硬脆材料水合抛光机的设计.doc

1、湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书题 目：硬脆材料水合抛光机的设计专 业：机械设计制造及其自动化学 号： 2008963129 姓 名： 贾 骁 指导教师： 周后明 完成日期： 5 月 30日 湘潭大学毕业设计说明书IIII摘要随着现代科技水平的高速发展，人们对零件精度的要求越来越严格；而且人们生活理念的不断改变，对环境的日益重视，环保作为一项广泛，深远的口号。传统抛光方法在精度上有着其天生的缺陷，化学机械抛光虽能获得更好的精度要求，但其抛光液等化学药剂对环境或多或少会产生一些污染。因此为提高加工进度，并且能符合环保这一主旨，有必要研究一种新型、绿色的抛光机制。水合抛光，综合利用了机械抛光和化学抛

2、光的优势，即保持了机械抛光的形状精度，也求得了化学抛光的无损伤加工面。关键词：精度，抛光液，绿色，环保湘潭大学毕业设计说明书IIIIIIAbstractWith the development of modern science and technology high speed development, people on the requirements of precision parts are more and more strict; and people life concept changing, growing attention on environment, enviro

3、nmental protection as an extensive, far-reaching slogan.Conventional polishing methods in terms of accuracy has its inherent defect, chemical mechanical polishing can obtain better precision, but the polishing liquid and other chemical agents in the environment more or less will cause some pollution

4、.So in order to improve the manufacturing process, and can meet the environmental protection this purpose, it is necessary to study a new, green polishing mechanism. Hydration polishing, comprehensive utilization of mechanical polishing and chemical polishing of the advantage, that maintains the mec

5、hanical polishing shape precision, also obtained the chemical polishing without damage surface processing. Key word: Precision ， Polishing liquid ，Environmental protection 湘潭大学毕业设计说明书IVIV湘潭大学毕业设计说明书I目 录摘要 Abstract 第一章 概述 11.1 课题的提出 11.1.1 课题产生的背景 11.1.2 课题的意义 21.2 国内外超精密加工技术现状分析和主要问题 21.2.1 国内外超精密加工

6、的发展趋势 21.2.2 国内外超精密加工的发展趋势 21.3 无级变速器的研究现状 31.4 毕业设计内容和要求 3第二章 无级变速总体方案 52.1 钢球长锥式（RC 型）无级变速器 52.2 钢球外锥式无级变速器 62.3 两方案的比较与选择 7第三章 钢球外锥式无级变速器部分零件的设计与计算 83.1 钢球与主、从动锥轮的计算与设计 83.2 调速蜗轮上的变速曲线槽的设计与计算 93.3 轴的设计与计算 113.4 调速机构的设计与计算 133.5 加压盘的设计与计算 14毕业设计总结 19致谢 20参考文献 25附录 翻译译文及原文 26湘潭大学毕业设计说明书 11第一章 概述1.1

7、 课题的提出随着现代科技水平的高速发展，人们对零件精度的要求越来越严格；而且人们生活理念的不断改变，对环境的日益重视，环保作为一项广泛，深远的口号。传统抛光方法在精度上有着其天生的缺陷，化学机械抛光虽能获得更好的精度要求，但其抛光液等化学药剂对环境或多或少会产生一些污染。因此为提高加工进度，并且能符合环保这一主旨，有必要研究一种新型、绿色的抛光机制。水合抛光，综合利用了机械抛光和化学抛光的优势，即保持了机械抛光的形状精度，也求得了化学抛光的无损伤加工面1.1.1 课题产生的背景以前硬脆电子功能陶瓷材料的加工基本上是利用硬质磨粒的机械压入,划刻作用为主的研磨和抛光,通常在工件表面留有加工变质层。

8、为了消除加工变质层，一般采用化学抛光和电解抛光加工，但又会造成形状精度降低。为了克服上述缺点，必须开发新的抛光法，以实现功能陶瓷的高精度高质量抛光加工。存在于两物体界面的磨损现象，以除去表面物质的形式进行，我们可以把这个磨损现象看成加工现象。如能巧妙地控制这个界面反应，把反应生成物限制在表层极微小的深度，并在不伤害母体的基础上将其从表面除去，就有可能得到目前加工所达必不到的超精密表面。利用磨料与工件摩擦界面的固相化学反应现象来进行加工，已作为各种抛光新技术的基础而引起人们的重视。在工件与磨料的摩擦界面上的机械能一部分转化为热能，使界面真实接触部位处于高温高压状态，处于这种状态的界面是不稳定的，

9、各物质之间很容易互相渗透，化合物很容易产生和分解。这种界面反应一般为机械化学反应。如果将反应生成物控制在工件表层极小的深度内，因其加工单位很小，就可以在不伤及母材情况下使其脱落，可以获得一般机械加工绝对达不到的超精密表面。这就是一边反应生成易于去除的局部软质异物，一边进行加工的界面反应抛光方法。可用于抛光加工的界面反应现象有机械化学固相反应和水合反应现象，相应的抛光方法称为机械化学抛光和水合抛光。界面反应抛光是目前功能陶瓷元器件基片精密加工的主要方法。迄今为止，对蓝宝石、水晶、硅等都表明了使用这种新方法的可能性。这些新方法与传统的抛光法相比，在加工机理上是完全不同的。由于不必使用粘弹性抛光盘而

