砂布輪柔性拋光力的建模與參數(shù)優(yōu)化

淮文博， 唐虹， 史耀耀， 藺小軍

西北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室， 西安 710072

砂布輪柔性拋光力的建模與參數(shù)優(yōu)化

淮文博， 唐虹， 史耀耀*， 藺小軍

西北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室， 西安 710072

砂布輪柔性較大可以實現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)葉片微面切觸自適應(yīng)拋光，提高葉片表面完整性和力學(xué)性能。拋光力是影響拋光表面完整性的關(guān)鍵參數(shù)，通過單因素試驗分析確定了砂布輪拋光力的影響參數(shù)及其影響規(guī)律，通過正交試驗和極差法確定了影響拋光力的主要參數(shù)是砂布輪的壓縮量和轉(zhuǎn)速；利用二元二次回歸正交試驗得出了拋光力的預(yù)測模型，利用該模型分析了拋光力預(yù)測誤差變化趨勢，明確了不同轉(zhuǎn)速下拋光力主要影響參數(shù)的穩(wěn)定域；整體葉盤的拋光試驗表明：通過合理控制拋光力，可以實現(xiàn)表面粗糙度小于0.4 μm的拋光效果，且效率比人工提高20%。

葉片； 砂布輪； 拋光力； 建模； 參數(shù)優(yōu)化

葉片是航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)大推動力的核心部件[1-2]。不合格的葉片表面質(zhì)量容易造成葉片疲勞失效，縮短葉片壽命、降低發(fā)動機(jī)性能[3-4]，甚至釀成機(jī)毀人亡的后果。而表面粗糙度是影響葉片表面質(zhì)量[5-6]、力學(xué)性能、機(jī)械特征的關(guān)鍵參數(shù)[7]；所以國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了大量的以降低表面粗糙度為目的的表面拋光研究工作，在拋光模型機(jī)理、拋光系統(tǒng)、拋光工藝等方面已取得豐碩的研究成果。

但是，關(guān)于磨具在拋光力作用下產(chǎn)生微變形從而實現(xiàn)“隨形微面切觸”的自適應(yīng)拋光方面的研究文獻(xiàn)甚少。Wu等[8]使用磨削中心以彈性球形輪作為拋光刀具沿曲面切削軌跡對空間自由曲面進(jìn)行拋光，有效去除了殘留高度，獲得了一致的表面粗糙度。針對復(fù)雜幾何形狀，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[9-13]，但材料去除率小，拋光效率低[9]，成本大[14]。Huang等[2]采用機(jī)器人柔性磨頭和自適應(yīng)路徑規(guī)劃技術(shù)克服了葉片型面形狀變化復(fù)雜而引起的拋光難的問題。Tam等[15]依據(jù)曲面曲率變化或刀具尺寸變化來自適應(yīng)調(diào)整軌跡行距以確保磨具和拋光表面全面均勻地接觸，實現(xiàn)了鏡面拋光效果。Wang等[6]基于小型機(jī)器人，用計算機(jī)控制、視覺定位、氣缸伺服等技術(shù)構(gòu)成磨頭自適應(yīng)拋光控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了大型模具曲面的理想拋光。Marquez等[16]設(shè)計了六自由度機(jī)器人模具自由曲面拋光系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)所拋光工件曲面的幾何信息和機(jī)器人的位姿生成相應(yīng)的控制策略，實現(xiàn)了柔性化拋光；Ahn[17]在磨頭上安裝聲發(fā)射傳感器來檢測模具表面的微量變化，調(diào)整磨頭位姿以獲得高的表面質(zhì)量。Chaves-Jacob等[18]用五軸數(shù)控銑床作為空間曲面的拋光機(jī)器，用以彈性橡膠為基底的彈性砂輪作為拋光刀具，通過控制刀具的彈性變形來控制徑向力，提高了拋光力的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了空間曲面理想的拋光效果。Pan等[19]針對球面鏡頭拋光、Zeng和Blunt[20]針對醫(yī)用鈷鉻合金拋光，都采用氣囊作為拋光工具，通過合理地控制工藝參數(shù)實現(xiàn)了理想的拋光效果。在國內(nèi)，重慶大學(xué)黃云和路勇等[21-22]在研制的砂帶磨床上對不銹鋼和鈦合金工件進(jìn)行了磨削工藝試驗，研究了工藝參數(shù)對砂帶壽命、砂帶磨損量、材料去除量和表面粗糙度的影響。南京航空航天大學(xué)霍文國等[23-24]在干式砂帶磨削條件下，分析了磨削用量對磨削力、磨削溫度和磨削表面完整性的影響，并對磨粒磨損面積、磨粒高度、磨損量、金屬去除量和磨粒磨損形態(tài)進(jìn)行了研究。北京航空航天大學(xué)李勛和劉佳等[25-26]針對鈦合金在磨削加工過程中發(fā)生的磨削燒傷現(xiàn)象，分析了磨削力、磨削溫度對工件表面粗糙度、表面形貌、表面層金相組織及顯微硬度的影響。西北工業(yè)大學(xué)黃新春等[27-28]通過GH4169高溫合金平面切入磨削試驗，研究了磨削參數(shù)對表面特征的影響，獲得了磨削參數(shù)的穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域。浙江工業(yè)大學(xué)計時鳴和張利等[29-31]提出了新型氣囊拋光技術(shù)，遼寧科技大學(xué)郭龍文等[32]研發(fā)了一種基于機(jī)器人的自由曲面磁力研磨裝置，沈陽工業(yè)大學(xué)孫興偉和趙正慶等[33-34]提出了一種采用砂帶千葉輪成型拋光螺桿螺旋曲面的新型工藝方法。

