机器人恒力磨抛材料去除研究

针对传统机器人-砂带磨抛工件时材料去除量难以定量控制的问题,结合Preston磨削经验公式与赫兹弹性接触理论,将法向磨抛力、砂带速度、工件进给速度3个工艺参数作为变量,建立机器人恒力磨抛的材料去除深度模型;然后进行硬件选型,搭建机器人恒力磨抛实验平台;最后以上述3个工艺参数为变量设计了机器人恒力磨抛单因素实验,实验结果...     

复杂曲面柔性抛光材料去除模型研究

针对目前复杂曲面产品的需求,首先,通过采用Preston方程与Hertz接触理论建立复杂曲面柔性抛光的材料去除模型,采用ANSYS软件对模型进行仿真分析,并与经理论计算得到的表壳工件的接触区域压强与接触面积进行了对比分析。结果表明:两者之间的相对偏差约为20%;其次,引入修正后的Preston方程,建立了最终的材料去除模型且更加符合抛光的实际过程。研究表明:材料的去除量与法向抛光力、抛光轮线速度、进给速度、接触面几何性质、抛光工具与工件的材料性质均有关;最后,通过对进给速度的修正,在恒定不变的法向抛光力下,工件材料去除量不受抛光轮磨损的影响而改变。为了合理控制接触压强和抛光轮的磨损,随着抛光的进行,进给速度逐渐减慢,可加工的工件数减少。     

复杂曲面研抛加工材料去除廓形建模研究

为了研究复杂曲面工件研抛加工时的去除量,建立了复杂曲面工件移动研抛表面材料去除廓形的预测模型。利用圆形赫兹接触理论对球形磨头和复杂曲面工件的接触压强分布进行分析建模,同时对球形磨头研抛区域的相对线速度分布进行理论推导,利用微元积分原理和移动材料去除指数建立了移动研抛表面材料去除廓形的理论方程并用MATLAB软件对材料去除廓形的理论方程进行了仿真。结果表明材料去除深度与法向正压力、磨头转速、研抛倾角成正比,与进给速度成反比;廓形宽度与法向正压力成正比,磨头转速、研抛倾角、进给速度不影响廓形宽度;研抛偏角对去除深度和廓形宽度的影响可以忽略不计。     

考虑单磨粒作用的砂带磨削机理模型

针对磨削过程中材料的定量去除问题，从微观单磨粒角度出发，综合运用弹塑性变形、赫兹接触以及概率统计等理论及方法，构建砂带磨削的材料去除机理模型。首先，分析磨削过程中单个磨粒在工件不同变形阶段的材料去除机理，并根据试验计算结果对该磨削过程进行简化，给出单磨粒受力计算方法；在此基础上，基于磨粒数目与出刃高度分布函数，运用概率统计理论建立微观磨粒与宏观磨削压力平衡方程，求解磨粒切入深度分布函数；再结合单磨粒材料去除体积，用积分运算构建总体材料去除模型；最后通过机器人磨削平台进行TC4合金曲面磨削试验得到材料最大去除深度。结果表明:材料最大去除深度随磨削压力和砂带线速度增大而增大，随砂带进给速度增大而减小；且理论模型的理论预测值与试验值比较，其最大相对误差为17.66%，平均相对误差为10.55%，验证了模型的有效性。      

弹性基体软固结磨料磨具的材料去除机理

基于弹性磨具的磨抛工艺为硬脆材料超精密加工效率与加工质量的兼顾平衡提供了新的解决思路,但其磨抛过程的材料去除机理尚未明确。为研究弹性磨抛过程中的材料去除行为,以硅橡胶作为磨具基体材料,混合微米级金刚石磨料制备弹性基体软固结磨料磨具,利用有限元仿真分析方法研究弹性基体软固结磨粒的受力状态,结合接触力学与运动学分析建立考虑单颗磨粒磨损行为与有效磨粒数量的材料去除模型,通过石英玻璃试件的弹性磨抛加工试验验证预测模型的准确性。结果表明：石英玻璃试件的材料去除率随着磨抛压力、主轴转速、磨具偏角的增大而显著增加,而磨料粒径对其影响程度较小;当工艺参数组合为磨料粒径100μm、磨抛压力7 N、主轴转速1 500 r/min、磨具偏角20°时,经60 min磨抛后,工件已加工表面粗糙度由1.069μm降至0.089μm,材料去除率为8.893×10⁸μm³/min;该试验条件下,建立的材料去除模型预测准确度相比Preston经典模型提高36.7%。研究成果可为实现硬脆材料的确定性材料去除提供技术支持和理论依据。     