10、使加工的平面度得以提高；由于利用了化学反应，所形成湘潭大学毕业设计说明书 22的加工变质层极小。水合抛光法的开发背景是基于磨削过程中在砂轮与工件界面上生成的化学反应。在用 Al2O3砂轮磨削软钢和石英玻璃时，在磨削后的磨粒作用面上生成有 Al2O3水合物和其他化合物，由于界面生成水合化学反应，磨粒的磨损也随着增加。Al2O3 磨粒作用面的 X 射线衍射结果表明，用 Al2O3 砂轮磨削时，在喷射水蒸气的环境条件下形成有各种 Al2O3 水合物，在 Al2O3 磨粒的化学磨损与被磨削材料发生固相反应的同时，其反应氛围，特别是水蒸气分子的作用对切削刃磨损有很大的影响。Al2O3 的水合界面反应，能

11、置换成抛光的工件材料。在抛光中的工件接触点上，可产生局部的高温高压。水分子或水蒸气分子的作用，有可能在工件表面上生成水合物。为了证明这一假设，曾在高压、水热条件下将 Al2O3与 H2O 间进行准静态水合反应试验。在 12.5kPa、25kPa 高压和水温度 150C 时，分别可发现 Al2O33H2O、Al2O 3H2O 水合物。经差示热分析仪分析，表明有 Al2O3 水合物特性的吸热反应。在 1 个大气压下约 0.2nm 的水蒸气分子有助于反应形成水合物层。 Al2O3的水合化反应初期，近似于离子与分子结合，其水合物的硬度只有 Al2O3的1/3。这时只要借助抛光盘的摩擦力，就能从结晶表面

12、上去除这些 Al2O3水合物层，在一个真实接触点，两物体擦过时的接触时间只有 1035s 左右的极短时间，如前面所述，在这个时刻内产生的水合反应层深度为十几纳米左右。因此，界面的突出部位每接触一次高度减少十几纳米左右，表面就逐渐趋向平滑。因此，这种方法可成为无加工变质层和无晶格畸变的镜面加工法。虽然 Al2O3 在常温常压下非常稳定，但是抛光加工时有可能呈现仅在高温高压下才有的水合反应现象。利用水合反应可进行 Al2O3、MgO 、Fe2O3 等的氧化物陶瓷的加工 11.1.2 课题的意义环保是当今世界的一项不变的口号，目前工业污染现象依旧极其严重，为坚持环保这一理念我们应大力倡导绿色工业。水

13、合抛光是一种利用水合反映，在工件表面生成一种水合层，再利用抛光盘的摩擦力去除这一水合层而进行的高效，精密抛光方法。水合抛光机不使用抛光液和摩粒，加工介质为水，没有化学药剂参与，因此水合抛光机，是一项绿色、高效高精的加工机器，在当今时代环保这一理念下有着其重大深远的研究意义与作用。湘潭大学毕业设计说明书 331.2 国内外超精加工技术现状分析和主要问题目前，功能陶瓷的超精加工技术处于领先地位的国家有日本、美国和英国等国家。这些国家的超精加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高。然而国外对其加工工艺始终保密。日本的功能陶瓷超精密加工技术在国际上处于领先地位，有大量的学者研究功能陶瓷的加

14、工机理和加工工艺，为功能陶瓷超精密加工的发展起到很大的促进作用。日本在用于声、光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的功能陶瓷元器件的超精密抛光技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。日本学者针对不同的工件材料采用相应的超精密抛光方法均获得了 1nm以下的表面粗糙度，接近了原子级精度，几乎没有加工变质层。近年来我国的功能陶瓷的超精密抛光技术也获得了迅猛的发展。北京机床研究所、航空机械研究所、长春光机所、哈尔滨工业大学、天津大学、清华大学、浙江工业大学、广东工业大学、西北工业大学、国防科技大学等多个单位都进行了陶瓷材料的超精密抛光技术的研究，但与发达国家相比还有一定的差距，有

15、待解决的主要问题有：（1）功能陶瓷材料的研究。国内高档的功能陶瓷元器件的材料大多从国外进口，国内生产的功能陶瓷材料存在纯度不高，一致性不佳的问题（2）加工机理的研究。国内对功能陶瓷去除机理的理论研究较少，未能形成体系。（3）加工工艺的研究。功能陶瓷种类众多，加工工艺各不相同。国内的生产企业主要依靠经验生产，缺乏进行系统的实验研究。（4）加工设备的研究。加工设备的是功能陶瓷超精密加工的基础。目前国内还没有专门用与功能陶瓷加工的设备，应开发具有自主产权的高质量、高效率、一致性好的加工的设备。（5）检测设备和检测方法。当加工精度达到 1nm以下时，如何检测局部和整体的精度，以成为加工高中的一个关键问