以上拋光方法都是基于數(shù)控機(jī)床或機(jī)器人并通過一定算法對磨具軌跡、位姿或拋光力進(jìn)行精確地控制而實現(xiàn)的；但數(shù)控機(jī)床昂貴[19]且不具備力的控制功能[18]、控制算法復(fù)雜[6]；機(jī)器人盡管可以很好地控制力，但拋光軌跡誤差大[6]；氣囊拋光位置精度控制復(fù)雜[19]；砂帶拋光效率高，但不適用于拋光進(jìn)排氣通道狹窄的整體葉盤，容易與葉片發(fā)生干涉[3]。

為提高磨具與拋光曲面“隨形微面切觸”的自適應(yīng)性，作者提出用砂布輪作為拋光工具，在自主研發(fā)的五軸數(shù)控拋光機(jī)[1]上對葉片型面進(jìn)行拋光；高速旋轉(zhuǎn)的砂布輪在離心力作用下其半徑增大，在復(fù)雜曲面拋光中有良好的柔性和“隨形微面切觸”的自適應(yīng)性，在確保拋光力比較穩(wěn)定的情況下可有效避免“欠拋”或“過拋”，保證葉片曲面的完整性。

因為穩(wěn)定的拋光力產(chǎn)生均勻的材料去除率，所以拋光力是影響拋光表面完整性的關(guān)鍵參數(shù)[35-38]。在拋光過程中需要足夠的拋光力使拋光表面產(chǎn)生局部塑性變形從而有效去除材料[39-40]；但拋光力過大容易造成“過拋”而損傷葉片、降低葉片尺寸精度，拋光力過小難以產(chǎn)生足夠的材料去除率和獲得理想的表面粗糙度。因此，拋光力越穩(wěn)定，表面波紋度、粗糙度和誤差越小[4]。但是，砂布輪拋光力的變化規(guī)律、拋光力的主要影響參數(shù)及其穩(wěn)定域還尚不清楚。為了有效預(yù)測和控制砂布輪的拋光力以獲得理想的表面質(zhì)量，本文通過單因素試驗分析了拋光力的影響參數(shù)及其影響規(guī)律，通過四因素三水平正交試驗分析了砂布輪拋光力的主要影響參數(shù)，通過二元二次回歸正交試驗建立了拋光力的預(yù)測模型；通過分析拋光力的預(yù)測誤差變化趨勢，確定了影響拋光力的主要參數(shù)的穩(wěn)定域；最后，通過葉片拋光試驗證明合理地控制拋光力可以獲得理想的拋光表面質(zhì)量。

