砂布輪柔性拋光力影響參數(shù)敏感性分析

淮文博，張立新，王蓀馨，張遠(yuǎn)平

（1.西安理工大學(xué)，西安 710082；2.西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072）

砂布輪柔性拋光力影響參數(shù)敏感性分析

淮文博1，2，張立新1，王蓀馨1，張遠(yuǎn)平1

（1.西安理工大學(xué)，西安 710082；2.西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072）

砂布輪有較大柔性，可用于復(fù)雜曲面拋光。為了掌握砂布輪拋光工藝參數(shù)對拋光力的影響規(guī)律，提高拋光質(zhì)量，設(shè)計(jì)了四因素三水平正交試驗(yàn)，利用試驗(yàn)結(jié)果建立了拋光力預(yù)測模型，驗(yàn)證了模型的顯著性；分析了影響參數(shù)的敏感性，結(jié)果表明：拋光力對砂布輪初始半徑變化最敏感，對壓縮量變化敏感程度次之，對粒度變化敏感程度一般，對轉(zhuǎn)速最不敏感；拋光試驗(yàn)表明通過對敏感參數(shù)的控制可以實(shí)現(xiàn)理想的拋光效果。

復(fù)雜曲面；柔性拋光力；影響參數(shù)；敏感度

0　引言

復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件的疲勞性能很大程度上取決于加工表面的完整性，而表面粗糙度是影響表面完整性的關(guān)鍵參數(shù)。因此，通過拋光技術(shù)降低復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件的表面粗糙度是提高抗疲勞性能的關(guān)鍵措施。為提高復(fù)雜曲面拋光的柔性，有效避免“過拋光”或“欠拋光”，提高拋光效率和拋光表面質(zhì)量，學(xué)術(shù)界提出了磁流體、電流體、磨料流等非接觸拋光工藝［1～4］，但材料去除率小，拋光效率低［1］，成本大［5］；氣囊［6，7］雖然有很好的柔性可以和拋光曲面充分切觸，但是位置精度控制復(fù)雜；砂帶拋光效率高但是柔性不足、體積大容易與葉片發(fā)生干涉［8］。由于砂布輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)有較大的柔性，所以作者在文獻(xiàn)［9］中提出用于飛機(jī)葉片拋光，但是砂布輪拋光力影響參數(shù)的敏感度目前尚不清楚。由于拋光力是影響表面粗糙度的關(guān)鍵工藝參數(shù)［9］，為了精確控制拋光力，進(jìn)一步提高拋光效果，文章以砂布輪拋光工藝參數(shù)為試驗(yàn)因素，做了四因素三水平正交試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果分析了工藝參數(shù)對拋光力影響大小，分析了拋光力敏感度的變化規(guī)律。最后，通過葉片進(jìn)排氣邊的拋光試驗(yàn)證明：控制拋光力的關(guān)鍵影響參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)理想的拋光效果。

1　拋光力實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

采用尺寸為105mm×60mm×10mm的鈦合金TC4平板為試件，將其安裝在接有型號(hào)為CHB/A的Contronix數(shù)字顯示儀表的10kg電阻應(yīng)變式力傳感器上；用百分表找正使試件拋光表處于水平狀態(tài)；針對鈦合金磨削特點(diǎn)，選用磨料為綠色碳化硅（Green SiC， GC）的砂布輪為磨具，在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控拋光機(jī)［8］上做拋光力測試試驗(yàn)，如圖1所示。將柔性磨頭擺動(dòng)軸調(diào)整90°使砂布輪旋轉(zhuǎn)軸呈水平與試件表面平行；數(shù)控編程中的刀具半徑為（即砂布輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的半徑減去壓縮量），磨頭沿x方向以速度vf作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)并保持z坐標(biāo)不變，這樣就可保證壓縮量在砂布輪做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)基本穩(wěn)定［9］，如圖2所示。

圖1　拋光力測試試驗(yàn)現(xiàn)場

圖2　砂布輪拋光示意圖

1.2正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

初始半徑為r0的砂布輪以角速度ω高速轉(zhuǎn)動(dòng)，砂布片在向心力作用下沿半徑方向伸展，使得砂布輪半徑增大至0Δrr+，如圖所示。當(dāng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的砂布輪與拋光表面接觸后，與工件接觸的砂布被壓縮，圓周運(yùn)動(dòng)半徑減小至砂布輪正下方的砂布壓縮量最大，用ap表示。因此，砂布輪在拋光過程中針對葉片薄、型面復(fù)雜、曲率變化大的特點(diǎn)，具有優(yōu)越的自適應(yīng)性，一是可以與葉片空間復(fù)雜型面隨型切觸，使砂輪磨削不到的部位得到拋光，有效防止葉片局部欠拋光；二是砂布輪有較大的彈性尺寸Δr，可有效避免過切、剛性沖擊和葉片型面變形［9］。

