磨粒固化氣囊光整技術(shù)及試驗(yàn)研究*

計(jì)時(shí)鳴，李 笑，金明生，張 利，許亞敏

（浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310032）

0 引 言

模具表面激光強(qiáng)化處理[1-2]（包括激光相變硬化、激光熔覆和激光合金化等）是代表國(guó)際先進(jìn)水平和未來(lái)發(fā)展方向的高效綠色制造方法。在激光強(qiáng)化模具表面使用性能得到大幅度提高的同時(shí)，其加工難度也隨之加劇。高硬度、高耐磨性、自由曲面面形的復(fù)雜性和局域強(qiáng)化帶來(lái)的局域硬度差異成為制約激光強(qiáng)化模具表面后續(xù)加工的瓶頸因素。傳統(tǒng)的氣囊拋光是基于柔性?huà)伖夤ぞ邭饽姨赜械淖赃m應(yīng)性和氣壓可控性，在加工過(guò)程中始終保持氣囊與工件之間的緊密吻合，保證加工精度的同時(shí)，獲得較高的材料去除率和較低的表面粗糙度[3-6]，但一般采用游離磨粒，運(yùn)動(dòng)姿態(tài)相對(duì)自由，難以獲得較好的切削效果。

本研究在傳統(tǒng)氣囊拋光基礎(chǔ)上，針對(duì)模具激光強(qiáng)化表面高硬度、高耐磨性的特點(diǎn)，提出一種新型磨粒固化氣囊光整技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)模具激光強(qiáng)化表面的高效精密自動(dòng)化光整加工。該技術(shù)采用固結(jié)磨粒氣囊為加工工具，將磨粒與氣囊基體柔性有機(jī)結(jié)合，既利用固結(jié)磨粒切削力平穩(wěn)、材料去除率高的特點(diǎn)，又利用空心氣囊柔性使工具與自由曲面形成大面積仿形接觸，以提高高硬度自由曲面的加工效率。氣囊表面的彈性粘合層保證磨粒在微觀(guān)上既受到彈性支撐，又受到彈性約束，確保穩(wěn)定和較強(qiáng)切削力同時(shí)，發(fā)揮切削加工痕跡精細(xì)、不產(chǎn)生深度劃痕的優(yōu)勢(shì)，促使加工過(guò)程較快達(dá)到所需的表面粗糙度，能夠在顯著提高加工效率的同時(shí)，在彈性支撐作用下保證加工質(zhì)量。

1 磨粒固化氣囊光整技術(shù)

將兩種不同彈性的材料相結(jié)合，再將磨粒固結(jié)于復(fù)合彈性體表面形成的柔性固結(jié)氣囊，稱(chēng)為磨粒固化氣囊。該固化氣囊由兩層彈性體材料和磨粒層組成，其中彈性體一為基體，承擔(dān)結(jié)構(gòu)的各種工作載荷；彈性體二為增強(qiáng)體，起到粘結(jié)磨粒層和傳遞應(yīng)力的作用。

氣囊基體層橡膠良好的柔性可控特征不會(huì)破壞被加工面的幾何形狀，并能柔順地貼合于不同曲率的模具表面，滿(mǎn)足自由曲面大面積仿形接觸的光整需求。增強(qiáng)體層和磨粒層的相互作用，保證了磨粒具有良好的彈性支撐條件和動(dòng)力學(xué)行為約束狀態(tài)，確保了一定的切削性能，又充分發(fā)揮切削痕跡精細(xì)、不至于產(chǎn)生過(guò)深劃痕的優(yōu)勢(shì)，能夠更快地獲得較好的表面粗糙度；同時(shí)固結(jié)磨粒不會(huì)飛濺，利于提高氣囊轉(zhuǎn)速。硬質(zhì)砂輪磨削、游離磨粒拋光和磨粒固化氣囊光整技術(shù)的加工特征對(duì)比如圖1 所示。

2 磨粒固化氣囊成型工藝

新型磨粒固化氣囊依靠氣囊特有的自適應(yīng)性和可變氣壓結(jié)構(gòu)，內(nèi)部氣壓通過(guò)氣泵實(shí)時(shí)在線(xiàn)可調(diào)，在光整過(guò)程中始終保持固化氣囊與不同曲率半徑工件緊密接觸，保證面形精度的同時(shí)，提高拋光效率?；w層作為磨粒固化氣囊的關(guān)鍵構(gòu)件，應(yīng)具有良好的彈性和韌性，同時(shí)可承受一定的壓力與變形。丁苯橡膠是一種不飽和非極性碳鏈橡膠，具有耐高低溫、耐磨耗、耐壓縮、耐油以及耐老化等優(yōu)點(diǎn)[7]。因此，磨粒固化氣囊基體采用丁苯橡膠與短纖維混合制作，短纖維選用超細(xì)尼龍纖維，通過(guò)乳膠共沉預(yù)處理使之在橡膠基質(zhì)中分散，經(jīng)硫化后成型。

