（机械电子工程专业论文）模具自由曲面气囊抛光机理及工艺研究.pdf

模具自由曲面气囊抛光机理及工艺研究摘要模具是制造业发展的重要基础，在机械、电子、汽车、轻工、建材和国防等领域具有广泛的应用前景。抛光是模具制造的重要工序，对确保模具质量和提高其使用寿命有重要作用。模具型腔6 5 是曲面，其中4 0 是自由曲面。目前，模具自由曲面抛光主要采用手工操作，生产效率低，且难以保证稳定的抛光质量。本文针对实现模具自由曲面自动化抛光这一难点和热点问题，结合国家自然科学基金项目( n o 5 0 5 7 5 2 0 8 ) 的研究，提出一种基于气囊抛光工具的模具自由曲面机器人辅助气囊抛光新技术。该技术基于气囊抛光工具柔性在线可控并与模具自由曲面实现顺从接触和机器人对抛光工具的姿态和抛光路径控制，保证了对自由曲面的局部面形修正精度和表面质量，实现了模具自由曲面高效、精密、自动化抛光。本文的主要工作如下：1 ) 对橡胶材料的力学性能和本构模型进行了研究，通过橡胶材料特性试验，确定了气囊橡胶材料本构模型的特性参数；对不同结构尺寸和邵氏硬度的橡胶气囊进行了抛光接触力研究和气囊优选，基于优选结果，建立了橡胶气囊接触力与下压量和充气压力的关系模型，并进行了实验验证；应用有限元分析和应变测量技术研究了气囊抛光工具的抛光接触力，通过对抛光工具连接架的有限元分析，确定了最大应变位置，并建立了最大应变位置处的应变与气囊所受接触力之间的关系模型，通过应变片测量实现了气囊接触力的在线监测，实验结果表明理论模型与实测结果吻合良好。2 ) 针对气囊抛光技术涉及的加工机理、几何形状修正机理和曲面光整加工机理进行了研究。对气囊抛光接触区的形状、工具转速、气囊压力与材料去除率之间的关系进行了理论分析，揭示了气囊大变形条件下接触区压力分布规律，建立了接触压力模型。基于接触力学和磨损理论，建立了气囊抛光材料去除模型，为深入研究气囊抛光材料去除机理和抛光工艺参数优化提供了理论依据。3 ) 通过抛光性能对比实验，确定了棉纤维抛光布作为气囊抛光工具的表面包覆材料；分析了各抛光工艺参数对实现模具表面位形修正和光整加工效果的影响，确定了工艺参数的灵敏度排序和最优工艺参数组合；提出一种应用于气囊抛光双目标工艺参数优化及加工i结果预测的方法，实现了确保材料去除率和表面粗糙度两项工艺指标情况下对气囊抛光工艺参数的优化组合，并得到加工效果的预测结果，实验验证了预测结果的准确性。4 ) 基于气囊柔性在线可控和自动化抛光的需求，完成了气囊抛光工具的设计，建立了气囊抛光实验系统，在该实验系统上实现了对模具平面和自由曲面的高效、精密、自动化抛光，获得了良好的抛光效果。提出了一种能快速提高模具表面质量的气囊压力脉动抛光方法，并通过实验验证了该方法的有效性。本文研究成果对于推进模具自由曲面精密、高效、自动化抛光技术的发展具有一定的理论指导意义和技术借鉴价值。关键词：模具，气囊抛光，自由曲面，材料去除，表面质量本博士学位论文受国家自然科学基金项目f n o 5 0 5 7 5 2 0 8 ) ，国家自然科学基金重点项目( n o 5 0 5 3 5 0 4 0 ) ，浙江省自然科学基金项目f n o m 5 0 3 0 9 9 ) 币d 浙江省科技厅重点科研工业项目f n o 2 0 0 6 c 2 1 0 4 1 ) 的资助。g a s b a gp o l l s h i n gm e c h a n i s ma n dp r o c e s so nf r e e f o r ms u r f a c em o u l da b s t r a c tm o u l di sa l li m p o r t a n tb a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n dh a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h ef i e l d so fm a c h i n e r y ，e l e c t r o n i c s ，a u t o m o b i l e s ，l i g h ti n d u s t r y ，b u i l d i n gm a t e r i a l sa n dn a t i o n a ld e f e n s e p o l i s h i n gi sas i g n i f i c a n tp r o c e s sf o rm o u l dm a n u f a c t u r i n g ，t h u sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ne n s u r i n gt h em o u l dq u a l i t ya n di m p r o v i n gi t ss e r v i c el i f e 6 5 o ft h em o u l dc a v i t yi sm a d eu po fc u r v e ds u r f a c e 4 0 o fw h i c hi sf r e e - f o r ms u r f a c e a tp r e s e