1 砂布輪拋光力影響參數(shù)分析

1.1 砂布輪柔性拋光機(jī)理

初始半徑為r0的砂布輪以轉(zhuǎn)速ω高速轉(zhuǎn)動，砂布片在離心力作用下沿半徑方向伸展，使砂布輪半徑增大至r=r0+Δr，試驗證明砂布輪在相同轉(zhuǎn)速下r0越大半徑增量Δr越大；圖1為基材為布基、磨粒為綠色碳化硅(Green SiC, GC)，規(guī)格分別為7 mm×12 mm/320(初始半徑r0×厚度L/粒度P)、8.5 mm×14 mm/320、10 mm×16 mm/320的砂布輪在不同轉(zhuǎn)速下半徑變化規(guī)律。砂布輪在拋光中受工件表面擠壓而變形，沿半徑方向最大變形量稱為壓縮量，用ap表示；砂布輪在壓縮量ap方向作用于工件的力稱為拋光力，用F表示，如圖2所示。

圖1 砂布輪半徑與轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig. 1 Relationship between radius and rotation speed of abrasive cloth wheel

圖2 砂布輪拋光原理Fig. 2 Polishing principle of abrasive cloth wheel

當(dāng)高速轉(zhuǎn)動的砂布輪與拋光表面接觸后，與工件接觸的砂布被壓縮而產(chǎn)生彈性變形，砂布輪與拋光表面產(chǎn)生相互作用力。因此，砂布輪在拋光過程中針對葉片薄、型面復(fù)雜、曲率變化大的特點具有優(yōu)越的自適應(yīng)性，一是可以與葉片空間復(fù)雜的曲面隨形切觸，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，可有效避免過切、剛性沖擊和葉片型面損傷；三是磨頭的結(jié)構(gòu)簡單、體積小，可減少干涉，深入狹窄的進(jìn)排氣通道拋光。

為掌握拋光力的變化規(guī)律，比較準(zhǔn)確地預(yù)測和控制拋光力，在下述試驗平臺依次做單因素試驗、正交試驗和二元二次回歸正交試驗；利用試驗結(jié)果分析拋光力的影響參數(shù)及其影響規(guī)律，確定影響拋光力的主要參數(shù)并建立預(yù)測模型。

1.2 拋光力試驗平臺

圖3 拋光力測試試驗現(xiàn)場Fig. 3 Polishing force test site

采用尺寸為105 mm×60 mm×10 mm的鈦合金TC4平板為試件，將其安裝在接有型號為CHB/A的Contronix數(shù)字顯示儀表的10 kg電阻應(yīng)變式力傳感器上；用百分表找正使試件的拋光表面處于水平狀態(tài)；針對鈦合金磨削特點，本文所有試驗選用基材為布基、磨料為綠色碳化硅的砂布輪為磨具，在自主研發(fā)的五軸數(shù)控拋光機(jī)[1]上做拋光力測試試驗，如圖3所示。該拋光機(jī)的柔性磨頭主軸根據(jù)數(shù)控程序中的葉片幾何型面變化，通過徑向均勻分布的3個微位移汽缸和軸向的1個微位移汽缸實時調(diào)整磨頭位姿，使砂布輪和葉片幾何型面有效地切合從而實現(xiàn)柔性自適應(yīng)拋光；具體工作原理見文獻(xiàn)[1]。

將柔性磨頭擺動軸a調(diào)整90°使砂布輪旋轉(zhuǎn)軸呈水平狀態(tài)與試件表面平行；數(shù)控編程中的刀具半徑為r0+Δr-ap(即砂布輪旋轉(zhuǎn)時的半徑減去壓縮量)，磨頭在x方向以速度vf作進(jìn)給運動并保持y、z坐標(biāo)和工作臺旋轉(zhuǎn)軸u不變，這樣就可保證壓縮量在砂布輪做進(jìn)給運動時基本穩(wěn)定，如圖2所示。

1.3 單因素對拋光力的影響規(guī)律分析

砂布輪的拋光工藝參數(shù)有砂布輪的壓縮量ap、轉(zhuǎn)速ω、進(jìn)給速度vf、初始半徑r0、粒度P等，為發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)對拋光力的影響規(guī)律，以這5個參數(shù)為變量在上述試驗平臺分別做單因素試驗，試驗結(jié)果如圖4所示。本試驗用砂布輪規(guī)格：圖4(a)和圖4(d)為8.5 mm×14 mm/320；圖4(b)為7 mm×12 mm/320和8.5 mm×14 mm/320，10 mm×16 mm/320；圖4(c)為8.5 mm×14 mm/240 和8.5 mm×14 mm/600。

