理如圖1所示?？梢酝ㄟ^計算機設置目標力值，在拋光過程中壓電陶瓷控制器會根據壓力傳感器接受到的力值自動對施加在壓電陶瓷上的電壓進行調節，從而調節壓電陶瓷伸長量使得拋光壓力穩定。

圖1 壓電陶瓷控制原理Fig.1 Control principle of piezoelectric ceramics

1.3 設計要求的實現

（1）電主軸及旋轉板固定在滑臺上，滑臺可以在導軌上進行上下移動從而實現工件相對拋光頭的Z向相對運動，高精度滑臺保證了Z向移動的精度。光學移動臺可以實現XY方向±12.5mm的高精度微位移，從而實現了工件相對拋光頭的XY向相對運動。

（2）電主軸轉速可以在600～40000轉/分內進行無級調節。電主軸末端使用ER夾頭連接桿件，桿件另一端使用螺栓連接拋光頭，使得拋光頭轉速與電主軸轉速相同。

（3）拋光間隙是通過壓電陶瓷控制的，當拋光頭和工件間隙較大時通過光學移動臺調整兩者距離。當距離較小時通過控制電壓調整壓電陶瓷伸長量從而控制兩者之間距離，拋光輪和工件距離可以在0～100調節。

（4）亞克力箱子用于盛放拋光液，拋光時拋光頭和工件均浸沒于拋光液中。

2 拋光正壓力及拋光距離分析

L1—— 拋光頭至B點距離

L2—— 壓電陶瓷作用點至B點距離

L3—— 張緊帶作用點至B點距離

FS—— 張緊帶拉力

F0—— 靜止狀態下壓電陶瓷作用力

F1—— 拋光正壓力

F—— 拋光狀態下壓電陶瓷作用力

圖4為旋轉板及電主軸受力分析。左圖為靜止狀態下受力分析，右圖為拋光過程中受力分析。FS是安裝預緊力，目的是使旋轉板和壓電陶瓷可以緊密貼合。F0是壓電陶瓷對旋轉板的作用力。F為拋光過程中傳感器受到的力值，可以在拋光過程中實時讀取。F1為拋光過程中拋光輪受到的正壓力，該力是由于拋光輪與工件之間的拋光液受到擠壓形成動壓流而產生的。A是杠桿支點，L3是張緊帶作用點到支點力臂距離, L2是壓電陶瓷作用點到支點力臂距離，L1是拋光輪高度中點到支點力臂距離，L1、L2、L3均可在實驗前通過測量得出。

圖4 旋轉板及電主軸受力分析Fig.4 Force analysis of rotating plate and motorized spindle

在靜止狀態下受力如圖4左圖所示，可得到：

在拋光過程中受力狀態如圖4右圖所示，由于壓電陶瓷伸長范圍小于100μm，遠小于L1、L2、L3的長度，故可認為FS、F0、F1到A點力臂距離始終分別為L3、L2、L1，并靜止狀態下和拋光狀態下張緊帶壓力均為FS。因為拋光過程中因為拋光輪和工件均浸泡在拋光液中，所以拋光正壓力F1無法直接測量，但可由拋光狀態下的受力分析得出

又由于在靜止狀態下和的關系如式（2）所示，可得

式中 L1、L2均為常量，F0可由靜止狀態下傳感器讀數獲取，F可由拋光過程中傳感器讀數獲取,故實時拋光正壓力可由式（4）得出。

在靜止狀態下工件和拋光輪處于接觸狀態但兩者之間無作用力，拋光之前需要按需求控制拋光輪與工件之間的距離，這個是通過控制壓電陶瓷伸長量實現的。位移分析如圖5所示,壓電陶瓷伸長量為△l，△l1拋光頭距離工件距離為，可得

圖5 拋光位移分析Fig.5 Analysis of polishing displacement

整套拋光系統有兩種拋光模式：恒壓拋光模式和恒距離拋光模式。恒壓拋光模式下需要設置需要保持的壓力值，壓電陶瓷控制器會根據壓力傳感器接收到的壓力值與設定的保持壓力值之差進行調節，在拋光工件不同位置時通過調節壓電陶瓷供電電壓從而調節其伸長量以保持拋光壓力能始終維持在設定值范圍內。恒距離模式是直接保持壓電陶瓷伸長量為一個定值不改變，由于工件裝夾裝置在移動時會有微小位移誤差，這個誤差會反映到拋光頭到工件的拋光距離上，不同拋光距離會造成拋光壓力的變化，所以拋光壓力會隨著拋光工件不同位置時產生微小變化。

3 實驗結果

實驗工件：石英玻璃

拋光液：濃度10%的平均粒徑200nm氧化鈰拋光液，PH為6

拋光輪轉速：3000rpm

拋光距離：30μm

拋光時間：60min

選取拋光區域3個點的粗糙度Ra和Rq的平均值作為衡量拋光性能的指標

拋光前后粗糙度檢測結果分別如圖6、圖7所示，拋光前后各點粗糙度及平均值如表1、表2所示。在該裝置進行拋光實驗后，工件表面的平均Ra從2.697降低到了1.309，平均Rq從3.636降低到了1.768，表面質量有所改善，證明了該實驗裝置精度滿足要求，可以對工件進行彈性發射加工，且實驗表明經過該裝置彈性發射拋光后工件表面粗糙度有所降低。

圖6 拋光前表面粗糙度檢測圖Fig.6 Picture of surface roughness before polishing

圖7 拋光后表面粗糙度檢測圖Fig.7 Picture of surface roughness after polishing

表1 拋光前表面粗糙度Tab.1 Surface roughness before polishing

表2 拋光后表面粗糙度Tab.2 Surface roughness after polishing

4 結語

彈性發射加工作為一種超精密拋光方法，優點是在合適的拋光參數下可以使工件表面粗糙度達到納米級甚至亞納米級。缺點一是拋光速率很慢，二是對所搭建的拋光裝置的精度要求很高?？偟膩碚f，在超光滑拋光中如果對表面質量的要求遠大于對效率的要求的前提下，彈性發射加工是一個可行的選擇。