n t ，p o l i s h i n gf r e e - f o r ms u r f a c em o u l di sm a i n l ym a n u a lw i t hl o wp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n du n s t a b l ep o l i s h i n gq u a l i t y f o c u s i n go nt h ec i h xa n dh o tt o p i co fp o l i s h i n gf r e e - f o r ms u r f a c em o u l da n dc o m b i n gt h er e s e a r c hs u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 0 5 7 5 2 0 8 ) ，an o v e lr o b o t a s s i s t e dg a s b a gp o l i s h i n gt e c h n i q u ei sp r o p o s e db a s e do nt h eg a s b a gp o l i s h i n gt 0 0 1 t h i sk i n do ft e c h n i q u ei sb a s e do nt h eo n l i n ec o n t r o l l a b l ef l e x i b i l i t y ，c o m p l i a n tc o n t a c t ，p o s ec o n t r o la n dp a t hp l a n n i n g ，w h i c hg u a r a n t e e st h el o c a ls u r f a c es h a p ea m e n d m e n tp r e c i s i o na n dt h eq u a l i t yo ff r e e f o r ms u r f a c e ，a n dr e a l i z e st h ee f f i c i e n c y ，a c c u r a c ya n da u t o m a t i o no fp o l i s h i n g m a i nw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni ss h o w na sf o l l o w s ：1 、m a t e r i a lm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n dc o n s t i t u t i v em o d e lo fr u b b e ri ss t u d i e d t h r o u g ht h em e a s u r e m e n t so fm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fr u b b e r ，t h ep a r a m e t e r so fc o n s t i t u t i v em o d e la r ed e t e r m i n e d t h ep o l i s h i n gc o n t a c tf o r c ew i t hd i f f e r e n tp h y s i c a ld i m e n s i o n sa n ds h o r eh a r d n e s si sr e s e a r c h e da n dt h eg a s b a gi so p t i m i z e d b a s e do nt h eo p t i m i z a t i o no u t c o m e ，t h ep o l i s h i n gc o n t a c tf o r c ee x p r e s s i o nc o n n e c t e db yd o w n w a r dd e p t ha n di n f l a t i o np r e s s u r eo fr u b b e rg a s b a gi se s t a b l i s h e dw i t he x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o da n ds t r a i nm e a s u r i n gt e c h n i q u ea r eu t i l i z e dt os t u d yt h ep o l i s h i n gc o n t a c tf o r c eo fg a s b a gp o l i s h i n gt 0 0 1 f o c u s i n go nt h el i n ks p a no fg a s b a gp o l i s h i n gt o o l ，t h em a xs t r a i np