考慮到介質(zhì)與介質(zhì)之間的相互作用和配合，以及界面相之間的各種物理、化學(xué)反應(yīng)和相關(guān)力學(xué)性能等，第2 種彈性材料在選材上性能必須與橡膠材料相匹配，起到力的傳遞作用，同時(shí)又能與磨粒有效結(jié)合。因此，筆者確定采用粘結(jié)劑[8-9]作為第2 種彈性材料。本研究在室溫、常壓下對(duì)其進(jìn)行粘結(jié)效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)以?xún)?yōu)選粘結(jié)劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 不同粘結(jié)劑的性能對(duì)比

通過(guò)表1 的對(duì)比結(jié)果可知：膏狀酸性硅酮密封膠與橡膠粘結(jié)后固化所需時(shí)間較短、塑性較好、厚度基本保持不變，且成型后彈性良好、粘結(jié)可靠、強(qiáng)度大。因此，在本研究的分析和光整試驗(yàn)中，粘結(jié)層選用酸性硅酮密封膠。

一般而言，利用磨粒與工件材料的硬度差實(shí)現(xiàn)材料去除，所以磨粒硬度越高，切削能力越強(qiáng)，材料去除效果越好。磨粒的強(qiáng)度指的是磨粒在承受外力時(shí)不被壓碎的能力，即磨粒強(qiáng)度越高，切削力越強(qiáng)，使用壽命越高。磨粒種類(lèi)很多，常用的有碳化硅、金剛石、白剛玉、陶瓷氧化鋁等，考慮到成本與應(yīng)用對(duì)象等因素，本研究?jī)?yōu)先選用碳化硅磨粒作為磨粒固化氣囊的磨粒層材料。

圖1 磨削、游離磨粒拋光和磨粒固化氣囊光整技術(shù)對(duì)比

磨粒固化氣囊成型工藝方法可選擇手工冷粘成型、模壓成型和噴射成型等。其中，手工冷粘成型成本低，設(shè)備投資少，操作簡(jiǎn)便，但制品均勻性較差；模壓成型是在手工冷粘成型基礎(chǔ)上，利用凹凸模進(jìn)行壓制成型，相對(duì)手工冷粘成型，制品均勻性得到改善，且性能穩(wěn)定；噴射成型是基于制品均勻性考慮而提出的另一種工藝方法，通過(guò)噴槍的勻速?lài)娚浔ＷC制品的均勻性，但設(shè)備投資大，成本較高。

本研究采用簡(jiǎn)單傳統(tǒng)的手工冷粘成型方法制備低成本磨粒固化氣囊，并對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能分析和光整試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證其可行性和有效性，并為將來(lái)采用模壓成型或噴射成型制備磨粒固化氣囊提供技術(shù)準(zhǔn)備和經(jīng)驗(yàn)積累。采用不同粒度碳化硅磨粒制備的磨粒固化氣囊實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 不同粒度值的磨粒固化氣囊

3 磨粒固化氣囊理論分析與試驗(yàn)研究

3.1 力學(xué)性能分析

本研究中氣囊基體選用邵氏硬度為48，厚度為2mm的丁苯合成橡膠材料，根據(jù)公式：

式中：Hs—硬度，E—彈性模量。

可得橡膠基體層的彈性模量E=2.29 MPa；粘結(jié)劑固化后邵氏硬度為32，則粘結(jié)層的彈性模量E=1.24 MPa。

對(duì)于只有兩相組成的磨粒固化氣囊，即N=2，利用公式：

式中：i—整數(shù)，J=-1～1，Φi—體積分?jǐn)?shù)。

當(dāng)J 分別取±1 時(shí)，表示該磨粒固化氣囊彈性模量的上、下限[10]，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

通過(guò)表2 可知：磨粒固化氣囊相比傳統(tǒng)意義的氣囊，彈性模量低，但沒(méi)有數(shù)量級(jí)的差異，故相對(duì)工件的吻合特性沒(méi)有明顯下降，滿(mǎn)足自由曲面大面積仿形接觸的光整需求。