由以上分析得知，拋光力F的影響參數(shù)是砂布輪初始 半徑r0、壓縮量ap、轉(zhuǎn)速ω、粒度P。正交試驗(yàn)是科學(xué)安排與分析多因素的試驗(yàn)方法，可以以較少的試驗(yàn)次數(shù)獲得試驗(yàn)結(jié)果之外的更多信息。為分析工藝參數(shù)對拋光力F的影響規(guī)律，便于計(jì)算和優(yōu)化控制，特設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2　拋光力影響參數(shù)的敏感性分析

2.1拋光力預(yù)測模型

通過多元非線性回歸得到法向拋光力經(jīng)驗(yàn)公式：

2.2敏感性分析

圖3（a）～圖3（d）是依據(jù)靈敏度公式繪制的拋光力對r0、ap、ω、P的敏感度曲線。由靈敏度可知，拋光力對砂布輪壓縮量ap變化最敏感，對初始半徑r0變化敏感程度次之，對粒度P變化敏感程度一般，對粒度ω最不敏感。拋光力是實(shí)現(xiàn)葉片自動(dòng)化拋光的關(guān)鍵工藝參數(shù)之一［10］，為實(shí)現(xiàn)拋光力的精確控制，確保在拋光過程中拋光力的魯棒性，必須對拋光力的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。從圖3（a）可知，拋光力對r0的靈敏度隨r0增大而趨向于零，即r0越大其變化對拋光力變化影響越小，拋光力越穩(wěn)定，砂布輪振動(dòng)越?。辉囼?yàn)證明當(dāng)r0＞8mm時(shí)拋光比較穩(wěn)定。由圖3（b）可知，ap越大其變化對拋光力變化的影響越小，但必須確保砂布輪工作在柔性范圍內(nèi)（即ap＜Δr ），否則會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)。由圖3（c）和（d）知，ω對拋光力的靈敏度小于粒度P對拋光力的靈敏度；ω或P越大，各自變化對拋光力變化影響不顯著。由上述分析可知，根據(jù)拋光工藝要求選定砂布輪后，為保證拋光力穩(wěn)定，獲得一致的表面粗糙度，必須選取較大的壓縮量ap。實(shí)驗(yàn)證明：對于r0=8 m m的砂布輪，當(dāng)轉(zhuǎn)速ω＞6 0 0 0 r/m i n且0.6mm＜ap＜Δr時(shí)，拋光力較穩(wěn)定。

圖3　拋光力對藝參數(shù)的敏感度

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖4　拋光示意圖

由于葉片進(jìn)排氣邊非常薄，最小處約為0.2mm，是葉片拋光的難點(diǎn)部位［11］，拋光力控制過小會(huì)造成“欠拋”，達(dá)不到拋光效果，拋光力過大很可能造成“過拋”，損壞進(jìn)排氣邊的幾何形狀導(dǎo)致葉片報(bào)廢。根據(jù)上述分析，選取拋光參數(shù)r0=8mm，ap=0.8mm，ω=7500r/ min，P=600，vf=500mm/min，在專用拋光機(jī)上對葉片進(jìn)排氣邊按照圖4所示的9個(gè)刀桿矢量角度進(jìn)行拋光，如圖5所示。數(shù)控編程中的刀具半徑為即砂布輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的半徑減去壓縮量，這樣就可保證拋光力穩(wěn)定。用刀具測量儀對拋光前后進(jìn)排氣邊觀測點(diǎn)的粗糙度和三維形貌測量。圖6是觀測點(diǎn)放大100倍后的圖片；拋光前，觀測點(diǎn)的粗糙度為Ra=0.7896um，從放大100的圖片和三維形貌可明顯的殘留鐵屑和積屑瘤；拋光后的表面無明顯加工痕跡，沒有積屑瘤，粗糙度為Ra=0.3221um，較拋光前明顯降低且達(dá)到技術(shù)要求。

圖5　拋光試驗(yàn)

圖6　拋光前后效果對比

4　結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了四因素三水平的正交試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到了拋光力預(yù)測模型，經(jīng)檢驗(yàn)預(yù)測模型是顯著的。

2）依據(jù)拋光力預(yù)測模型分析了拋光力影響參數(shù)的敏感度，拋光力對砂布輪壓縮量ap變化最敏感，對初始半徑r0變化敏感程度次之，對粒度P變化敏感程度一般，對粒度ω最不敏感。

3）對葉片進(jìn)排氣邊做了拋光試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明通過合理控制拋光力可以實(shí)現(xiàn)理想的拋光效果。

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The sensitivity analysis of influence parameters of flexible polishing force for abrasive wheel

HUAI Wen-bo1，2，ZHANG Li-xin1，WANG Sun-xin1，ZHANG Yuan-ping1

V232.4

A

1009-0134（2016）09-0092-04

2016-03-21

淮文博（1979 -），男，陜西扶風(fēng)人，講師，博士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)雜曲面表面完整性控制技術(shù)。