砂布輪在拋光時的壓縮量ap越大，其彈性變形量就越大，因此產(chǎn)生的拋光力也越大，如圖4(a)～4(c)所示。砂布輪轉(zhuǎn)速越大，每個砂布片的離心力就越大，在拋光時與拋光表面的相互作用力也越大，所以在同一壓縮量下轉(zhuǎn)速越大拋光力越大，如圖4(a)所示。同材質(zhì)的砂布輪初始半徑越大，砂布片在半徑方向的尺寸就越大，則其彈性系數(shù)就相對??；而且在相同轉(zhuǎn)速、相同壓縮量的情況下參與拋光的砂布片數(shù)量也少；所以直徑越大的砂布輪產(chǎn)生的拋光力就越小，如圖4(b)所示。

圖4 單因素對拋光力的影響Fig. 4 Effect of single-factor on polishing force

砂布輪粒度越大，磨粒的體積和質(zhì)量越?。粍t粒度大的砂布片較薄，質(zhì)量和彈性系數(shù)相對較小；所以粒度較大的砂布輪高速旋轉(zhuǎn)時柔性較大，產(chǎn)生的拋光力較小，如圖4(c)所示。試驗證明：砂布輪的進(jìn)給速度對拋光力幾乎沒有影響，如圖4(d)所示。對于尺寸、粒度給定的砂布輪在高速旋轉(zhuǎn)時，其拋光力主要來源于彈性變形，與進(jìn)給速度無關(guān)；如果拋光曲面存在形位誤差則會導(dǎo)致壓縮量變化從而引起拋光力變化。上述試驗結(jié)果表明，拋光力的影響參數(shù)為壓縮量ap、砂布輪轉(zhuǎn)速ω、砂布輪初始半徑r0、砂布輪粒度P。

1.4 影響拋光力的主要參數(shù)

為了確定ap、ω、P、r0對拋光力的影響大小，設(shè)計了四因素三水平的正交試驗，用極差法來確定4個因素的主次順序[41]。砂布輪厚度L、試驗方案和試驗結(jié)果如表1所示。Ki為任意列上水平號為i時所對應(yīng)試驗結(jié)果之和；ki=Ki/s為任一列上因素取水平i時所得試驗結(jié)果的算術(shù)平均值，s為任一列上各因素水平出現(xiàn)的次數(shù)，本文中s=3；R為極差，R=max(K1,K2,K3)-min(K1,K2,K3)，或R=max(k1,k2,k3)-min(k1,k2,k3)。

依據(jù)表1中的數(shù)據(jù)計算可得r0的極差R1=0.084 93，ap的極差R2=0.277 67，ω的極差R3=0.117 60，P的極差R4=0.111 07；顯然R2>R3>R4>R1，則影響拋光力的因素的主次順序為：ap、ω、P、r0。

2 拋光力預(yù)測模型

2.1 二元二次回歸正交試驗設(shè)計

回歸正交設(shè)計不僅有合理的試驗設(shè)計和較少的試驗次數(shù)，還能建立有效的預(yù)測模型，它可以在因素的試驗范圍內(nèi)選擇合適的試驗點，用較少的試驗建立一個精度高、統(tǒng)計性好的回歸方程[41]。由上述分析知P、r0為影響拋光力的次要因素，所以在試驗時將這2個參數(shù)固定在某個較好水平上，所以取規(guī)格為8.5 mm×14 mm/320的砂布輪，試驗時只考慮ap、w這2個主要因素的變化情況，因此采用二元二次回歸正交試驗。

表1 試驗參數(shù)和結(jié)果Table 1 Test parameters and results

正交組合設(shè)計由3類試驗點組成，即二水平試驗、星號試驗和零水平試驗。對二元二次回歸正交試驗設(shè)計的全實施試驗次數(shù)mc=2m=4，m為試驗因素數(shù)；星號試驗次數(shù)mγ與m有關(guān)，即mγ=2m=4；零水平試驗做2次，即m0=2。所以二元二次回歸正交試驗的總次數(shù)為n=mc+2m+m0=10。星號臂長度的表達(dá)式為