基于Preston方程的反射杯抛磨工艺参数研究

反射杯是液电冲击波式碎石机的关键部件之一,目前国内主要依靠手工抛磨。为了实现反射杯尺寸精度、表面粗糙度和品质稳定、高效生产,在经改造的数控车床上,对一种气囊式抛磨头的反射杯抛磨工艺进行研究。在Preston去除函数解析的基础上结合椭圆赫兹接触理论,确定影响反射杯内表面材料去除量的重要参数。为了保证抛磨的质量要求,优化了抛磨轨迹。试验结果表明,达到了反射杯尺寸精度和表面粗糙度要求。     

纳米结构金属陶瓷(n-WC/Co)涂层材料精密磨削的试验研究

本文对纳米结构金属陶瓷（n-WC/Co）涂层材料在金刚石砂轮精密磨削过程中的磨削力进行了较详细的试验研究。对常规结构金属陶瓷(n-WC/Co）和n-WC/Co涂层材料的磨削力作了对比磨削试验,分析了磨削工艺参数如砂轮磨削深度,工件进给速度,金刚石砂轮结合剂类型和磨粒尺寸以及被磨试件材料特性等对磨削力的影响,结合被磨试件表面的扫描电镜（SEM）的观察,分析了n-WC/Co涂层材料磨削的材料去除机理,研究结果表明：在相同磨削条件下,纳米结构陶瓷涂层的磨削力始终高于常规结构陶瓷涂层的磨削力;在其它磨削条件相同的情况下,用金属结合剂砂轮磨削工件所需的磨削力要比树脂结合剂砂轮,陶瓷结合剂砂轮所需的磨削力大些,磨粒尺寸小的砂轮磨削工件所需的总磨削力要比磨粒尺寸在的砂轮所需的磨削力大些,磨削力随砂轮磨削深度,工件进给速度的增加而增大;一般情况下,n-WC/Co涂层材料精密磨削过程的材料去除机理中,占主导方式的是塑性成形的材料去除方式。     

弹性基体磨具的磨抛轨迹与表面加工质量研究

目的 解决以光学玻璃为代表的硬脆材料加工效率与表面质量难以同时得到保证的共性问题。方法 以弹性基体工具磨削抛光技术为基础,分析弹性接触区域内有效工作磨粒的运动行为。基于Preston方程材料去除模型,研究磨抛过程中磨抛接触区域的接触面积、速度分布、多颗磨粒的运动轨迹。基于运动学模型,探究磨抛过程中磨具的运动学参数、磨粒浓度及排布特征等因素对磨粒磨抛轨迹的影响,采用磨具与工件接触区域磨粒运动轨迹相对面积占比和变异系数表征磨粒运动轨迹分布的均匀性,并建立基于轨迹均匀性的加工表面质量评价方法,优化工艺参数。以石英玻璃为加工对象,以硅橡胶中混入金刚石磨粒为基体,通过正交实验研究不同参数对工件表面质量的影响。结果 仿真结果表明,选取自转速度为300 r/min、进给速度为1 mm/s、磨抛进动角为15°,磨粒浓度及排布采用1 mm磨粒理论间距,此时获得的最大磨粒运动轨迹相对面积占比为96.46%,最小变异系数为0.375。通过实验,得到了选取磨抛工艺参数中的最佳参数组合,自转速度为1 200 r/min,进给速度为1 mm/s,磨抛进动角为15°~20°,磨粒浓度及排布采用磨粒间距1 mm,该组合可将工件的表面粗糙度由1.078 μm降至0.057 μm,材料去除率为3.8×10⁸ μm³/min。结论 磨粒运动轨迹的密集程度与自转速度、磨粒浓度及排布呈正相关,与进给速度呈负相关,在考虑加工成本的前提下,采用高自转速度、高磨粒浓度、低进给速度及15°~20°的进动角可以获得密集且均匀的磨粒运动轨迹,提高了工件的表面质量和材料去除效率。     

基于随机过程的钎焊金刚石磨抛盘磨损可靠性

为实现高强度钢表面高效磨抛加工,设计一种钎焊金刚石磨抛盘,给出基体的结构,并对摩擦和热相互作用下磨具磨损可靠性进行了预测。首先,通过磨抛轨迹和接触区域特征建立钎焊金刚石磨抛盘材料去除函数模型;然后,在传统的磨损分析模型中引入白噪声代表磨抛过程的动态和随机因素,应用维纳过程理论和极限状态方程,建立了钎焊金刚石磨具磨粒磨损的动态可靠性模型,并给出了模型中重要统计特征参数的估计方法;最后,以钎焊金刚石磨抛盘磨抛AH32碳素钢为例进行了磨粒磨损可靠度和寿命特征的具体计算。结果表明,连续磨抛下磨抛盘的平均寿命达到15 h以上,可靠度曲线先缓慢下降后剧烈下降再缓慢下降;旋转速度、进给速度、磨削深度、磨料粒度等工艺参数对磨具的寿命有着重要影响,钎焊金刚石磨抛盘的可靠度与旋转速度、进给速度和磨削深度的乘积呈正比关系。该研究可为先进焊接磨具的定量寿命评估和强度优化设计提供了理论基础。     