o s i t i o ni sd e t e r m i n e d t h er e l a t i o n a lm o d e lb e t w e e nm a xs t r a i np o s i t i o na n dp o l i s h i n gc o n t a c tf o r c ei se s t a b l i s h e d i tp r o v i d e sac r i t i c a lg u a r a n t e ef o rt h eo n - l i n ec o n t r o lo fp o l i s h i n gc o n t a c tf o r c ew i t hs t r a i nm e a s u r e m e n t e x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e st h a tm e a s u r e dr e s u l ti sa g r e e dw i t ht h e o r e t i c a lm o d e 2 ) m e c h a n i s mo ff m i s h i n g ，g e o m e t r i c a ls h a p ea m e n d m e n ta n dc u r v e ds u r f a c ef i n i s h i n gi ss t u d i e d t h e o r e t i c a la n a l y s i si sc a r r i e do u tf o rt h es h a p e ，v e l o c i t y ，g a s b a gp r e s s u r ea n dm a t e r i a lr e m o v a lr a t e t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o nd i s c i p l i n eo fc o n t a c ta r e au n d e rl a r g ed e f l e c t i o no fr u b b e rg a s b a gi sr e v e a l e da n di t sm o d e li se s t a b l i s h e d b a s e do nc o n t a c tm e c h a n i c sa n dt h e o r yo fw e a r ，t h em o d e lo fg a s b a gp o l i s h i n gm a t e r i a lr e m o v a li se s t a b l i s h e d ，w h i c hi sag o o dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ho fm a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s ma n dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n 3 ) t h r o u g hp o l i s h i n gp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o ne x p e r i m e n t ，t h ec o t t o nf i b e rp o l i s h i n gc l o t hi sa d o p t e da st h ec o a t e dm a t e r i a lo fg a s b a gp o l i s h i n gt 0 0 1 t h ec o n f i g u r a t i o na m e n d m e n ta n df i n i s h i n ge f f e c ti n f l u e n c e db ye a c hp o l i s h i n gp a r a m e t e ri sa n a l y z e d t h es e n s i t i v i t ys o r t i n ga n do p t i m u mc o m b i n a t i o no fp o l i s h i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d am e t h o do fb i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r sa n df o r e c a s t i n go fp r o c e s s i n gr e s u l t si sp r o p o s e d t h eo p t i m u mc o m b i n a t i o ni sd e t e r m i n e dt oe n s u r em a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n