表2 因素水平編碼Table 2 Code of factors’ level

2.2 拋光力預(yù)測模型及顯著性

通過多元線性回歸得到拋光力的預(yù)測模型為

F= -0.366 8ap+3.5×10-5ω+1.2×

(1)

表4為模型方差表，SS為平方和，由表4可知復(fù)相關(guān)系數(shù)Rr=0.999 52；再利用自由度f和均方值MS計算得到F檢驗值Fr=959.98>F0.01(10，4)=14.55，標(biāo)準(zhǔn)估計誤差SignificanceF<0.01。經(jīng)相關(guān)系數(shù)檢驗法和F檢驗法檢驗，均表明建立的回歸方程非常顯著。

表3 二元二次回歸正交試驗和結(jié)果Table 3 Binary quadratic regression orthogonal test and results

表4 回歸模型方差分析表Table 4 ANOVA table for regression model

通過偏回歸系數(shù)的t檢驗法，對式(1)中各項的主次進(jìn)行分析以簡化拋光力的預(yù)測模型；如果式(1)各項偏回歸系數(shù)對應(yīng)t分布的隨機(jī)變量值|tj|>t0.025=2.776，則說明式(1)中第j項對拋光力影響顯著，否則影響不顯著，可將該項從回歸方程中去掉。

偏回歸系數(shù)的顯著性如表5所示，表明式(1)中apω、ω2是次要因素，對拋光力影響不顯著，可以從式(1)中去掉，得到簡化的回歸方程為

(2)

3 預(yù)測誤差分析及參數(shù)優(yōu)化

3.1 誤差趨勢分析

選用規(guī)格為8.5 mm×14 mm/320的砂布輪以進(jìn)給速度vf=500 mm/min做拋光力測試試驗，如表6所示。試驗數(shù)據(jù)用FE表示；由式(2)計算得到的值用FT表示；Δ=[(FE-FT)/FT]×100%為相對誤差。從圖5所示的誤差變化趨勢可以看出，拋光力誤差隨壓縮量ap增大呈“浴盆”曲線形狀。

表6 拋光力的計算值與測量值Table 6 Calculated and measured values of polishing force

圖5 拋光力預(yù)測誤差變化趨勢Fig. 5 Variation trend of prediction error for polishing force

3.2 誤差成因分析

1) 外界干擾誤差

將砂布輪看作開環(huán)系統(tǒng)，設(shè)其傳遞函數(shù)為G(s)，由白噪聲、機(jī)床的振動、寄生電荷、測量系統(tǒng)誤差等因素組成的干擾信號為N(s)，輸入信號為壓縮量Ap(s)(ap的拉普拉斯變換)，輸出信號為拋光力F(s)，則系統(tǒng)在干擾信號作用下的實際輸出信號為F(s)=G(s)(Ap(s)+N(s))，理想情況下的輸出為F(s)=G(s)Ap(s)，則相對誤差為

在相同測量條件下N(s)可看作常量；由此可見輸入量Ap(s)越小相對誤差越大，這是|Δ|隨壓縮量ap在一定范圍內(nèi)增大而減小的原因。

2) 剛性接觸誤差

當(dāng)ap>Δr時，砂布輪與拋光表面剛性接觸，柔性桿產(chǎn)生了微量位移ap-Δr，所以砂布輪產(chǎn)生的拋光力為F(s)=G(s)(Ap(s)+N(s))+K(Ap(s)-Δr)，K為柔性桿的彈簧剛度。則相對誤差為

|Δ|=|[G(s)(Ap(s)+N(s))+K(Ap(s)-Δr)-

G(s)Ap(s)]/G(s)Ap(s)|=

所以，相對誤差|Δ|隨壓縮量ap增大而顯著增大 ，且誤差與砂布輪旋轉(zhuǎn)軸彈簧剛度K有關(guān)。

3) 砂布輪尺寸誤差

砂布輪的同軸度誤差、每個砂布片尺寸不一致等因素也會產(chǎn)生誤差。

3.3 拋光力參數(shù)的穩(wěn)定域

為準(zhǔn)確預(yù)測拋光力，實現(xiàn)理想的拋光效果，本文確定相對誤差|Δ|<10%時的ap區(qū)間稱作壓縮量ap的穩(wěn)定域。根據(jù)此原則表7列出了規(guī)格為8.5 mm×14 mm/320、磨粒為GC的布基砂布輪在不同轉(zhuǎn)速下的壓縮量的穩(wěn)定域。在穩(wěn)定域內(nèi)，拋光力相對穩(wěn)定，砂布輪尺寸誤差、外界干擾、系統(tǒng)誤差等因素對拋光力影響較小，預(yù)測相對誤差可以控制在10%以內(nèi)。