16、题。也是目前超精加工领域的一大难题，解决这一问题将对推动功能陶瓷的超精密加工应用起到至关重要的作用。1.2.1 国内功能陶瓷的超精密加工技术的发展趋势（1）采用软质抛光盘，如沥青、石蜡、合成树脂等弹性地夹持抛光工件，同时采用软质微细磨料,容易得到表面变质层和表面粗糙度都极小的优质表面。（2）工件与抛光盘在抛光中不发生接触，仅用抛光剂冲击工件表面，甚至进行物磨料抛光，其特点是减少被加工表面的机械损伤。湘潭大学毕业设计说明书 44（3)为提高抛光的效率和抛光表面质量，可以在抛光剂中加入一定量的化学活性物质，促进表面的界面反应，提高表面质量和抛光速度。（4）整个抛光工作在恒温液中进行，减少热变形的影

17、响，并防止空气中的尘埃或杂物混入抛光区影响加工质量，同时采取隔振，减振措施。（5）采用计算机控制和在线检测技术，提高加工精度，抛光效率以及一致性。1.2.2 国内抛光机的发展现状局限与国内水平与国外对先进技术的保密，国内大部分抛光机还停留在传统抛光方式上，如机械抛光，化学抛光等等。当然，新型抛光技术正在一步步崛起，化学机械抛光正在逐步替代传统抛光技术。在随后几年内，新型抛光技术必将取代传统抛光技术。国内有一些大型的抛光机生产厂家，如无锡宏帆抛光机机械有限公司、深圳市纳诺斯精密技术有限公司、郑州中原抛光机械总厂等等。他们在不断对国外抛光机进行深度研究的同时，开发出属于自身的创新品牌，为国内抛光机

18、水平的发展做了很大的贡献。各大研究所对超精密加工技术也在深入研究并获得了不小的成果，国内超精密加工技术水平正在日益追赶发达国家技术水平。国内超精密加工前景将是份外蓬勃。2008年浙大文东辉、邓乾发、陶黎 洪滔四人申请了水合抛光机的专利，将水合抛光正式带入了人们的眼前。水合抛光有着其重大的研究意义，开辟了抛光机的新模式。水合抛光机的高精度，无污染深度符合当今时代的主题。水合抛光的提出预示着日后的抛光机技术会朝着高效、高精、绿色环保等方面发展，这不仅对抛光机的研究有深远影响，对整个工业行业都具有重大影响。市纳诺斯精密机械技术有限公司深圳市纳诺斯精密机械技术有限公司1.3 课题的内容及：（1）通过深

19、入研究了解当前抛光机行业的发展现状水平，以及当下还存在的问题。（2）完成水合抛光机的方案设计及选型。（3）完成水合抛光机的结构设计并画出相应的装配图和主要零件图。（4）完成好相应说明书的撰写。相关参考文献：湘潭大学毕业设计说明书 551 于思远，林彬. 工程陶瓷材料的加工技术及其应用M . 北京：机械工业出版社,2008.第二章 方案设计 传动装置是大多数机器或机组的主要组成部分。实践证明，传动装置在整台机器的质量和成本中都占有很大的比例。机器的工作性能和运转费用也在很大程度上取决于传动装置的优劣。因此，合理的传动方案设计有着其重大的作用及意义。选着传动类型时所依据的主要指标是：效率高，外廓尺

20、寸小，质量小，运动性能良好及符合生产条件成本等。下面列举两种最优传动方案。2.1 方案一此方案是浙大四名研究生所选的设计传动方案。方案如下一种水合抛光机，其主要机构包括机座、主轴电机、主轴、抛光盘、真空吸盘和吸盘电机，主轴电机与主轴传动连接，主轴安装在机座内，主轴的上端与抛光盘传动连接，真空吸盘位于抛光盘的上方，真空吸盘与吸盘电机传动连接，该种水合抛光机还包括蒸气发生器、输气管和基盘，蒸气发生器的出口连接输气管，主轴内部设有通孔，输气管自下而上贯串通孔，主轴的上端与基盘的中心固接，基盘上部与抛光盘固接，基盘和抛光盘之间没有过渡空腔，输气管穿过基盘与过渡空腔连通，过渡空腔的底部设有排水管，抛光盘

21、上有通孔。作为优选方案的一种，在基盘上安装用于对水蒸气进行加热的温控系统。进一步在基盘的底部呈倾斜状，排水管安装在所述基盘最低处。更进一步，在通孔内设有保温石棉瓦，保温石棉瓦包装在输气管外。蒸汽发生器包括水溶液储液罐、水蒸气发生装置和用于蒸气输出的泵，泵的输出端与输气管连通。主轴电机的输出轴设有主动轮，通过皮带与从动轮连接，从动轮安装在主轴的底端该水合抛光机还包括机盖，机盖与机座固定密封连接。该发明的技术构思为：综合利用机械抛光和化学抛光的优势，抛光时，即保持了机械抛光的形状精度，又保持了化学抛光的无损伤加工面，基于这种思想，提供一种能够实现高亮度 LED 蓝宝石晶圆的混合汽体化学液辅助高温水蒸汽状态下具有微量加工特性的水合抛光机。