小型超精密金刚石刀具研磨装置的研究开发

摘要

金刚石表面具有优异的物理、化学、机械性能，被广泛应用于科技产业及工程技术领域，这些应用经常要求高精度地加工制作金刚石，使其表面平整、光滑以及具有一定的尺寸、表面形状精度。作为工具，单晶金刚石是目前理想的刀具材料，被广泛应用于超精密加工领域，金刚石刀刃制作的锋利程度、精度、质量直接影响超精密加工技术水平，是人们十分关注的领域。但金刚石具有最高的硬度，耐磨、易脆、耐蚀等特异性能，同时也使得超精密金刚石刀具的制作极其困难，是产业应用的关键技术，其迫切需要解决而得到广泛的研究。目前尽管人们研究了各种金刚石加工方法，但其中机械研磨由于其技术成熟、加工稳定、易于控制、成本较低等特点，仍然是主要的加工技术手段而被广泛采用。 精密、高质量金刚石刀具制作，受加工条件、环境、设备和操作技术的制约，具有技术挑战性。其中最重要和最基本的问题之一，是改善加工条件、研磨技术装备，尤其针对目前我国技术发展状况，即如何提高研磨装置的运行精度和平稳性成为能否加工出高质量金刚石刀具的关键问题。 本文讨论和分析影响研磨装置运行精度和平稳性的主要因素，在此基础上提出基于精密流体动力轴承、采用无位置传感器无刷直流电机技术设计高速运转平稳的小型精密主轴系统；以及采用音圈电机、伺服位置信息磁头以及伺服盘片组成闭环控制装置，设计和制作精密进给系统；组成小型精密研磨装置以实现精密、平稳的金刚石超精密研磨。包括以下各部分的开发研究： 设计并制作了小型、精密的主轴系统，它采用无位置传感器无刷直流电机技术结合流体动力轴承技术，使得电机运行平稳、精度高。尽管电机结构比较简单，但是电机控制比较复杂。针对这个问题，本文采用专用控制芯片ML4426作为主轴系统控制核心，设计了外围电路。同时，采用PwM控制实现了主轴系统的电流和速度双闭环控制。 设计进给运动系统实现金刚石研磨的轨迹控制。它以音圈电机、伺服位置信息磁头及伺服盘片组成闭环控制系统作为的进给运动系统的核心，能够使得进给运动系统运行平稳，精度高。对音圈电机的机械结构进行改造，使其能够驱动金刚石刀具进行轨迹运动。为了实现进给运动系统伺服闭环控制，设计并制作伺服地址信息检测电路及相应的检测程序，用于提取伺服盘片上的伺服信息；采用C语言编写了进给运动系统的控制程序，实现了金刚石刀具研磨轨迹及定位控制。 设计并制作了精密金刚石研磨盘，它采用高面型精度的基盘，并镀上一层类金刚石膜的方法制作研磨盘，从而解决一般金刚石磨盘表面磨粒分布不均及等高性不好的问题。 设计空气过滤系统，实现保持精密研磨装置长期稳定工作和提高超精密研磨环境的目的。 最后，对组装后的研磨装置进行了初步的实验研究。实验包括：1.高质量金刚石表面研磨实验，该实验目的是通过金刚石研磨的表面质量，测试研磨装置的稳定性，从原子力显微镜测试结果表明，金刚石表面粗糙度在边缘地区平均Ra为6.725nm，在中间区域平均Ra为3.25nm，说明研磨装置运行精度高，稳定性好；2.高质量金刚石刃口研磨实验，该实验目的是通过比较本文设计研磨装置和一般研磨装置研磨金刚石刀刃的情况，测试研磨装置的稳定性。实验结果表明本文设计的研磨装置在刃口锲角小于90°时仍能够加工出平直的金刚石刀刃，说明研磨装置的稳定性非常高。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章研磨装置总体设计及组成

第三章研磨装置机械系统设计

第四章研磨装置控制系统设计

第五章精密研磨装置的初步实验

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

独创性声明

致谢

附 录