对部分由合金钢构成的雕塑表面非传统研磨的研究 - 图文

对部分由合金钢构成的雕塑表面非传统研磨的研究 罗伯特●地纳入维斯基 博格丹●诺维奇

华沙理工大学，UL认证 86，02-524，波兰华沙 摘要

像冲压模具、螺旋桨、螺旋桨推进器等这些自由曲面的光整通常是手工或是由装配有专用机器机头的机器人来完成的。作者曾详细阐述过非传统研磨(NH)的方法，该方法能够使需要形成轮廓和光整的曲面可以在同一机床或机器人上加工。该磨料工具有四个自由度，它们是富有弹性地压在表面上。能够允许加工的零件最小曲率半径是100mm。这是2001年埃尔赛威尔科技有限公司的版权所有。

关键词：非传统研磨 合金钢 机器人

加工自由曲面特别是像汽车外壳的冲压模具、螺旋桨推进器这些大型的机械零部件，这是其中一个突出的技术难题和组织任务之一。[1-3]

这是由于生产的独特性质和下列原因区分的: ●技术设备成本高，包括成形和光整的因素， ●光整加工、高技能工具操作者的紧缺，

●大型工件光整耗时特性（从几个工时到数百个工时不等） ●工件的加工需要特别高的成本，像一些因素和许多小批量生产 磨料光整可以应用在帮助特殊技术装备或高硬度的机器人上，机械加工成本因此将大大地提高，一些制造企业能够满足这样的要求如设备的能力是有限的。

注塑模具对表面粗糙度的要求（即Ra参数）是Ra=0.01-0.1μm冲压模具的粗糙度为Ra=0.6-1.2μm，螺旋桨推进器的粗糙度为Ra=1.2-2.5μm。这些表面通常是通过数控机床加工、通过实时跟踪、通过电火花加工（EDM）电化学加工（ECM）成形的（表1）。所需的精度准确性是通过对五轴加工数控机床的控制来得到的，当然，磨料研磨机仅适用于去除加工痕迹和获得适当的表面光洁度。

在制造过程中光整加工是最耗时的操作过程，其加工时间依赖于应用工具、零件的复杂性、加工材料的性能以及从零点几秒到几小时每平方分米的变化[2,7,8]。大型冲压模具和螺旋桨推进器的光整需要几天到一个或是好几个月来完成。

如果我们假设制造大型冲压模具总的加工时间是1000-3000个工作小时，而在日本、美国和德国光整过程的加工时间占了总加工时间的37%-42%[5-8]，而在波兰该加工占了超过50%的总加工时间[5,6,9,10]。

工程制造研究所，WUT一直在寻找解决这个问题的普遍和有效的方法。最后一个新的自由表面的光整加工方法被详细阐述，这就是所谓的非传统研磨（NH）。

作者研究并发展这个新NH方法[4-9]，它是基于自动化分析情况下和在现存的方法形成的，这种加工方法的运动学图表详见图1。这个研磨轴有三到四个自由度与加工刀头相联系，它们可以绕着A、B、C轴转动，它们可以沿着Z轴上下移动。通过气动系统来确保接触压力对表面产生足够的压力。当加工工件是在X、Y、Z轴移动时，研磨轴会和加工头和心轴一起旋转。在铣削机床上加工可以完成2.5,3或是5轴控制以及可以帮助机器人。部分程序则控制着刀头的直线移动。

对于大曲率半径的表面而言，当末端位置的表面点比活塞行程的机器头小的时候，这个光整机器可以作为传统的铣床来使用。

表1. 自由曲面的加工方法和装备（下图）

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轮廓 磨齿 加工 珩磨 机械 珩磨

数控铣床 示踪铣床 电化学加工 电火化加工 电镀 塑性成形 铸造 用安装好的研磨点研磨 带式研磨或研磨 研磨 非传统研磨方法（NH） 用粘结铁的合金钢合金加工 便携式或电动式压缩空气式研磨盘 特殊制造的工作台或机器人 机械手或机器人（特殊的） 机械手式或数控机器人或示踪铣床机床 机械手或机器人 机械研磨 抛光机 超精磨 电研磨 2

图1. 非传统加工方法(NH) 研磨头图解（上图）

几个同时工作的磨料工具和高速旋转地应用可以高效的去除材料。由于有这个研磨轴地旋转运动，因此磨料工具有较好的自锐性。自由曲面其表面的加工采用NH方法应当考虑到这个方法特殊的特征以及尤其是下面的一些内容：