表7 壓縮量的穩(wěn)定域Table 7 Stability domain of compression size

4 拋光試驗

砂布輪體積小，結(jié)構(gòu)簡單，對整體葉盤拋光可有效避免干涉。因此，利用優(yōu)化參數(shù)在上述專用數(shù)控拋光機(jī)上對材料為TC4的某型發(fā)動機(jī)某級整體葉盤上編號為A、B的兩個葉片(葉背)進(jìn)行拋光試驗，如圖6所示。磨具采用規(guī)格為8.5 mm×14 mm/320的布基GC磨粒砂布輪。如果壓縮量太小則拋光力的預(yù)測誤差大，太大則砂布輪與拋光表面剛性接觸，振動大不利于拋光；應(yīng)在砂布輪的柔性范圍內(nèi)選取較大的壓縮量以獲得較大的拋光力，從而獲得較大的去除量。因此，依據(jù)表7數(shù)據(jù)，試驗在砂布輪柔性范圍內(nèi)取壓縮量ap=1.3 mm，由式(2)計算得拋光力F=0.637 N，實際測得F=0.592 N，預(yù)測誤差|Δ|=7%。每個葉片拋光3次，拋光工藝參數(shù)如表8所示。

采用等參數(shù)線法[3]進(jìn)行軌跡規(guī)劃，數(shù)控編程中的刀具半徑為r-ap=9.7 mm，即砂布輪旋轉(zhuǎn)時的半徑減去壓縮量，這樣就保證了砂布輪在拋光中有比較穩(wěn)定的壓縮量。橫向行距法可以有效消除葉片表面波紋[1],所以采用橫向行距法拋光,即沿著銑削軌跡拋光。

拋光前后，按照圖8所示的測量位置用便攜式粗糙度測量儀垂直于拋光軌跡方向隨機(jī)地在5個不同點位測量A、B兩個葉片粗糙度，并取最大值為測量結(jié)果，通過三坐標(biāo)測量機(jī)測量葉尖輪廓度。

圖6 葉片拋光實例Fig. 6 Polishing example of blade

表8 拋光工藝參數(shù)Table 8 Polishing technological parameters

PolishingparameterValuevf/(mm·min-1)500ω/(r·min-1)6000ap/mm1.3F/N0.637

從表9所示的拋光結(jié)果可知，A、B兩個葉片在拋光后粗糙度<0.4 μm，滿足圖紙要求；拋光后葉片A的輪廓度變化了0.003 mm，葉片B變化了0.002 mm，輪廓度均在公差帶范圍內(nèi)，如圖7 所示；拋光前后葉片表面對比如圖8所示。砂布輪對單個葉片的拋光時間共約45～48 min，人工拋光約60 min，效率比人工提高約20%。整體葉盤葉片的拋光試驗結(jié)果證明：砂布輪在優(yōu)化的參數(shù)范圍內(nèi)拋光，有效地降低了表面粗糙度，保證了葉片型面精度，且效率比人工明顯提高，降低了勞動強(qiáng)度，驗證了柔性拋光力模型和優(yōu)化的參數(shù)范圍。

表9 拋光試驗結(jié)果Table 9 Polishing test results

圖7 輪廓型線Fig. 7 Profile line

圖8 拋光前后葉片型面對比Fig. 8 Comparison of blade surface before and after polishing

5 結(jié) 論

1) 分析了砂布輪柔性切觸拋光機(jī)理，提出了影響拋光力的參數(shù)為壓縮量ap、轉(zhuǎn)速ω、初始半徑r0、粒度P；并通過單因素試驗分析了這些參數(shù)對拋光力的影響規(guī)律。

