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浙江工业大学硕士学位论文 软固结磨粒气压砂轮的光整加工技术及实验研究 摘要 现代化加工对模具的要求日益提高，越来越多的模具表面为自由曲面并呈现高硬 度、高耐磨性的趋势。在传统的加工方法中，游离磨粒针对自由曲面能得到较好的仿形 度，但低切削力难以实现对高硬度、高耐磨表面抛光的高效性，而刚性磨具与加工表面 难以形成理想的面接触，因而应用范围受到较大限制。 针对高硬度、高耐磨性的自由曲面模具加工的特性，本文综合考虑加工工具的仿形 度及有效切削力，提出了一种新型的软固结磨粒气压砂轮的光整加工技术。该技术将磨 粒固结在高聚物气压砂轮表面，利用气压砂轮的弹性支撑对自由曲面形成理想的面接触 及有效切削力，进而获得理想的加工效率和质量。 本文的主要工作如下： 1 ) 介绍了软固结磨粒气压砂轮的光整加工技术，确立了软固结磨粒气压砂轮的结 构形式以及材料组成；从化学性质、物理性质、受力情况、允许工艺等角度，分析了胶 黏剂材料的选择依据和粘结性质。 2 ) 针对层状结构的软固结磨粒气压砂轮，提出了两种软固结磨粒气压砂轮的制作 工艺方案：对已成型的气压砂轮，建立了表面质量无损性、下压量、硬度、磨粒脱落率 等四个性能评价指标。 3 ) 基于层状弹性体系结构形式，推导两层高聚物的应力与位移分量计算公式，得 到了含有材料性能参数的计算表达式。 4 ) 建立软固结磨粒气压砂轮的模型，对橡胶层、粘结层、磨粒层的应力分布进行 仿真分析，探讨各层厚度变化对应力分布的影响，得到最佳的橡胶层厚度3 m m ，粘结 层厚度0 5 m m 。 5 ) 制备了1 0 个不同材料成分和组分的软固结磨粒气压砂轮进行实验研究和性能测 试，得到了酸性硅酸酮密封胶为优选的胶黏剂；优选基础上制备6 个不同粘结层厚度的 摘要 软固结磨粒气压砂轮，探究其厚度对加工效果的影响，获得了粘结层厚度0 5 r a m 时效 果最佳。 本论文的研究成果为提升高硬度、高耐磨性自由曲面模具的光整效率和质量提供了 一定的理论指导意义，具有一定的技术借鉴价值。 关键词：气压砂轮，胶黏剂，工艺方案，应力分布，实验研究 浙江工业大学硕士学位论文 f i n i s h i n gt e c h n i q u eo fp r e s s u r eg l u n d i n gw h e e l w i t hs o f t n e s sf e da b r a s i v ea n de x p e r i m e n t a l s t u d y a b s t r a c t t h em o d e mm a c h i n i n gd e m a n df o rm o l d si sr e q u i r e dt ob ei n c r e a s i n g l yi m p r o v e d t h e r e a r em o r ef r e e - f o r ms u r f a c e sw i t hh i g hh a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c e i nt h et r a d i t i o n a l p r o c e s s i n gm e t h o d so fm o l d s ，f r e ea b r a s i v e c a l lm a k ec o p y i n gc o n t a c tw i t hf r e e - f o r ms u r f a c e s ， b u tl o wc u t t i n gf o r c eh a sd i f f i c u l t yt oc u tt h es u r f a c ew i t hh i i g hh a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c e e f f e c t i v e l y a n dr i g i dl a p p i n gt o o l sc a n n o tm a k eg o o ds u r f a c ec o n t a c tw i t hm a c h i n e ds u r f a c e s ot h ea p p l i c a t i o no ft h i st r a d i t i o n a lp r o c e s s i n gm e t h o dh a si t sl i m i t a t i o n a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c so ff r e e - f o r ms u r f a c e sw i t hh i 曲h a r d n e s sa n d w e a rr e s i s t a n c e ，an e wf i n i s h i n gt e c h n i q u eo fp r e s s u r eg r i n d i n gw h e e lw i t hs o f t n e s sf i x e d a b r a s i v ew a sp r o p o s e di nt h i st h e s i s ，w h i c hh a da d v a n t a g e so ft h ec o p y i n ga b i l i t yo f p o l i s h i n g t o o l sa n dt h e i re f f e c t i v ec u t t i n gf o r c e t h ea b r a s i v ew a sc o n s o l