ds u r f a c er o u g h n e s sa n dt h ef o r e c a s t i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e d e x p e r i m e n tv e r i f i e st h ea c c u r a c yo ft h ep r e d i c t i o nr e s u l t s 4 ) b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fg a s b a go n - l i n ea d j u s t a b l ef l e x i b i l i t ya n da u t o m a t i cp o l i s h i n g ，t h eg a s b a gp o l i s h i n gt o o li sd e s i g n e da n dt h eg a s b a gp o l i s h i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mi se s t a b l i s h e d ，o nw h i c h ，t h ep o l i s h i n go nb o t hf i a ta n df r e e f o r ms u r f a c em o u l d si sr e a l i z i e da n dag o o dp o l i s h i n ge f f e c ti so b t a i n e d ag a s b a gp r e s s u r ep u l s a t i o np o l i s h i n gm e t h o dw h i c hc a ni m p r o v et h em o u l ds u r f a c eq u a l i t yr a p i d l yi sp r o p o s e da n dt h ee x p e r i m e n tv a l i d a t e st h ee f f e c t i v e n e s so ft h i sm e t h o d t h i sd i s s e r t a t i o nh a ss o m es i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dt e c h n i c a lr e f e r e n c ev a l u ef o rp r o p e l l i n gt h ed e v e l o p m e n to fp o l i s h i n gt e c h n o l o g yw i t hh i g hl e v e lo fe f f i c i e n c y , a c c u r a c ya n da u t o m a t i o nf o rf r e e f o r ms u r f a c em o u l d k e yw o r d s ：m o u l d ，g a s b a gp o l i s h i n g ，f r e e - f o r ms u r f a c e ，m a t e r i a lr e m o v a l ，s u r f a c eq u a l i t yt h i sd o c t o r a ld i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a( n o 5 0 5 7 5 2 0 8 ) ，k e ya r o j e c to fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 0 5 3 5 0 4 0 ) ，z h e j i a n gp r o v i n c en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( n o m 5 0 3 0 9 9 ) a n dk e ys c i e n t i f i cr e s e a r c hp l a n n i n go fo f f i c eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fz h e ji a n gp r o v i n c e ( n o 2 0 0 6 c 210 41 ) 浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：屋明日期：山干年l a 月支5 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 、保密口，在年解密后适用本授权书。2 、不保密阢( 请在以上相应方框内打“”)作者签名：履峭足日期：山j 7 年n 月& 7 日剔磁各) 印仰醐夕引硼硼浙江t 业大学博十学位论文第1 章绪论1 1 论文研究背景及研究意义模具是制造业发展的基础，其使用量大，影响面广，是高新技术产业发展的重要保证。