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1、2 0 0 7 年1 1 月第八届全国摩擦学大会论文集N o v e m b e r2 0 0 7平面研磨中修盘工艺磨削轨迹分析及优化卢万佳李维民杨华( 深圳开发磁记录殷份有限公司厂东深圳5 1 8 0 3 5 )摘要：为提高硬磁盘基片平面研磨的加工品质，本文利用计算机仿真对其研磨盘的修盘工艺进行运动学模拟，通过统计修盘器磨片相对研磨盘所划出的轨迹分布，提出了轨迹密度的概念，通过实验证明，轨迹密度可以准确的表征修盘后研磨盘的大致形貌，对优化修盘转速配比和修盘器结构具有重要的指导意义。关t 诃t 精密平面研磨；修盘器；轨迹密度 O nt h eA n a l y s i sa n dS y n
2、t h e s i so fW e a rT r a c kf o r O p t i m i z a t i o no fG r i n d i n gS t o n eD r e s s i n gP r o c e s sf o rC o m p u t e r H a r dD r i v eD i s kS u b s t r a t eL uW a n j i aW e i M i n gL e eY a n gH u a( S h e n z h e nK a i f aM a g n e t i cR e c o r d i n gC O ，L I T ) )A b s t r
3、 a c t ：T oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ed i s ks u b s t r a t e ，t h ed r e s s i n gp r o c e s si sa n a l y z e da n do p t i r n i z e db yt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n O nt h eb a s i so f t h e k i n e m a t i c a l m o d e lo f t h ep l a n e t l a p p i n g m “b m e ，t h
4、 ed i s t r i b u t i o n o f t h ed r e s s e r t r a c k s i sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d A s t h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n t t h e t r a c k sd i s t r i b u t i o nc a np r e f e r a b l ys i m u l a t e t h e p r o f i l eo f t h e g r i n d i n gs t o n ea f t e r t h e
5、d r e s s i n gp r o c e s sK e y w o r d s ：f i n eg r i n d i n g ；d r e s s e r ；t r a c kd i s t r i b u t i o n精密平面研磨是精密加工中最重要的方法之一，在制造业占有非常重要的地位，以硬磁盘基片为例，就是通过精密研磨工艺获得极高精度的盘基片宏观平面度以及盘片厚度。硬磁盘基片的研磨盘主要由磨粒和粘结剂两种成分组成，通过与基片的相对运动实现材料去除。在平面研磨过程中，研磨盘的精度是决定研磨零件品质的重要因素。但是研磨盘平板经过一段时间研磨后，由于磨损强度不均匀会导致研磨盘不平整，
6、造成同批次盘片质量参数不一致；而且表面磨粒与粘结剂形成的微孔会被磨屑淤寒，造成磨削效率下降。因此需要采用金刚石修盘器对研磨盘进行修整，使其露出新鲜、平整的研磨表面。研磨盘的修整采用修盘器与研磨盘互研的方法，通过调整中心齿轮、外齿圈以及上下盘的转速，从而得到修整研磨盘磨石的不同效果。但是修盘工艺参数对研磨盘修整效果的影响往往需要长期的经验积累，与工艺条件和操作者的技艺有着密切关系，这对科学的制定修盘工艺流程非常不利。在硬磁盘基片生产过程中，虽然通过长期生产实践总结得到了一些经验，但最终还很难达到均匀的修整研磨盘，面对新型号的机床，还需要重新利用大量的试验进行摸索，费时费力。基于上述原因，我们建立
7、了修盘机构的运动学仿真模型，将修盘器上金刚石磨片简化为一点，并计算得到磨片相对磨石划出的轨迹，统计在径向方向上各个区问内轨迹线与半径相交的交点个数，以其表征轨迹的分布密度。就理论而言，修盘器完全靠金刚石磨片对磨石进行修整磨削，因此，假设修盘压力分布均匀，磨片轨迹划过的范围和频度决定了对磨石的去处量。经试验证明，仿真结果与试验结果基本一致，仿真模型对优化修盘转速配比和修盘器布局具有重要指导意义。1 建立机构仿真程序行星式平面研磨机是硬磁盘基片研磨的主要设备，机构简图如图1 所示，机构运动包含四个转速：中心齿轮转速翻。( S u nG e a rS p e e d ) 、外齿圈转速翻P ( R i