表2 不同粘結(jié)層厚度的磨粒固化氣囊理論彈性模量

假定該固化氣囊模型是各向同性的超彈性材料，具有不可壓縮的性質(zhì)，則根據(jù)Mooney-Rivlin 模型可確定其材料系數(shù)：

式中：W—應(yīng)變能密度；C1，C2—材料的力學(xué)性能常數(shù)；I1，I2—第一張量不變量和第二張量不變量。

I1和I2 可表示為：

式中：λ1，λ1，λ3—3 個(gè)方向的主伸長(zhǎng)比。

理想不可壓縮材料的體積是不變的，則J=λ1λ2λ3=1。對(duì)于材料的力學(xué)性能常數(shù) C1和 C2，可用軸向拉伸等方式測(cè)量。同時(shí)由Kirchhoff 應(yīng)力張量和Green 應(yīng)變張量之間的關(guān)系得出：

式中：t1—λ1方向上的真實(shí)應(yīng)力，與工程應(yīng)力σ1 的關(guān)系為 t1= σ1λ1。

由此可得出該模型的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，為之后的有限元分析提供了理論依據(jù)，同時(shí)可避免實(shí)際拋光時(shí)超出材料所能承受的最大應(yīng)力范圍，導(dǎo)致材料破壞。

3.2 拋光試驗(yàn)

筆者應(yīng)用制備的磨粒固化氣囊，結(jié)合機(jī)器人輔助拋光技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，觀(guān)察試驗(yàn)效果，以驗(yàn)證該磨粒固化氣囊的可行性和有效性。該實(shí)驗(yàn)制備出6 種不同粘結(jié)層厚度的磨粒固化氣囊，分別為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm，編號(hào)為1～6。試驗(yàn)條件為：半球型直徑40 mm 的磨粒固化氣囊，拋光工具轉(zhuǎn)速1 400 r/min，下壓量2.0 mm，氣囊傾角π/9 rad。該6 組磨粒固化氣囊針對(duì)同一類(lèi)工件、相似的表面粗糙度，定點(diǎn)拋光100 s，觀(guān)察其表面拋光效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3～5 所示。

表3 不同粘結(jié)層厚度的磨粒固化氣囊磨粒脫落量（單位：g）

表4 不同粘結(jié)層厚度的磨粒固化氣囊工件材料去除量（單位：g）

表5 拋光后工件表面粗糙度Ra

通過(guò)手工冷粘成型的磨粒固化氣囊均勻性較差，精度較低，主觀(guān)因素影響較大，但從上述數(shù)據(jù)中仍可看到：粘結(jié)層厚度越小，磨粒固著效果較差，工件材料去除量較少，但都在一定程度上降低了工件表面粗糙度，提高了工件表面質(zhì)量。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是粘結(jié)層厚度越小，固化的磨粒越少，但固化氣囊的均勻性越容易控制。固化氣囊的均勻性對(duì)整個(gè)拋光加工質(zhì)量穩(wěn)定性有很大的影響，因此研究者需要通過(guò)進(jìn)一步的模壓成型或噴射成型工藝來(lái)保證固化氣囊的均勻性，以提高工件表面精度。

筆者選用均勻性較容易控制且粘結(jié)層厚度為0.5 mm 的磨粒固化氣囊做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，以研究氣囊轉(zhuǎn)速對(duì)工件表面加工質(zhì)量的影響，下壓量均為2.0 mm，定點(diǎn)拋光100 s，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下工件表面粗糙度隨時(shí)間的變化

根據(jù)圖3 可得：磨粒固化氣囊在前50 s 內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，材料去除效果越好，表面質(zhì)量提升越快；而50 s后磨粒的脫落導(dǎo)致光整效果明顯下降。因此在后續(xù)的研究中，需要充分加強(qiáng)復(fù)合層，特別是磨粒與粘結(jié)層的粘結(jié)效果，在保證表面質(zhì)量的同時(shí)提高加工效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究針對(duì)模具激光強(qiáng)化表面高硬度、高耐磨性的特點(diǎn)，提出了一種新型磨粒固化氣囊光整技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)模具激光強(qiáng)化表面的高效精密自動(dòng)化光整加工。通過(guò)研究磨粒固化氣囊光整技術(shù)，確定出利用酸性硅酮密封膠將磨粒直接固化在丁苯橡膠基體表面，以制得磨粒固化氣囊的工藝方法。通過(guò)拋光實(shí)驗(yàn)得出，控制磨粒固化氣囊的均勻性，加強(qiáng)復(fù)合層的粘結(jié)效果，可以降低工件表面粗糙度，提高加工效率的結(jié)論。

該光整技術(shù)與傳統(tǒng)氣囊拋光相比，具有一定的創(chuàng)新意義和實(shí)用價(jià)值，值得進(jìn)一步深入研究。

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