机器人恒力干磨削的材料去除深度建模

在机器人末端安装被动柔顺装置进行恒力干磨削加工,材料去除深度较难控制。为确定合适的磨削用量控制材料去除深度,根据磨削理论和磨削力经验公式,建立关于法向压力、进给速度和主轴转速的材料去除深度模型,材料去除深度与磨削用量指数幂的乘积成正比。通过正交实验标定模型的未知参数,建立完整的材料去除深度模型;通过单变量实验分析材料去除深度与磨削用量的关系;通过多变量随机实验对材料去除深度模型进行验证。单变量实验和随机实验表明,材料去除深度与磨削用量指数幂的乘积成正比。在磨削加工精度允许范围内,可以根据材料去除深度模型确定磨削用量控制材料去除深度。     

应用弹性砂轮对铝合金镜面磨削工艺研究

目的解决铝合金手机外壳传统抛光工艺中存在的抛光效率低等问题。方法采用聚氨酯弹性砂轮对6061铝合金进行了磨削加工,使用正交试验研究了磨料粒度、进给速度、切削深度、砂轮线速度对加工表面粗糙度及材料去除率的影响。试验中使用折线走刀方式进行加工,可减轻磨料分布不均带来的影响。使用白光干涉仪测量了加工后表面的粗糙度,通过计算单位时间内工件的质量变化得出了去除率,并通过对结果的综合优化得出了最优工艺参数。结果在选取的16组磨削工艺参数中,可获得的最低表面粗糙度为44.87 nm,最大去除率为0.329 g/min。对表面粗糙度影响最大的因素为磨料粒度,影响最小的因素为进给速度;对材料去除率影响最大的因素为切削深度,影响最小的为进给速度。经过综合优化,最佳工艺参数组合为:砂轮600#,转速2000 r/min,切削深度0.04 mm,进给速度20 mm/min。结论弹性聚氨酯砂轮应用于铝合金磨削可提高加工表面质量,可简化工艺流程,节省备料和安装调整时间,从而提高效率。     

A surface roughness predictive model in deterministic polishing of ground glass moulds

The introduction of deterministic NC grinding and polishing operations, in the manufacturing of free-form glass components for precision optics, requires the characterization of surface topography evolution as a function of process parameters. In this work, a model based on Reye's wear hypothesis is proposed for the assessment of surface roughness prediction as a function of operating parameters, in the deterministic polishing process of glass moulds. According to Reye's hypothesis, the removed material per unit area is proportional to the work due to the friction force: the removed material per unit area can be computed by adequately integrating the areal material ratio function (Abbott–Firestone curve) of the surface and can be associated with the amplitude roughness parameter; the work due to the friction force per unit area is proportional to the integral of the product of pressure and velocity in the time interval and can be derived from the process parameters by means of the Hertz theory. The model assessment was performed on ground glass flat samples polished with different operating parameters, mapping the surface roughness using an atomic force microscope (AFM). The developed model shows a satisfactory estimate of surface roughness evolution during the polishing process and confirms the experimental results found in the literature for the Preston coefficient.     

大尺寸硅片自旋转磨削的试验研究

利用基于自旋转磨削原理的硅片超精密磨床,通过试验研究了砂轮粒度、砂轮转速、工件转速及砂轮进给速度等主要因素对材料去除率、砂轮主轴电机电流以及磨削后硅片表面粗糙度的影响关系。研究结果表明,增大砂轮轴向进给速度和减小工件转速,采用粗粒度砂轮有利于提高磨削硅片的材料去除率,砂轮轴向进给速度对材料去除率的影响最为显著;适当增大砂轮转速,减小砂轮轴向进给速度,采用细粒度砂轮可以减小磨削表面粗糙度;在其它条件一定的情况下,砂轮速度超过一定值会导致材料去除率减小,主轴电机电流急剧增大,表面粗糙度变差;采用比#2000粒度更细的砂轮磨削时,材料去除率减小,硅片表面粗糙度没有明显改善。     

非圆截面元件机器人抛光力模糊自适应PI控制

针对非圆截面元件表面机器人抛光过程中末端力的柔顺控制问题,设计一套双机器人协同抛光系统,分析双机器人协同抛光运动过程,并以Preston方程为理论依据。建立布轮抛光工具端与工件之间接触阻抗模型,分析接触力误差与阻抗模型参数之间的关系;提出自适应调整阻尼参数实现布轮抛光工具与工件的柔顺接触;引入模糊控制理论和PI控制理论对比例、积分和阻尼参数实时调整。仿真以及实验结果表明：模糊自适应PI控制相比于自适应阻抗控制及定阻抗控制具有低超调、响应迅速以及快速稳定等特点,同时能够跟随动态期望力。     