i d a t e do nt h es u r f a c eo f p o l y m e rg r i n d i n gw h e e l ，i tm a d eu s eo fe l a s t i cs u p p o r to fg i z z a r dt og e n e r a t eg o o ds u r f a c e c o n t a c ta n de f f e c t i v ec u t t i n gf o r c es ot h a tt h em a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n d q u a l i t yi sg o o d t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si ss h o w na sf o l l o w s ： 11t h ef i n i s h i n gt e c h n i q u eo fp r e s s u r eg r i n d i n gw h e e lw i t hs o f t n e s sf i x e da b r a s i v ew a s p r o p o s e d ，a n di tp u tf o r w a r dt h es t r u c t u r ea n dm a t e r i a lc o m p o s i t i o no fp r e s s u r eg r i n d i n g w h e e lw i t hs o f t n e s sf i x e da b r a s i v e i nt e r m so fc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，p h y s i c a lp r o p e r t i e s ，f o r c e c o n d i t i o n sa n da l l o w e dp r o c e s s e s ，s e v e r a ls e l e c t i o nb a s e sw e r ei n t r o d u c e dt oc h o o s e a d h e s i v e sa sw e l la sb o n d i n gb e h a v i o r s 2 ) a c c o r d i n gt ot h el a y e rs t r u c t u r eo fp r e s s u r eg r i n d i n gw h e e l ，t h e r ew e r et w ok i n d so f m a n u f a c t u r ep r o c e s ss c h e m e s t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d e x e s ，w h i c hw e r ec o m p o s e do f l o s s l e s ss u r f a c eq u a l i t y , p r e s sa m o u n t ，h a r d n e s sa n df a l l o u tp r o d u c t i o no fa b r a s i v e ，w e r e e s t a b l i s h e dt ov e r i f yw h e t h e rt h eg r i n d i n gw h e e lw a ss u i t a b l ef o rm a c h i n i n g 3 ) b a s e do nt h el a y e r e de l a s t i ca r c h i t e c t u r e ，t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a so fs t r e s sa n d d i s p l a c e m e n tc o m p o n e n tw e r ed e r i v e da n dt h ec o m p u t a t i o n a le x p r e s s i o n sw h i c hj u s t i n c l u d i n gm a t e r i a lp r o p e r t yp a r a m e t e r sw e r es u p p o r t e d 4 ) b ym o d e lb u i l d i n go fg r i n d i n gw h e e l ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no f r u b b e rl a y e r , a d h e s i v e l a y e ra n da b r a s i v el a y e rw a ss i m u l a t e d ，i ti n v e s t i g a t e dt h es t r e s sc h a n g i n gg e n e r a t e db y i i i a b s t r a c t c h a n g i n gl a y e rt h i c k n e s s f r o mt h ea n a l y s i sr e s u l t s ，t h eo p t i m i z a t i o nt h i c k n e s so fr u b b e ri s3 m i l l i m e t e r sa n dt h eo p t i m