随着世界经济一体化进程的不断推进和我国经济的快速发展，模具在机械、电子、汽车、轻工、建材和国防等领域的作用日益凸显，地位越来越重要，需求也不断扩大，具有广阔的发展前景。抛光是模具制造过程中的最后一道工序，耗时约占整个模具制造时间的5 0 ，对模具质量的保证以及使用寿命的提高起着至关重要的作用。模具型腔6 5 是曲面，其中4 0 是自由曲面。目前，模具自由曲面的抛光大量采用手工操作，生产效率低，并且抛光质量难以稳定，影响我国模具产业的发展。对于不同材料和加工精度，需要有不同的抛光原理和方法与之相适应。气囊抛光技术是英国伦敦光学实验室和z e e k o 公司的d d w a l k e r 等人于2 0 0 0 年提出的一种新型抛光方法，并应用于回转对称型光学曲面器件的表面抛光加工，最大被抛光光学镜面的直径可达2 3 m ，该技术已成功应用于e u r 0 5 0 大型天文望远镜工程。气囊抛光技术根据被抛光曲面的局部曲率，通过柔性气囊使抛光工具与被抛光曲面保持良好的接触吻合度，是至今所发现的少数可成功用于自由曲面自动化抛光的先进技术之一，十分适合与机器人等自动化机械配合使用，实现自由曲面的自动化抛光。本文依托国家自然科学基金项目“非一致曲率接触变形下的磨粒场形态与模具曲面的气囊抛光机理研究”( n o 5 0 5 7 5 2 0 8 ) ，提出一种基于气囊抛光工具实现模具表面精密、高效、自动化抛光的新技术，并就其抛光机理和加工工艺开展研究。该新型自动化抛光技术通过气囊柔性的实时调控、材料的稳定去除和机器人的位姿控制，保证了光整加工能力和局部面形修正精度。本文主要研究内容涉及橡胶气囊的材料特性，气囊接触力与下压量和充气压力的关系模型，气囊抛光材料去除机理，针对确保面形精度和表面粗糙度双目标的工艺参数优化及加工结果预测方法，气囊抛光实验系统和气囊抛光工艺实验等。本文研究成果对于推进模具自由曲面精密、高效、自动化抛光技术的发展具有一定的理论指导意义，对于推广气囊抛光技术在模具加工领域的应用，具有一定的技术借鉴价值。一1 一浙江工业大学博十学位论文1 2 抛光技术及模具自由曲面自动化抛光方法的研究现状1 2 1 抛光技术抛光加工通常是指利用微细磨粒的机械作用和化学作用，在软质抛光工具或化学加工液、电磁场等辅助作用下，为获得光滑或超光滑表面，减小或完全消除加工变质层，从而获得高表面质量的加工方法【1 1 。抛光的主要目的是去除前道工序的加工痕迹，在保证面形精度的前提下，改善其表面粗糙度，获得光亮、光滑的表面。通过抛光加工，可以使模具的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度达到规定的技术指标。模具抛光加工质量直接影响模具的耐磨性、疲劳强度、耐蚀性及其加工零件的质量。衡量模具优劣的主要技术指标是表面粗糙度，该指标对模具本身的附加值和使用寿命都有至关重要的影响。一般情况下，模具表面粗糙度改善一级，其使用寿命可提高5 0 。针对精密、高效、自动化抛光技术，国内外已有一些学者进行了相关研究，部分成果已得到产业化 2 。1 1 1 。机械抛光是传统的抛光方法，也是模具抛光的常用方法，主要以手工和半自动操作方式进行。化学机械抛光是目前发展最为成熟、应用面最广的一种抛光技术，通过化学和机械的共同作用完成对材料的高效去除，最终获得超精密、光滑的表面。超声波抛光午要应用于小孔等小面积的抛光件表面，可与化学、电火花、电化学等抛光方法相结合，形成复合式抛光技术。流体抛光依靠高速流动的液体及其携带的磨粒冲刷抛光件表面，以达到较好抛光效果，其典型代表是磨料流加工和磨料喷射加工。非接触抛光依靠微细粒子作用于抛光件表面，使被加工面获得完美结晶性和精确形状的一种加工技术，弹性发射加工、动压浮离抛光、浮法抛光和水合抛光等方法是该技术的主要代表。磁场辅助抛光是利用稳定磁场或可变磁场控制磨粒对抛光件进行加工的抛光方法，该方法有很多分支，包括磁性磨粒加工、磁浮置抛光、磁流变抛光、磁性磨料流抛光、磁流变磨料流抛光等。其他，如化学抛光、电化学抛光、低温抛光、应力盘抛光、电子束抛光、离子束抛光和激光抛光等抛光技术也得到了很好的研究和应用。目前，针对模具自由曲面的自动化抛光技术研究还比较薄弱，模具曲面还主要是依靠手工抛光，生产效率低、劳动强度大、质量不稳定。现有的抛光方法，对于复杂自由曲面抛光，许多凶接触碰撞、局部能量聚集、曲面适应性差等原因，容易使抛光件表面出现微细凹坑现象，难以满足模具表面精密加工的要求。因此，模具自由曲面自动化抛光成为了一个热点课题，受国内外学者的广泛关注，研究和开发具有自动化、精密化、智能化、柔性化特征的模具抛光技术是重要发展方向和趋势。柔性抛光的基本思想和目标是：抛光工具与模具之间为顺从性接触抛光或实现无工具浙江工业大学博士学位论文化抛光，通过自动化技术更好地调控抛光接触力、稳定抛光工艺过程，实现高效、优质、稳定的抛光质量。关于柔性、自动化抛光技术的实现方案主要有以下两类：1 ) 抛光工具接触端采用软质材料或其自身结构采用柔性设计的柔性、自动化抛光技术。c hl i u 等人【1 4 设计了一个含有线性弹簧的顺从式工具架，并建立相应的自动化抛光系统，如图1 1 所示。