基于氣壓浮動(dòng)的防碰撞懸浮拋光方法研究*

袁智敏，計(jì)時(shí)鳴，張 利，單曉杭

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

0 引 言

非晶合金材料是近十年來凝聚態(tài)物理研究最熱門的領(lǐng)域之一[1]。絕大多數(shù)非晶合金材料擁有極高的強(qiáng)度和硬度，在結(jié)構(gòu)材料以及微器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

液動(dòng)壓拋光能夠滿足高平整表面加工要求并可以實(shí)現(xiàn)高度重現(xiàn)性，SU Y T等[2-5]對(duì)液動(dòng)壓拋光方法進(jìn)行了深入的研究。由于加工刀具的高速旋轉(zhuǎn)，刀具與工件之間因楔形作用而產(chǎn)生液動(dòng)壓效應(yīng)，使刀具與工件之間形成磨漿薄膜，進(jìn)入薄膜流場(chǎng)內(nèi)的磨粒會(huì)受到流場(chǎng)剪應(yīng)力的作用，剪應(yīng)力對(duì)磨粒形成驅(qū)動(dòng)力進(jìn)而對(duì)工件表面產(chǎn)生加工行為。

2015年，文東輝等[6]對(duì)已有表面超光滑加工技術(shù)進(jìn)行了分析研究，并且著重論述了聲懸浮拋光和磨料水射流拋光的研究現(xiàn)狀，研究了表面采用非接觸式的拋光方法可大大降低工件表面粗糙度；2017年，謝重等[7]對(duì)在液動(dòng)壓懸浮拋光中顆粒對(duì)加工表面的作用機(jī)理進(jìn)行了研究，建立了三維離散元模型。

已有懸浮拋光裝置存在研磨不平穩(wěn)、基盤傾斜及卡死現(xiàn)象，這些現(xiàn)象將嚴(yán)重影響到工件表面加工質(zhì)量，而產(chǎn)生這些現(xiàn)象的主要原因是由于基盤與修正環(huán)之間的碰撞。

本文將提出一種基于氣壓浮動(dòng)的防碰撞懸浮拋光方法，并進(jìn)行理論和仿真分析。

1 拋光裝置的防碰撞工作原理

氣壓浮動(dòng)防碰撞懸浮基盤拋光裝置示意圖如圖1所示[8-9]。

圖1 氣壓浮動(dòng)防碰撞懸浮基盤拋光裝置示意圖1-U形拋光盤;2-壓縮氣體入口;3-防碰撞裝置;4-節(jié)流孔;5-間隙氣膜;6-主動(dòng)軸;7-拋光墊;8-拋光液;9-懸浮基盤

懸浮拋光裝置在工作狀態(tài)下，U形拋光盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)懸浮拋光基盤轉(zhuǎn)動(dòng)，若不存在防碰撞裝置，且懸浮拋光基盤存在偏心現(xiàn)象，那么勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一個(gè)偏心力，使得基盤與U形盤發(fā)生刮擦或碰撞，從而產(chǎn)生研磨不平穩(wěn)、卡死等現(xiàn)象。其偏心力可以通過下式計(jì)算：

F=mω2e

(1)

式中：m—偏心質(zhì)量；ω2—偏心裝置旋轉(zhuǎn)角速度的平方；e—偏心距。

通過式(1)不難發(fā)現(xiàn)，懸浮拋光基盤和防碰撞裝置本身的偏心力和它們的偏心質(zhì)量、偏心距、轉(zhuǎn)速的平方成正比。當(dāng)對(duì)于一臺(tái)已有的裝置，裝置的偏心質(zhì)量是確定的，而偏心距則是由于每次加工操作產(chǎn)生的誤差而不同，裝置的轉(zhuǎn)速是可以調(diào)節(jié)的，本文將研究利用防碰撞裝置，使加工基盤中心自動(dòng)回到拋光盤中心位置。