i z a t i o nt h i c k n e s so fa d h e s i v ei s0 5m i l l i m e t e r s 5 ) e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dp e r f o r m a n c et e s t i n gw e r e d o n eb yp r e p a r i n gt e ng r i n d i n g w h e e l sw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a lc o m p o s i t i o na n di to b t a i n e dt h eo p t i m i z a t i o na d h e s i v e o nt h e b a s i so fo p t i m i z a t i o na d h e s i v e ，s i xp r e s s u r eg r i n d i n gw h e e l sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s sw e r e p r e p a r e dt os t u d yt h ep r o c e s s i n ge f f e c t sa f f e c t e db yt h et h i c k n e s so fa d h e s i v el a y e r 1 1 1 e r e s u l t ss h o wt h a tt h ef i n i s h i n ge f f e c ti st h eb e s tw h e nt h et h i c k n e s so fa d h e s i v el a y e ri s0 5 m i l l i m e t e r s t h i st h e s i sh 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 r t h ef i n i s h i n ge f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo ff r e e f o r ms u r f a c em o u l dw i t hh i g hh a r d n e s sa n dw e a l r e s i s t a n c e k e yw o r d s ：p r e s s u r eg r i n d i n gw h e e l ，a d h e s i v e ，p r o c e s sp l a n n i n g ，s t r e s sd i s t r i b u t i o n ， e x p e r i m e n t a ls t u d y w 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文选题来源 本论文依托以下科研项目开展主要的研究工作： 1 】 国家自然科学基金：软固结磨粒群的理想切削条件与模具激光强化曲面气压 砂轮高效光整工艺( 编号：5 1 1 7 5 4 7 1 ) 。 2 】 国家自然科学基金：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( 编号：5 0 5 7 5 2 0 8 ) 。 1 2 论文研究背景和研究意义 现代制造方法不断追求其高效性和绿色性，其中最能代表国际先进水平和未来发展 方向的当属模具表面激光强化处理，主要包括了激光相变硬化、激光熔凝、激光合金化、 激光熔覆。该技术具有三个突出优势，一是强化的对象可自由选择，不需要对全部表面 而是有针对性的进行局部表面强化，不仅使得加工面积和加工能耗大幅度降低，而且节 约了加工时间和贵金属的使用量；二是促使模具表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐腐 蚀性得到了大幅度的提高，进一步改善模具的使用性能和使用寿命；三是由于模具自由 曲面加工的特殊性，可根据其设计相应的激光扫描轨迹，以适应模具自由曲面的加工。 一方面，激光强化处理大幅度提高了模具表面的使用性能；另一方面，基于该类模 具表面加工的难度也随之加剧。针对激光模具强化表面的后续加工技术难以取得突破性 的进展，存在诸多的制约因素：高硬度、高耐磨性、自由曲面面形的复杂性、局域强化 带来的局域硬度差异等。在后续加工工序中，刚性砂轮形状对精密加工存在一定的制约， 加之自由曲面曲率各向差异且多变，无法直接获得精密的面形精度，加工后留下的大尺 寸加工余量和较高粗糙度的表面必须进入后续的光整加工工序。 对于传统的模具光整加工而言，复杂的自由曲面限制了自动化加工的发展，大部分 的模具加工不得不采用手工操作。由于手工操作的加工时间占用了整个模具加工的总时 间的4 0 以上，加工效率极低，因此整个模具制造技术的发展受到了严重的制约。现有 的光整加工技术主要是采用游离磨粒加工，游离磨粒运动姿态相对自由，难以对高硬度、 第1 章绪论 高耐磨性表面形成有效的切削；刚性研磨工具难以与工件曲面形成良好的面接触，因此， 难以形成高效的加工。高硬度、高耐磨性的自由曲面使得光整加工更加困难，即使是采 用手工操作，目前也没有适合的工具可以用于高硬度、高耐磨性自由曲面有效且精密的 光整切削，无法满足加工效率的要求【l 】。 本文提出了一种适用于高硬度、高耐磨性的自由曲面的光整加工新方法，以期实现 高硬度高耐磨性自由曲面的高效精密自动化光整加工。