该系统通过增强工具架的顺从度，即改变接触柔度，能减小模具的表面粗糙度。在一定限度内，抛光力和表面租糙度值随弹性常数的增加而减小。镧三匕掣叫图i - !自动化抛光系统和顺从式工具架”ay 等人【i ”设计和开发了一种基于抛光压力和速度稳定模型，由计算机控制的模具抛光机床。抛光工具的核心部分采用柔性橡胶抛光基材，其外侧包裹尼龙织物，在抛光过程中能提供有效的缓振作用。抛光机床及抛光工具如图l - 2 所示，该抛光工具为本文的气囊抛光工具设计工作提供了一定的参考价值。bsr y i l h 等人【1 4 1 建立了一个由六自由度机器人和气动型抛光工具( 前端嵌有聚氨酯橡胶) 等组成，具有工具自动转位装置和集成式软件控制功能的机器人自动化模具抛光系统，如图l - 3 所示。幽1 0 计算机控制抛光机床和抛光1 = 具崮1 - 3 机器人自动化抛光系统和气动型抛光工具广东工业大学魏昕等人【i ”对化学机械抛光中的抛光垫性能进行总结和研究，认为抛光垫硬度决定其保持形状精度的能力，使用软质的抛光垫能获得加工变质层和表面粗糙度都很小的抛光表面；i 刊时，抛光垫的可压缩性决定其与工件表面的贴台程度。清华大学成晔团队【吲开发一种新型的适用于普通数控机床的，应用于大面积、曲率变化不大的自由曲面模具加工的自动化研磨抛光工具系统。其中，研抛工具的工具头基体采用弹性材料( 如聚胺酯橡胶】，以便能够贴合在自由曲面表面上。l 枷 ，该团队【1 1 又进一步对抛光轮和抛光装置一浙江工业大学博士学位论文进行柔性设计，使得与普通数控机床相联的抛光工具能随着模具表面形貌的变化作出一定范围内的姿态调节，从而保证抛光过程的一致性，获得均匀的抛光效果，柔性数控抛光装置如图l - 4 所示。华中科技大学张海鸥团队【1 8 】建立了一种面向快速制造金属模具，基于游离磨料和软质抛光工具的工业机器人抛光系统。该系统中，软质抛光工具的材质选用柔性不织布纤维和羊毛材料。采用固着磨料进行抛光时，抛光头硬度较高，在产生轨迹偏差时易受到较大冲击力，形成过抛或欠抛现象，对机器人抛光轨迹精度控制的要求较高：采用游离磨料和软质抛光工具进行抛光时，由于软质工具本身具有一定的弹性，可在一定程度上减小抛光过程中轨迹误差所造成的刚性接触力冲击，同时对表面形状具有较强的适应性，有利于抛光过程中的抛光力和机器人轨迹误差控制，提高机器人抛光的轨迹精度。该柔性抛光思想也可见该团队的其他文献【1 9 ，2 0 1 。清华大学冯之敬等人【2 1 1 采用弹性较强的抛光工具来实现柔性抛光理念，便于抛光压力修正。广东工业大学张永俊等人【2 2 】提出一种机器人机械电解曲面抛光系统，如图1 5 所示，作为核心构成单元的抛光工具为一回转体，称其为弹性浮动工具；该工具能在抛光过程中根据被抛面的形状自动调整其自身的位置及倾斜角度，实现曲面自定位功能，并提出了弹性浮动工具的四种不同实现方式：垂直铰链浮动、单销浮动、弹簧浮动和球头浮动【2 3 1 。华中科技大学袁楚明等人【2 4 】介绍了模具曲面机器人智能抛光系统的构成。该系统的主体部分有：六自由度手腕式机器人、微型计算机、机器人控制器和抛光工具等。其中，抛光工具安装在终端执行器上，借助弹簧调力机构可以改变抛光力的大小。湖南大学建立了由工业机器人、工作台、机器人控制器、p c 机等组成的模具自由曲面自动打磨和抛光系统【2 5 】。机器人终端执行器夹持打磨和抛光工具，还安装有一个被动柔顺机构弹簧，采用被动柔顺控制的方式来控制打磨和抛光时法向作用力的大小。吉林大学赵继团队【2 6 】开发了一种具有弹性研抛工具的机器人超卢弹性自动研抛系统。该系统中，机器人提供曲面加工的进给运动，超卢振动形成研抛主运动，实现对工件表面的自动化精加工。西安工业大学自行研制的基于范成法抛光原理的f r p 1 型非球面柔性抛光机【2 7 】主要由主摆、副摆和抛光磨头组成。其中，抛光磨头与主摆的连接处采用万向头浮动结构；磨头内部为一空腔结构，磨头下端固定有柔性抛光模：磨头与柔性抛光模组成压缩气室，磨头上端开有压缩气体进气口。抛光时压缩空气对抛光模产生压力，使其鼓起。当抛光模压向抛光工件时，其 起部分将发生变形，并与工件表面大面积贴合，如图1 - 6 所示。通过调节主摆和副摆的摆幅、角度，气体压力以及磨头的运动，使非球面抛光工件达到均匀柔性抛光的目的。贴合性能是柔性、自动化抛光中受众多学者认可和关注的一个指标，凶此，在模具自由曲面气囊抛光技术中，对气囊抛光工具前端的橡胶气囊进行性能测试和优选，对气囊柔一4 一浙江工业大学博士学位论文度进行调控，对气囊与模具自由曲面的顺从性接触特征进行研究很有必要瞄1 4 柔性抛光装置图1 4 具有自定位功能的弹性浮动工具剧i - 6 柔性抛光原理2 ) 抛光系统中引入参数和过程控制的柔性、自动化抛光技术。j ha h n 等人提出一种包含气动型抛光头、声发射传感器的五自由度智能型抛光系统，如图1 7 所示。该系统中，基于声发射传感技术建立相应的智能型抛光监测平台。该平台能检测抛光过程中及其微小的变化。同时，抛光参数可依据抛光现场的状态信息进行相麻调整，以更快的速度，获得更佳的表面质量。ar o s w e l l 等人p 1 开发了一种由混联式机器人和主动式抛光末端执行器组成的自动化抛光系统，如图i - 8 所示。