筆者利用防碰撞裝置，將壓縮氣體從入口進(jìn)入儲(chǔ)氣腔內(nèi)，然后氣體沿著儲(chǔ)氣腔壁上的節(jié)流孔流到防碰撞裝置與U形拋光盤之間的間隙中，形成一個(gè)具有克服偏心力作用的間隙氣膜，該間隙氣膜對(duì)防碰撞裝置的作用力可以與基盤運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的偏心力相平衡[10]，并且可以通過調(diào)節(jié)氣壓大小來對(duì)抗轉(zhuǎn)速變化而產(chǎn)生的不同大小的偏心力，使得基盤和防碰撞裝置不會(huì)和U形拋光盤發(fā)生碰撞。

壓縮空氣經(jīng)過節(jié)流孔流入防碰撞裝置和U形盤之間的間隙空間，形成具有一定剛度以及支撐力的潤(rùn)滑氣膜，并作用于防碰撞裝置和U形盤之間。從圖1中可以看出：在防碰撞裝置的壁上開有若干個(gè)自下而上完全貫穿的泄壓孔，使得高壓氣體可以從防碰撞裝置的底部沿防碰撞裝置壁通往空氣中，所以潤(rùn)滑氣膜兩側(cè)的上邊界壓強(qiáng)均為大氣壓。該方法避免了防碰撞裝置上下端面因壓差過大而導(dǎo)致本身工作失穩(wěn)的情況。

防碰撞裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是提高它對(duì)抗偏心力的能力，即其承載力，并降低氣體泄漏量。防碰撞裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括防碰撞裝置的直徑D、長(zhǎng)度L、周向節(jié)流孔個(gè)數(shù)n、節(jié)流孔排數(shù)m、平均氣膜厚度h0和節(jié)流孔直徑d0等。需要根據(jù)實(shí)際情況，比如要求最低耗氣量、最大偏心力或最大剛度，此時(shí)就要調(diào)節(jié)各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)以滿足要求。

2 模型的建立

2.1 幾何模型

由于防碰撞裝置和U形盤之間的氣膜厚度與氣膜周向長(zhǎng)度的比值約為10-4～10-3，因此在一定的周向?qū)挾葍?nèi)可以不考慮氣膜的曲率或者偏心對(duì)于氣膜厚度的影響[11]。

氣體充滿間隙時(shí)的氣膜周向展開模型如圖2所示。

圖2 氣膜周向展開模型

從圖2中可以看出：D為防碰撞裝置外徑，L為長(zhǎng)度，將氣膜沿防碰撞裝置周向展開，將展開后的氣膜按周向節(jié)流孔個(gè)數(shù)平均分成n塊區(qū)域，設(shè)每塊區(qū)域的寬度b為πD/n，其中氣膜厚度為hi，長(zhǎng)為L(zhǎng)，由于防碰撞裝置和U形盤在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)偏心，每塊區(qū)域的氣膜厚度hi均不一樣。

根據(jù)上述氣膜本身特征，本文建立了節(jié)流孔泄氣機(jī)理模型，如圖2(b)所示。

(1)壓縮空氣過節(jié)流孔進(jìn)入間隙氣膜后，只做一維軸向運(yùn)動(dòng)，不考慮徑向和周向運(yùn)動(dòng)的情況，且節(jié)流孔個(gè)數(shù)n值越大，根據(jù)上述計(jì)算得到的計(jì)算值越精確；