工程陶瓷圆弧成形磨削力预测与实验研究

圆弧成形磨削是难加工零件复杂型面的加工方法,对其磨削力的研究有利于改善工程陶瓷的表面质量。基于圆弧砂轮的结构特点及尺寸趋近思想对陶瓷材料圆弧成形磨削力进行预测。通过研究磨粒对工程陶瓷的去除机制,提出建立单颗磨粒滑擦、塑性及脆性去除磨削力模型。基于砂轮磨粒尺寸与分布差异,利用概率统计方法对磨削中不同去除方式的有效磨粒数进行探讨,进而实现圆弧成形磨削力理论模型的构建。最后通过磨削力实验对理论模型进行验证。结果表明：法向磨削力和切向磨削力理论值与实验值平均误差分别为8.793%和9.986%;磨削力随着磨削深度及进给速度的增加而增加,随着砂轮速度的增加而减小。     

基于赫兹理论的弹性磨具磨抛 M300 钢表面参数模型研究

目的由于弹性磨具与曲面接触特征的多样性,导致弹性磨具呈非常量磨损,使磨具的磨抛工况变得复杂,磨抛参数对表面精度的影响没有得到理论上的阐释,通过实验研究磨削过程的磨削参数变化规律与加工表面残留峰移除量的理论关系。方法针对M300钢高耐磨性的特点,通过对球头弹性磨具(油石)的微观接触分析,根据赫兹理论接触应力分布特点,数学推导得出在平面情况下残留峰移除率与影响磨削精度的主要参数的函数关系。结果根据磨削参数变化规律,考虑进给速度的变化,得出任一点的残留峰置的变化量为接触半径减去球头在一定位置下通过的距离,并推导出移除率Q=dh/dt=CPmατnα的预估参数值。根据最小二乘法算得当m=-3,n=-2时,C=1.55×105,移除面积与磨抛参数成正相关。结论通过磨削实验确定移除率待定参数值,从理论上确定影响磨削质量的法向压力和切应力对残留峰移除高度的影响,为曲面磨削弹性预估补偿研究提供参考。同时应适当减小弹性模量,增大法相压力及球头磨具半径,使得进给量增大,减小磨损,提高磨削效率。     

金刚石砂轮磨削轴承用ZrO2 陶瓷表面质量研究

在氧化锆陶瓷磨削中为获得较高质量表面,采用单因素试验研究磨削深度、砂轮线速度、工件进给速度对氧化锆陶瓷精密磨削表面质量的影响规律及材料去除机理,通过超景深三维显微镜以及扫描电子显微镜,观察氧化锆陶瓷试件磨削后的表面形貌,最后用正交试验法进行优选并验证。结果表明:磨削表面的粗糙度随磨削深度、工件进给速度增大而增大,随砂轮线速度增大先减小、后增大。在磨削深度5 μm、砂轮线速度40 m/s、工件进给速度1 000 mm/min的优化组合条件下,磨削3组氧化锆陶瓷的平均表面粗糙度R_a为0.388 9 、0.417 0和0.403 7 μm。      

圆柱曲面剪切增稠抛光材料去除函数仿真与实验研究

目的 通过有限元仿真方法获得圆柱曲面周围压强场和速度场的分布,结合实验结果拟合得到修正系数,从而建立圆柱曲面剪切增稠抛光（STP）的材料去除函数。方法 运用计算流体动力学仿真软件CFX,对圆柱曲面STP过程的抛光液流动进行仿真,通过对比工件所受作用力的仿真值与实验测量值,求得流体流变特性修正系数Kv,再根据仿真得到的圆柱曲面表面压强场和抛光液速度场,基于Preston方程建立圆柱曲面STP的材料去除函数。以不锈钢316圆柱曲面为抛光实验对象,通过去除率测量结果拟合得到材料去除函数系数。结果 计算得出流体流变特性修正系数Kv=40.1,修正后,仿真模型的压力输出值与实验测量值的误差为4.7%。计算得到Preston方程去除函数的方程系数Kc=28.85。材料去除函数在整个圆柱曲面呈现近似正弦函数的分布规律,与抛光速度呈指数函数关系。抛光仿真和实验结果有着较好的吻合,误差在5%以内,表明了仿真模型的有效性。结论 通过CFX仿真,可以很好地揭示剪切增稠抛光过程中圆柱曲面表面压强场和速度场的分布规律,并基于Preston方程建立材料去除函数,这种剪切增稠抛光去除函数的建立方法,不仅仅适用于规则的圆柱体,也适合其他形状工件剪切增稠抛光去除函数的建立。