抛光末端执行器固定于机器人运动平台并可方便更换，抛光头有三个等问距分布的气缸，中心区域有气动型抛光- 一轴。气压的作用是使末端执行器与抛光工件接触，并通过调节其输出值来获得所需的抛光力体现接触力柔性控制的抛光理念。二等弋一j 一4 f 一芝彳。矗咱一璺盘圉圈i 7 抛光头结构及其智能型抛光系统2 ”图i - 8 自动化抛光系统【捌jjm f i r q u c z 等人p ”建立了一个由六自由度机器人、抛光件、刀具存储器等组成的机器人抛光系统，如图l 一9 所示。该系统以三维压电式力传感器为核心组成的力控制单元监测和调控自由曲面抛光过程中的接触力。c a d 系统进行抛光路径规划，力反馈控制器实时跟踪常量接触力，抛光过程中表面粗糙度预测和基于目标的抛光过程灵活控制是实现柔性自动化抛光理念的重要保证。h y t a m 等人”开了一个游离磨料自由曲面机器人抛光系统，如图1 1 0 所示。该系统使用金刚石研磨膏和毛毡抛光工具，充分强调和重视路径规划在自动化抛光中的重要性，并对其进行均匀性抛光操作。吉林大学赵继团队1 3 2 - 3 4 1 研制了一种五自由度混联式自由曲面研抛机床，如图l - 1 l 所示。该机床采用弹性终端执行器、响应速度快、易于实现多轴联动。采用基于曲率的自由曲面自适应分片法，平行环和相关环算法等5翟耋蓍浙i j _ t 业大学辨k 学何论文方法米实现肌i ：路径的理舰划和插扑运算，宴现柔性的、有做的研抛拄制啦煎凼幽6 9 机器 抛光系统嘲i 1 0 游离许十： 抛光系统o 蚓1 - 1 i 溅联式研抛机床i “】北京航空航天大学郎志等人【 ”介绍了种k 要由抛光机、机器人及系统控制柜人音f i分纽成的应朋于复杂空间曲面抛光加工的机嚣人柔性抛光系统，如罔1 12 所示。该系统的特点是：通过控制垃杠传动机构的前进或后退实现任意时刻加t 力的恒定：便于机器人加 编程：机械本体部分结构紧凑；具备抛光青自动进给机构。该系统的优势是：比普通抛光加工系统更能保汪加工精度，使抛光工件质量高度敏性，加一r 效率人人提高：【= 作环境辑 到改辫。清华大学冯之敬等人川在对抛光工其进行柔性设计的筚础r 将雎力的控制转化为抛光工具对上件压量，即向下偏移量的控制，压量的控制通过改变加工轨迹来宴现，f ：进行光顺处理。m 丁压力的控制转化为压量的控制降低了控制难度，避免了压力对工件表面质量的卟利影响，很好地实现了柔性控制理念。华中科技大学张海鸥团队考虑到软质抛光丁具的弹性变形和易磨搅性，采用柔性控制理念来确定软质抛光工具达到稳定状态时的轴向变形盈和磨损补偿量，使机_ ：! 人抛光过程中保持恒定的抛光力获得稳定的抛光质量。两北i 。业人学撒槲模其自由曲面抛光时抛光工具运动的空f f i j 组合要求结台井联机器人和抟统机床备白优点，设计了且有五自由度的模具自由曲面抛光并联机器人 删，如图卜1 3 所示。该并联机器人由抛光工具忸姿控制机构和模其进给运动机构两郜分组成。抛光工具位姿控制机构选用少自由度的3 杆并联机器人机构( 3 r p s ) 。该机构由动平台、固定平台和驱动杆等儿部分组成。工作时，半3 根驱动杆长度改业时使动平台在空间的位嚣和姿态发生变化，从而改立抛光工具在窄问的位姿，再结合模j t 进给运动机构的：维移动，蛮现柔性控制州念f 的自动化抛光。f js h i o u 等人p “开发了一种新型的萆于加_ 【= 叶】心的，由压电传动鞋置驱动的振动辅助式抛光系统如阁l - 1 4 所示。该系统能有效提高淬火模具铡的表面质量，减少抛光球的体积磨损。tf u r u y a 等人闭提出种新型= 啦接触式的麻用j ：二维微结构模具表【面精密加下的磁性灌合流体抛光系缝。如图1 1 5 所示。| 】防科技大学戴一帆【捌队i ”时对大尺寸工件的抛光加1 特点，醢汁了俐咒式磁漉变抛光装置。磁流监液被喷到抛光轮外表面，在流经抛光浙江工业大学博士学位论文轮与工件形成的工作间隙时，由于磁场的作用产生一个缎带突起，形成具有一定形状、大小和硬度等特征的“柔性抛光模”，实现对工件材料的可控去除。吉林大学赵继团队刚提出一种基于液流悬浮加工方法的弹性约束自由磨料研抛技术。弹性研抛工具头旋转，将磨料悬浮液带入接触区，磨粒在弹性约束力的作用下实现对表面的研抛加工。圆圈1 1 2 机器人柔性抛光系统闰1 - 1 3 耳自曲血抛光并联i 【眷 p 6 1ij际；瓦1 五手盖刊等。薹擘翌里剿1 h 而兽喾孽娶门引旱f 冒“叩量坚釜三丛圉1 1 4 振动辅助抛光系统【卅图i 1 5 磁性混旨流体抛光系统1 3 q接触力控制是柔性、自动化抛光的核心问题，众多学者阐述了它的重要性，并结合轨迹规划对抛光过程进行控制，但对接触压力分布的关注甚少。模具自由曲面气囊抛光中，橡胶气囊与模具表面的接触压力分布直接影响接触区参与微切削和耕犁作用的各个磨粒的受力大小。因此，本文开展气囊下压量和充气压力两个变量共同作用下的接触力、接触区尺寸和接触压力分布研究，是分析模具自由曲面气囊抛光材料去除机理的重要基础。抛光加工涉及复杂的材料去除过程，就抛光件表面材料去除特性的定量表达而言，普遍以p r e s t o n 方程1 为基础开展研究。