2) 通過四因素三水平正交試驗結(jié)果分析，明確了壓縮量ap、轉(zhuǎn)速ω為影響砂布輪拋光力的主要參數(shù)；利用主要參數(shù)設(shè)計了二元二次回歸正交試驗，通過多元線性回歸得到了拋光力的預(yù)測模型。

3) 在分析拋光力模型預(yù)測誤差的基礎(chǔ)上，確定了以布為基材的磨粒為GC、規(guī)格為8.5 mm×14 mm/320的砂布輪在轉(zhuǎn)速分別為4 000、6 000、8 000 r/min時拋光力的主要影響參數(shù)的穩(wěn)定域，在穩(wěn)定域內(nèi)拋光力的預(yù)測誤差可以控制在約10%以內(nèi)。

4) 拋光試驗證明，在優(yōu)化的參數(shù)范圍內(nèi)，可以獲得表面粗糙度<0.4 μm，輪廓度變化較小的拋光效果，且效率比人工提高約20%。

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淮文博男， 博士研究生。主要研究方向： 機(jī)械電子、復(fù)雜曲面自適應(yīng)拋光技術(shù)。

E-mail: qjjxk@sohu.com

唐虹男， 教授， 博士生導(dǎo)師。主要研究方向： 機(jī)電控制與自動化。

E-mail: tanghong@nwpu.edu.cn

史耀耀男， 博士， 教授， 博士生導(dǎo)師。主要研究方向： 機(jī)電控制自動化、加工表面光整技術(shù)。

Tel.: 029-88492851

E-mail: shiyy@nwpu.edu.cn

藺小軍男， 博士， 高級工程師， 碩士生導(dǎo)師。主要研究方向： 精密幾何測量、CAD/CAM。

Tel.: 029-88460426

E-mail: linxj@nwpu.edu.cn

*Correspondingauthor.Tel.:029-88492851E-mail:shiyy@nwpu.edu.cn

Modellingandparameteroptimizationofflexiblepolishingforceforabrasiveclothwheel

HUAIWenbo,TANGHong,SHIYaoyao*,LINXiaojun

TheKeyLaboratoryofContemporaryDesignandIntegratedManufacturingTechnology,MinistryofEducation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China

Abrasiveclothwheelwithlargeflexibilitycanrealizemicro-surfacecontactandadaptivepolishingtoimprovethesurfaceintegrityandmechanicalpropertiesoftheaero-engineblade.Becausethepolishingforceisthekeyparameterinfluencingtheintegrityofpolishingsurface,influenceparametersforpolishingforceofabrasiveclothwheelaredeterminedanditsinfluenceregularitiesareanalyzedbysingle-factorexperiment.Thecompressionsizeandtherotationspeedofabrasiveclothwheelaredeterminedasthemaininfluenceparametersforthepolishingforcebytheorthogonalexperimentandrangeanalysis.Predictionmodelofthepolishingforceisobtainedbyusingbinaryquadraticregressionorthogonalexperiment.Thevariationtrendofthepolishingforcepredictionerrorisanalyzedbyusingthemodel,andthestabilitydomainofthemaininfluenceparametersisdeterminedatdifferentrotationspeeds.Theresultsofbliskpolishingexperimentshowthattheidealpolishingresultsofsurfaceroughnesslessthan0.4μmandpolishingefficiencyhigherby20%thanmanualpolishingcanbeachievedbyreasonablecontrolofthepolishingforce.

blades;abrasiveclothwheel;polishingforce;modelling;parametersoptimization

2015-12-21;Revised2015-12-28;Accepted2016-01-04;Publishedonline2016-01-311257

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160131.1257.008.html

NationalScienceandTechnologyMajorProjects(2015ZX04001003)

2015-12-21;退修日期2015-12-28;錄用日期2016-01-04; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間:2016-01-311257

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160131.1257.008.html

國家科技重大專項 (2015ZX04001003)

*

.Tel.:029-88492851E-mailshiyy@nwpu.edu.cn

淮文博, 唐虹, 史耀耀, 等. 砂布輪柔性拋光力的建模與參數(shù)優(yōu)化J. 航空學(xué)報,2016,37(11):3535-3545.HUAIWB,TANGH,SHIYY,etal.ModellingandparameteroptimizationofflexiblepolishingforceforabrasiveclothwheelJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(11):3535-3545.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0009

V232.4

A

1000-6893(2016)11-3535-11