(2)對(duì)于每一份氣膜，假定節(jié)流孔處的氣膜厚度hi作為其平均厚度。

2.2 徑向承載力模型

防碰撞裝置、基盤、U形盤都是結(jié)構(gòu)對(duì)稱的回轉(zhuǎn)體，假設(shè)這3者的質(zhì)心都在同一軸線上，在工作狀態(tài)下，防碰撞裝置和基盤就不會(huì)相對(duì)于U形盤有偏心力，那么防碰撞裝置和U形盤之間的氣膜厚度是均勻的，此時(shí)不存在徑向承載力。但事實(shí)上，由于制作材料的不均勻、結(jié)構(gòu)上的誤差以及基盤、防碰撞裝置與U形盤之間不存在精確的限位，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一個(gè)偏心質(zhì)量m和偏心距e，致使氣膜的厚度不均勻，氣膜最大處hmax氣阻最小，相應(yīng)的壓力最小；氣膜最小處hmin氣阻最大，相應(yīng)的壓力最大，使得防碰撞裝置受到的氣壓合力不為零，從而產(chǎn)生一定大小的徑向承載力。這個(gè)徑向承載力就可以用以克服偏心力，使得防碰撞裝置自動(dòng)歸正，從而防止基盤與U形盤碰撞。

將上述偏心氣膜沿周向平均分成n等份，每一份氣膜產(chǎn)生的承載力為Fi，由于氣膜沿豎直方向?qū)ΨQ，則其沿水平方向的分力Fisinα將抵消，此時(shí)防碰撞裝置的承載力W為每份Fi沿豎直方向的矢量和，氣膜受力分析如圖3所示。

圖3 氣膜徑向承載力模型

由流體力學(xué)公式推導(dǎo)可知[12]，氣膜徑向壓力矢量和為：

(2)

式中：R—防碰撞裝置外徑；n—?dú)饽て骄确輸?shù)；pdi—流過每個(gè)節(jié)流孔后的氣壓氣壓值；L—?dú)饽らL(zhǎng)度；l—節(jié)流孔到氣膜端面的軸向距離；p—?dú)饽ぴ趌處的氣壓；x—軸向位移；αi—第i等份氣膜弧ab合力方向與豎直方向的夾角。

氣膜軸向的氣壓p與軸向位移x的關(guān)系為：

(3)

式中：pdi—每個(gè)節(jié)流孔后氣壓；pa—大氣壓；

p0—供氣壓力，設(shè)供氣壓力比σ=pa/p0；活塞長(zhǎng)為L(zhǎng)，直徑為D，用CW表示承載能力系數(shù)，將式(2)代入式(1)并整理得：

(4)

其中：

(5)

式中：βi=pdi/p0—節(jié)流孔后氣壓與供氣氣壓比。

pdi與氣膜厚度hi相關(guān)，偏心距e決定了每份氣膜的厚度：

hi=h0-ecosαi

(6)

通過查表可以得到βi的值，并對(duì)式(3～5)進(jìn)行推導(dǎo)，可得出氣膜承載力W與偏心距e的關(guān)系，即W=f(e)。設(shè)KW為氣膜的剛度，則：

(7)

其數(shù)值即為W-e曲線的斜率，度量了因偏心而引起的承載力變化大小。設(shè)計(jì)這個(gè)防碰撞裝置的目的就是要保證其側(cè)向承載力W與剛度KW越大越好，同時(shí)泄氣量越小越好。

3 Fluent建模仿真計(jì)算

3.1 Fluent仿真參數(shù)設(shè)置

仿真模型各參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 防碰撞裝置結(jié)構(gòu)仿真主要參數(shù)

對(duì)于防碰撞裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要需要考慮防碰撞裝置外徑D，防碰撞裝置的長(zhǎng)度L，軸向節(jié)流孔的個(gè)數(shù)n，軸向節(jié)流孔的排數(shù)m，節(jié)流孔與氣膜端面的軸向定位距離l，氣膜平均厚度h0，節(jié)流孔直徑d0等。

3.2 各區(qū)域氣膜承載力仿真

根據(jù)表1的參數(shù)計(jì)算可得每份氣膜的寬度為54.9 mm，氣膜的長(zhǎng)度為100 mm。根據(jù)公式(5)，在偏心率ε依次取0.2，0.4，0.6，0.8的情況下，計(jì)算可得不同角度區(qū)域的氣膜厚度值如表2所示。