8、 n gG e a rS p e e d ) 、上下研磨盘转速翻P ( U p p e r L o w e rP l a t eS p e e d ) 。修盘器运动速度包括：围绕中心齿轮的公转、修盘器相对自身中心的自转。修盘器结构如图，它利用修盘器上分布的金刚石磨片，通过修盘器与磨石的相对运动实现对研磨盘的切削修整。2 0 0 7 年1 1 月第八届全国摩擦学大会论文集N o v e m b e r2 0 0 7：罢嘭镭蔫蛐削二獬粼一 廷燮一图1 修盘机构简图为建立运动方程，设固定坐标系X O Y 在机构中心，第一动坐标X 0 Y 固定在修盘器中心上，建立机构解析方程如下：c o + 挚c o
9、 R 系杆角速度：c o = 等一( 1 )1 + 塑 Z s设修盘器上一个磨片为P 点，其相对于研磨盘的运动轨迹方程为：。， ：。o s ( ( 十吡一嗥) e l + 口) c o s ( ( 嘶一啤) f ) P ( 2 ) l 耳JL s l D ( ( + q 一啤) H ) s i n ( ( 嘶一婢) f ) Jl O O j其中，P 为磨片到修盘器中心的距离，B 为磨片的初始角度。以上述解析方程作为基础，建立修盘器上各个磨片的运动学模型。按照生产过程进行运动学仿真，模拟修盘过程1 秒所得轨迹分布图和局部放大图如图2 ，右边放大图中点代表修盘器磨片，曲线代表磨片在研磨石上划出的轨
10、迹。从图中可直观的分析轨迹线的疏密程度，但为了量化磨片轨迹分布的集中程度，我们引入了轨迹密度的概念。取研磨盘的一条半径进行研究，如图2 左边放大图中所示的直线，求取修盘器上磨片划过研磨盘的轨迹与这条半径的交点。为统计研磨盘上不同位置的交点个数，将研磨盘半径分为2 1 个区域，研磨盘内径第一个区域的区域序号为l ，靠近外径区域序号为2 1 ，统计区域内轨迹线与半径的交点个数，以此表征轨迹4 7 0密度。为更加直观的分析，将各个区域内的交点个数利用柱状图表示。如图3 所示，每根单柱代表这一区域内交点的个数，柱状图的高低变化表征了轨迹密度的分布，交点个数的整体平均值表征了轨迹线的疏密，而标准方差则表
11、征了轨迹线分布的均匀程度。按照理论分析，交点个数越多的区域，说明磨石经历磨削的次数相对较多，去除量也会相对较大。图2 轨迹局部放大示意图图3 轨迹密度分布图2 实验论证为论证模型仿真的正确性，按照与实际修盘工艺完全相同的转速配比进行仿真，将仿真得到的研磨下盘轨迹密度分布曲线与实际测得的磨石厚度形态曲线进行对比。对比结果如图4 ，为便于比较轨迹密度曲线与研磨盘厚度的关系，将交点个数数轴按逆序排列。由对比结果可知仿真所得的修盘器形状与实际测量所得结果并不完全一致，但研磨盘大体形态接近。这说明轨迹密度并不是决定研磨盘磨石去除量的唯一因素。研磨盘修盘压力分布、修盘过程中磨石形态以及修盘器磨片大小等都对
12、磨石去除量有所影响；在仿真过程中，将修盘器磨片简化为一点会带来计算误差；轨迹密度统计区域的离散，导致无法连续的考察半径方向上轨迹线密度的分布。另外，在实验中对磨石厚度的钡I 量误差以及测量位置也会带来仿真与实际结果的差异。因此，轨迹密度与实际修盘后磨石的形态不可能完全一一对应，但后经多次试验证明，仿真模型2 0 0 7 年1 1 月第八届全国摩擦学大会论文集N o v e m b e r2 0 0 7得到的轨迹密度曲线与磨石修盘后的实际形态密切相关，轨迹密度可以较为准确地描绘出研磨盘修盘后磨石的大概形貌，这说明轨迹密度分布是决定修盘后研磨盘形态的重要影响因素。图4 实验论证结果3 工艺参数以及
13、修盘器优化研磨盘的平整度是影响精密研磨加工品质的关键因素。不平整的研磨盘会造成研磨压力不均匀，导致摆放在料架齿轮片上不同位置的工件加工厚度不一致，严重时还会影响工件的平面度等其它质量参数。按照上述轨迹密度分布与修盘后磨盘形态的关系，理想的修盘轨迹密度分布应为一条水平线。要满足这一要求首先需要轨迹密度柱状图以中心为轴左右对称。经过转速配比优化后，我们发现原有的修盘器虽然可以实现左右对称的轨迹密度分布，但无法得到水平的轨迹密度分布。如图5 ( a ) 所示，修盘器相对研磨盘的磨削轨迹虽然左右对称，但研磨盘靠近内外径的位置所经历的修盘器磨片磨削次数明显高于中径，各区域内交点个数最多的有2 9 3 ，
14、最少的只有1 4 8 ，交点个数的标准偏差达到了5 0 ，因此必须通过优化修盘器上磨片的分布才能达到理想的轨迹分布。通过优化修盘器各圈磨片数量以及分布圆直径，根据仿真模型评估优化结果，得到最终优化方案。其优化结果如图5 ( b ) 所示，经过修盘器结构优化，在相4 7 1同的转速配比工况下，轨迹密度分布的均匀性得到了明显改善，各区域内交点个数最多的2 4 3 ，最少的1 8 2 。与图5 ( a ) 结果进行比较，整体交点个数平均值相差无几，而交点个数的标准偏差值从5 0 降到了1 9 ，这说明修盘器的优化对改善修盘均匀性具有明显的效果。图5 ( a ) 速度配比优化结粜图5 ( b ) 修盘器结构优化结果4 结论本文所建立的行星式平面研磨机构修盘仿真模型经试验证明，可以正确的模拟出相同转速参数下实际研磨盘的修整效果，避免了靠操作者经验带来的不确定性，节省了试验分析的大量人力物力，并为转速配比等工艺参数、修盘器布局优化提供了坚实的理论基础和明确的指导作用。最终通过对转速配比和修盘器结构的优化，实现_ ：广均匀的轨迹密度分布，为生产带来了可观的效益。糕牛咂州