p r e s t o n 方程的表达式为： 砌= 赶p v ，其中， 盛r是材料去除率，e 是p r e s t o n 系数，p 是接触压力，y 是工具与工件之间的相对速度。p r e s t o n 方程在化学机械抛光中得到了很好的基础应用，从其表达式看，材料去除率m r r 与p 和v 是线性关系，但也有不少学者通过试验和理论研究认为脚与p 和矿之间并不是简单的线性关系，并结合应用提出相麻的修正公式。am 卸r y 等人在经典的p 懈t o n 方程中，引入一个拟合参数埘氓进行修正，表达式为： 础= t p v + 愀，。l mc o o k j 4 j 根据赫兹接触理论，提出如下公式：加啵= p 州2 e ，其中，e 为抛光件杨氏模量。浙江丁业大学博十学位论文l i u 等人m 】根据接触力学相关理论，引入磨粒特性，提出与l m c o o k 类似的材料去除率公式：m r r = c 日( + 巧) ( b + 岛) ( b 岛) p y ，其中，c 为各影响因素的综合系数，日和h 分别为抛光件和抛光垫的维氏硬度，乓和易分别为磨粒和抛光件的杨氏模量。q l u o 等人 4 5 】基于试验研究，给出如下公式：m r r = ( r f + n ) v + m r r gjo3烂甘羽簿4681 01 21 41 61 82 02 2法向接触力f c ( n )图2 - 2 4 法向接触力与y 方向最大应变关系法向接触力f c ( n )图2 - 2 5 实测法向接触力与输出电压关系一3 5 535251532ln一3暑譬锹侄 , = i m r i g r i = l h p i l ( 1 0 , r l c o o ) = t a n f l c o s 0( 3 - 7 )巧( 工，y ) = v ( x , y ) s i n r c o s o , m p( 3 - 8 )k ( x ，y ) = v ( x ，y ) s i n ? s i n o( 3 9 )假设磨粒和橡胶气囊表面包覆的抛光布无相对运动，气囊与平面模具接触时接触区理论速度方程分解为切向线速度k ( 工，y ) 和法向线速度圪( x ，y ) ，其中切向线速度k ( x ，y ) 为磨粒实现微切削和耕犁作用的主要贡献。设橡胶气囊的旋转速度为1 0 0 0 r m i n 、r 为2 0 m m 、下压量h 分别为1 0 m m 和2 5 m m 、倾角口为r d 9 r a d ，应用m a t l a b 软件，对线速度值v ( x ，y ) 、k ( x ，y ) 、圪( x ，y ) 以及相互关系进行数值仿真。h 为1 0 m m 时，绘制了接触区总线速度值分布等高线以及接触区总线速度和切向线速度差值率图，如图3 - 6 和3 7 所示。图3 - 6 下压量1 0 m m 时接触区总线速度值分布等高线显示( 线速度单位：r a m s )图3 6 中，接触区总线速度值等高线呈弧状分布，以图3 5 中的点d 1 为发散中心，该发散中心在接触区外侧，离点q 越远，线速度值越大。图3 7 中，差值率伽( z ，y ) 由如下公式表示：纵w ) _ 1 一槲( 3 - 1 0 )式( 3 1 0 ) 中，r ，( x ，y ) 值越小，表示接触区该点的切向线速度值和总线速度值越接近。由图3 - 6 和3 7 可知，接触区左侧边缘差值率大，总线速度值小，同时考虑该区域接触压力小( 见本章压力分布相关内容) ，故材料去除效果不明显，如图3 4 ( a ) 所示。浙江工业大学博士学位论文4一”护百嗡。4 船”1-4台j 。! !一j 为25 衄时，接触区总线速度值分布等高线如图3 8 所示。图3 8 中，发散中心a 在接触区内。接触区半径，为96 $ m m ，发散中心0 离接触中心的距离为63 7 r a m ，位置在j 轴负8 |。m 。e m 。“钆撼臻i。!m 。，m l。0 略一j 4iiix “n m l图3 - 8f 压量25 m m 时接触区总线速度值分布等高线显示( 线速度单位：d l m k )对模具自由曲面接触区的速度分布进行分析研究具有重要意义。将气囊与模具自由曲面的接触面村沿z 轴方向划分成n 层，每层曲线定义为m f i = l ，2 ”1 ，各层曲线形状依曲面轮廓而定，将接触面各点的线速度离散为各层曲线的离散点线速度。本文以橡胶气囊一一浙江工业大学博士学位论文与模具n 面接触为例进行阐述，如图3 9 所示。假定第i 层的曲线m 距坐标系x y z 为q ，建立如图3 1 0 所示的坐标系x i y i z i ，则点d 2 和d f 间的距离即为q ，曲线m 上点h ( 薯，y i ，0 ) 的线速度y ( 薯，y ，0 ) 依据气囊与平面接触时的线速度计算方式获得，计算结果如下：y ( ，y i ，o ) = ( 尺一h + 呼) s i n 臼+ x c o s p 2 + y 2( 3 - 1 1 )将曲线m 上的各点线速度求取后，进行其他层曲线的求解，最终形成接触面m 的速度场。，o!，! ，秒jlz，|，。z i ，y|。l0 1 d 2，。7，】， ( ，x x rzy i , 0 )，y i ，0 )一薯图3 - 9 橡胶气囊与模具凸面接触图3 1 0 第f 层曲线的线速度求解示意3 3 3 压力