光学球罩真空吸附装夹结构设计.pdf
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1、度不高、难以装夹形状复杂的工件且装夹效率较低 。使用卡盘式夹具因夹持的接触面较小,工件易造成较大的应力集中,使其发生较大变形。当待加工零件为脆性材料时,在加工过程中易发生破碎,良品率降低。胶粘法适用于形状复杂及薄板类工件的装夹。运用胶粘法固定零件,需选用合适的胶粘剂进行人工粘结,在解胶过程需要使用相关化学试剂并加热到一定温度,易对待加工零件造成影响。另外,使用胶粘法时光学元件中心线与机床转轴中心对准相对困难,在批量生产及自动化生产中大大降低了生产效率 。因此胶粘法在工业大批量生产中应用较少,主要应用于单件或小批量生产。真空夹持技术具有高效率、无污染和易操作等优点,并且对于球罩类的薄壁零件有较强
2、的支撑保护作用,能避免加工过程中零件的损坏 。因此基于真空夹持技术的优点,课题组设计了一套应用真空夹持技术的转台以提高球罩类零件的加工效率。课题组还结合有限元仿真技术对装夹模型的磨削力、真空负压和加工位置等进行了研究,分析各因素对模型变形量的影响。真空吸附转台的设计 球罩加工形式针对球罩内外表面的磨削及抛光,采用“转动 摆动 微量进给”的加工工艺,球罩内外表面的加工示意图如图 所示。加工过程中有 种运动形式:)抛光头由电机带动绕自身轴线以 的转速转动;)球罩装夹在转台上绕自身轴线以 的转速转动;)球罩绕摆动中心以 的角速度摆动,摆动中心为球罩的球心,摆动幅度为 ;)抛光头由伺服电机控制丝杆沿轴
3、线方向微量进给。采用这种加工方式是为了提高球罩工件的加工精度,在加工过程中需保证球罩和抛光头的中心轴的交点与摆动中心重合,因此在加工过程中需要控制结构的变形量 。图 机构加工示意图 真空吸附转台设计要求真空吸附转台技术要求为:)转台主轴可以 连续旋转,最大转速为 ;)转台的最大负载质量为 ,转台可在 之间摆动,轴系组件在摆动过程中能保证回转精度;)转台上可以安装不同尺寸的内、外装夹头,在加工过程中保证装夹的稳定性,不会出现滑移。真空装夹头如图 所示。图 真空装夹头 轻工机械 年第期 直驱式真空吸附转台设计直驱式真空吸附转台结构如图 所示。转台、连接轴和转轴相互连接构成了转台的主轴。定子安装在壳
4、体上,力矩电机(选用高性能无框力矩电机进行直驱,去掉中间传动环节,精度更高、结构更紧凑。)的定子和转子之间产生足够的扭矩,使得电机带动转子转动,转子又带动转轴旋转,即主轴旋转,达到了转台转动的目的。在转台上安装装夹头,用于装夹待加工球罩。装夹头、转台、连接轴和转轴采用中空的设计,使中空部分作为真空通道。与转台底部螺栓连接的气动旋转接头连接真空管,加工时设定适当的真空度可将球罩吸附在装夹头上,配合抛光头完成内外球面的磨削及抛光工作。图 直驱式真空吸附转台结构 球罩真空吸附力理论计算 真空吸附力计算在实际加工中需考虑装夹对球罩的变形以及吸附可靠性的影响,因此需要建立合理的力学模型确定吸附力的大小。
5、在工件与装夹头的真空通道形成的密封容积内,通过真空发生器抽出一定量的气体,产生真空负压 ,进而产生的等效吸附力为 :。()式中:为有效真空吸取力系数,单吸口取 ;为真空表压值,;为吸口的有效工作面积,;为吸附时的安全系数,水平装夹时 ,竖直装夹时 ;为换算系数,当 ,和 单位分别为 ,和 时,取值为 。球罩吸附在装夹头上绕球心摆动,当摆动到水平位置时取 ,吸口的有效工作面积 ,根据式(),真空负压的设定范围为:。()当球罩材质为蓝宝石时,球罩质量为 ,则重力 。在初设真空负压 时,可等效为 倍球罩重力 ,因此 。将 值代入式(),可知 ,初步设定真空负压为 。球罩受力状态分析在球罩磨削和抛光过
6、程中,若球罩在装夹过程中发生滑移,不仅会影响加工的质量,严重还会造成球罩破碎。为保证球罩与装夹头能紧密吸附并在加工过程中不会发生滑移,球罩与装夹头接触部分产生的摩擦力 必须大于安全系数 与磨削力 的乘积。而摩擦力的大小与工件接触支承力 有直接关系,球罩所获得的支承力越大,则摩擦力越大。球罩的径向磨削力 与摩擦力 之间的关系为:。()式中:为装夹头与球罩之间的摩擦因数;为球罩所受的支承力;为安全系数,取值为 。由式()可得:。()为了方便分析,通常把磨削力分解成 个相互垂直的分力:工件的切向磨削力、法向力 和轴向磨削力。轴向磨削力 较小,可以忽略不计 。磨削力计算的经验公式为:,()。()式中:
7、为单位宽度切向磨削力,;为单位宽度径向磨削力,;为砂轮线速度,;为工件进给速度,;为磨削深度,。从式()和()可知:和 与 和 成正比,与 成反比。因此,在设计时应选取较小砂轮线速度 新设备新材料新方法李震,等:光学球罩真空吸附装夹结构设计和较大工件进给速度计算磨削力。与精磨和抛光相比,粗磨过程中的进给量大、材料去除率高,因此磨削力更大,引起的变形量更大。在粗磨时抛光头的转速 为 ,工件进给速度 为 ,磨削深度 为 。当 为 、为 和为 时,磨削力最大。由式()和()可得:,。砂轮宽度 ,可得:,。球罩装夹受力分析如图 所示,为球罩的外径,真空负压在球罩微元段竖直方向上的力为:。()可得真空负
8、压在整个球罩竖直方向上的力为:。()图 球罩装夹受力分析 当 、时,由式()可知吸附力产生的轴向力 。装夹头表面吸附通道面积约为装夹头接触面积的 ,实际的真空吸附力产生的轴向力 。装夹头在只受真空吸附力时,对球罩的支撑力为:。()由式()和()可知:。()在仅考虑真空吸附力的情况下,当待加工球罩与装夹头之间的摩擦因数大于 的时候,加工过程中球罩不会发生滑移。金属材料与硬脆材料之间的摩擦因数为 ,因此当真空负压为 时,在加工过程中不会发生滑移而影响加工精度。有限元仿真分析 装夹吸附模型静力学的仿真分析根据球罩与装夹头的装配关系,采用有限元软件 建立球罩 装夹头的真空吸附模型。某型号蓝宝石球罩模型
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