●在加工表面上分布着密度不均匀的磨粒颗粒的痕迹 和

●磨削力的变化影响被加工表面曲率的结果和研磨工具的旋转运动。

磨料纹理轨道的轨迹与被加工表面的关系见图2。被加工面的横截面积见图3，该面积的宽度和机头轴与研磨轴的距离相似，都是两倍的间距。不同的是在于会影响加工表面上可能分布的轨迹密度以及会影响在去除率上的位置方向角度。假设连续加工路径相切，那么被加工件的表面形状也许将有超过5-10μm的精度误差。

图2.加工表面上磨料纹理的轨道 加工参数：ν=0.262m/s,vf=3.4x10ˉ3 m/s,R=0.026m.

图3.加工前（上形）和加工后（下形）凹曲面的宏观形貌曲线分析比较

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如果我们允许重复加工这个加工路径，这个 表面尺寸粗糙度将会降低，凹表面形状的宏观轮廓 经过铣削加工要优于机械加工，加工之后的形状曲 线见图3，铣削的轨迹的移动没有改变表面的形状。

在加工表面时研磨轴上的力地运用受临时曲 率半径、活塞在活塞缸内的压力、弹簧反应等的影 响。图4说明了在平坦、凹以及凸表面各类型下研 磨轴和加工表面的接触情况。

研磨轴和凸加工表面的接触式准线性的以及 接触线是平行于加工表面的母线（图5），这种接 触常常是准线性以及方向是和表面母线垂直的。在 自由曲面情况下该接触是准点状态，而对于平坦 表面的加工而言，研磨棒和加工表面的接触是以 全平面的形式相互接触的。

图4.研磨轴和加工表面接触情况

图5.当加工频率ω=51.31sˉ1，压力p=245162.5Pa和加工表面曲率半径

κ=400mm时在凹表面研磨轴传统力的运用其改变情况

事实上，对于大型表面是用相对大直径的研磨头（图1a），而对于小型表面研磨头是建议用在如图1b所示的零件上。加工工件的角落和难以进入接触的位置是难以加工得到所需的要求，这些地方和边缘以及角落的加工一样都是通过传统研磨的方式来完成的。直径是100mm的研磨头和活塞行程为25mm时将能加工曲率半径R>100mm的曲面。

加工后的结果是受几个因素的影响，最重要的几条是如下： ●运动学参数。即：转速（v）和加工紧进给速度（vf），研磨轴将负载（p）施加到加工表面

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上。

●研磨工具（研磨磨粒的成分是Al2O3，粘合剂，砂粒型号（Z），硬度（h）和磨料轴的结构）。 ●磨削液的类型和磨削液进入加工区域的方式以及其流量。 Z干扰因素 V, Vf 运动学 表面层：Ra，δ,μ,HV 类型，结构，硬度 磨削液 粘结剂 研磨棒 类型，砂粒型号，力的水平 负载 压力 X NH 过程 Y 材料去除率 研磨轴磨损 宏观几何形状 其它 W 加工刀具 研磨头 S 常数 图6.NH加工方法研究图示

加工后的结果可以用以下标准来评估： ●去除率是通过平均每分钟Q（mm3/min）材料去除量和每分钟加工量Q1（dm2/min），来精确的确定的。

●表面粗糙度（Ra，Rm，Δq，Sm，tp），残余应力的水平，表面层硬化材料应变的水平。 ●几何表面定义为加工后的宏观形状偏差与加工之前偏差的比较和 ●研磨轴的损耗q（mm3/min）。

曾经早已对平面、凹表面和凸表面做过研究，根据实验设计的规则（延长五个额外的实验，五级复合设计为四个独立的变量）。 以下的参数已被假定为常量：

●材料经过加工：合金钢NC6-典型冲压模具。

●研磨磨具的珩磨条：研磨轴是由陶瓷粘合剂融入到氧化铝构成的。 ●磨削液：25%是由符合油掺在煤油中所解决的。 ●进给率：85mm/min和 ●加工通过工件件数：2个

计算值的独立变量的总结见表2，通过在对35个实验进行对每个类型的表面的研究，回归方程得以确定下来。

表2.独立变量的实际值和区位值（下表）

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