表2 不同ε下各等份氣膜厚度hi

根據(jù)表(1,2)參數(shù)，筆者在Gambit下建立每塊區(qū)域的氣膜模型，共計(jì)48個(gè)氣膜模型，并對(duì)它們進(jìn)行網(wǎng)格劃分。當(dāng)離心率為0.2，氣膜厚度為40.1 um時(shí),對(duì)應(yīng)的氣膜網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 氣膜網(wǎng)格模型

將上述48個(gè)氣膜網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中，設(shè)置輸入壓力邊界為0.1 MPa，輸出壓力邊界為0，采用k-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬后可以得到每份氣膜i的軸向壓強(qiáng)分布曲線和每份氣膜i的承載力。當(dāng)離心率為0.2，氣膜厚度為40.1 um時(shí),軸向壓強(qiáng)分布曲線如圖5所示。

對(duì)應(yīng)偏心率(0.2～0.8)下，每塊區(qū)域中氣膜具有的承載力W1～W12如表3所示。

圖5 軸向壓強(qiáng)分布曲線

表3 不同ε下每份氣膜的承載力

表3中已列出了在不同偏心率ε下，數(shù)值模擬得到每份氣膜的承載力W1～W12，不同偏心率ε下的總承載力按下式計(jì)算：

(8)

通過計(jì)算可以得到每個(gè)偏心率下防碰撞裝置受到的總承載力如表4所示。

表4 不同ε下防碰撞裝置受到的總承載力

一般情況，防碰撞裝置和基盤根據(jù)式(1)計(jì)算得到的偏心力在幾N到幾十N之間，這個(gè)偏心力產(chǎn)生的偏心率要小于0.2，可以知道氣膜有效的避免了懸浮基盤和U形拋光盤之間的碰撞。

4 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

本研究根據(jù)以上仿真參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，得到理論計(jì)算和Fluent仿真計(jì)算的防碰撞裝置受到的總承載力與偏心率的W-ε曲線如圖6所示。

圖6 理論和仿真計(jì)算得到的W-ε曲線

從圖6中可以看出：計(jì)算值要略微大于仿真值，兩者之間的偏差在6%以內(nèi)，并且偏心率越小，理論計(jì)算值和仿真值越接近，偏差越小，計(jì)算就越準(zhǔn)確。兩者之間存在一定的偏差，其主要原因有兩點(diǎn)：

(1)理論計(jì)算假定節(jié)流孔后氣流為一維軸向?qū)恿鳎瑢?shí)際上氣體的流動(dòng)還得考慮環(huán)流效應(yīng)以及擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)于壓力分布的影響；

(2)Fluent仿真時(shí)，計(jì)算采用的是偏心氣膜厚度的平均值，而偏心率越小，則氣膜厚度就越均勻，氣膜厚度平均值與實(shí)際氣膜厚度之間誤差就越小。

4 結(jié)束語

基于氣膜周向分布模型，結(jié)合Fluent軟件，本文提出了防碰撞懸浮基盤拋光方法?；跉饽ぶ芟蚍植寄Ｐ停Y(jié)合空氣軸承的設(shè)計(jì)思路，分析得到了氣膜作用機(jī)理。

根據(jù)靜壓氣體潤(rùn)滑原理，設(shè)計(jì)了防碰撞裝置結(jié)構(gòu)，建立了防碰撞裝置的徑向承載力計(jì)算模型；同時(shí)，根據(jù)靜壓氣體潤(rùn)滑原理，并利用Fluent流體仿真軟件建立防碰撞裝置流體仿真計(jì)算模型，計(jì)算得到了防碰撞裝置沿軸向的壓力分布情況和防碰撞裝置在不同偏心率下受到的總承載力，并對(duì)比了仿真計(jì)算結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果。

結(jié)果表明：兩者偏差小于6%，說明了防碰撞懸浮基盤拋光方法能夠有效處理由于基盤碰撞引起的研磨不平穩(wěn)、基盤傾斜及卡死現(xiàn)象，以及由此引起的表面加工質(zhì)量問題。