本论文的主要研究内容涉及软固 结磨粒气压砂轮的组成材料及其特性分析，提出了两种不同的制备工艺方案，推导软固 结磨粒气压砂轮各层应力和位移分量的计算公式，对各层应力分布进行仿真分析，制备 出不同参数的软固结磨粒气压砂轮用于抛光试验，对改进的气压砂轮结构进行了抛光工 艺验证。本文研究成果对于推进高硬度、高耐磨性的自由曲面的自动化抛光技术的发展 具有一定的理论指导意义。 1 3 气囊抛光技术的研究现状 1 3 1 气囊抛光技术 气囊抛光技术于2 0 0 0 年首次提出【2 。15 1 ，这一崭新光整d i t 技术的提出者为英国伦敦 光学实验室和z e e k o 公司【1 6 - 2 6 。基于这一崭新的加工理念，成功开发了i r p 系列的高精 度抛光设备用于光学器件表面的抛光。英国伦敦光学实验室和z e e k o 公司研制的气囊抛 光工具丰要是以一种球形状柔性膜为核心构件。该柔性膜表面覆盖特定材料的抛光布或 者装载固着磨料的柔性材料，抛光布易于更换，搭配使用特定的抛光液对光学器件进行 研抛。该类抛光工具的截面图以及各种不同尺寸的气囊如图1 1 所示。该类抛光工具可 控制其内部压力、接触区域、主轴倾角和旋转速度。 图1 1气囊抛光工具截面图【1 6 - 2 6 j 和不同尺、j 的气囊 2 l旱。卜罗 热一霉一 浙江工业大学硕士学位论文 国内哈尔滨工业大学 2 7 - 3 6 首先开展了气囊抛光技术的研究，并最终研制了气囊抛光 工具以及气囊抛光实验样机用于对b k 7 进行光学实验，如图1 2 所示。哈尔滨工业大学 对上述柔性气囊做了部分改进，如图1 - 3 所示。改进型的气囊结构中，由于纤维布具有 较高的抗拉强度且厚度较薄，因此加强布层选用纤维布；抛光膜层选用聚氨酯抛光垫， 其厚度为0 8 m m ，同时橡胶气囊层的厚度为l m m 或2 m m 。改变气囊的充气压力，借助 充气压力与气囊机械特性之间的内在联系，分析了气囊的弹性系数以及变形量受气囊结 构的影响，为合理设计和选用气囊提供了依据。气囊的结构设计对本文的研究具有一定 的借鉴价值。 对 _ h h 。一i i 鼍藿警，善毛 z 轴矿z 蓖 图1 - 2 哈尔滨工业大学研制的气囊抛光试验样机【2 7 】 图1 3哈尔滨工业大学改进型气囊结构【2 7 】 本文提出的软固结磨粒气压砂轮光整加工技术，有效地结合了固结磨粒磨削和柔性 抛光工具的技术优势，既可以提高对高硬度、高耐磨性表面的加工效率，又可以适应自 由曲面复杂的形面曲率变化。 1 3 2 模具自由曲面气囊抛光技术 本人所在的课题组将传统的气囊抛光技术用于模具加工，提出了一种自由曲面气囊 抛光的新技术，研发了适用于模具自由曲面的气囊抛光t 具，建立了新型的机器人辅助 第1 章绪 论 气囊抛光系统。如图1 4 所示，该柔性抛光工具的头部是一个柔性的气囊，气囊内部的 气压可在线控制，柔性气囊的表面覆盖了一层抛光布，改变气囊内部的充气压力和抛光 工具的下压量，改善了气囊相对于加工曲面间的顺应性接触，并结合机器人控制技术实 现模具自由曲面的自动化抛光 3 7 - 4 5 】。 图l - 4 模具自由曲面抛光工具 为了满足不同的抛光需求和加工需求，课题组还设计了手持式气囊抛光工具以及其 它各种抛光工具，如图1 5 所示。 图1 - 5 手持式气囊抛光工具及其他种类抛光工具 以磨粒的运动特性作为研究对象，课题组建立了频闪摄影系统和抛光空间可控磁 场，提出了应用光固化树脂和频闪摄影技术研究气囊接触变形和磨粒场运动状态的新方 法；提出了理想磨粒场这一概念，基于气囊抛光工具控制原理和理想磨粒场要求，实现 了抛光主动控制；提出了气囊抛光轨迹规划方案和工艺路线，精密抛光效果的表面粗糙 度达到了r a 0 0 0 5 l l m 4 6 5 2 1 。 4 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 磨粒加工技术的研究现状 磨粒加工技术是精密、超精密加工领域一般采用的加工技术。按照磨粒的固结方式 可以归结为游离磨粒加工和固着磨粒加工，其中，游离磨粒加工通常包含了研磨和抛光 两道工序；固着磨粒加工包含了磨削技术和精细磨削技术。依托固着磨粒加工方式存在 的超精密砂轮磨削、平面珩磨等加工方法虽然能获得较高的材料去除率，但是表面损伤 层较大；以游离磨粒加工方式存在的研磨、抛光方法虽然表面损伤层较小，但是材料去 除率不高，对加工的环境比较敏感。 1 4 1 游离磨粒加工技术 在超精密加工中，目前采用的主要终加工手段是游离磨粒加工技术。为了获得光滑、 无损伤的高精度表面质量，国内外大量学者提出了多种用于抛光的手段，其中典型的包 括了化学机械抛光、磁悬浮抛光、快速可更新的研磨抛光、电泳抛光、弹性发射加工、 水合抛光等加工技术，在这些加工技术中应用最广泛、最成熟的是化学机械抛光技术【5 3 1 。 抛光加工的作用机理是利用磨粒、工件、加工环境这三者之间的机械、化学作用， 微量去除工件的表面材料，所获得的加工表面光滑、少损伤甚至无损伤；抛光加工的轨 迹具有多方向性，有利于获得均匀、一致的加工表面；加工过程对加工设备的精度要求 不高。在众多加工方法中，虽然抛光加工是实现超光滑、无损伤表面加工最有效的方法， 但是仍然存在以下几点局限性：第一，三体磨损机理是材料去除过程中磨粒加工主要依 赖的作用机理，材料去除主要以由磨粒的滚动而实现，单位时间内，仅有少量的磨粒去 除材料从而使得材料去除率很低；第二，抛光液分布在工件和抛光垫之间，难以保证其 均匀性；第三，抛光垫利用其表面粗糙度和多孔性来约束磨粒，为了避免抛光过程中阻 碍输送抛光液、排出磨屑而降低抛光效率和一致性，冈此需要要不断地修整抛光垫 6 h 。 另外，嵌入或附着在工件表面的磨粒形成工件表面污染而难以清洗；加工过程对磨 粒粒度差异敏感，一旦有硬质大颗粒( 磨粒团聚或工件磨屑) 侵入加工区域，工件表面受 损( 如凹坑、划痕、微裂纹) 使得返修的工件数量增多，提高了加工的成本，降低了加 工的效率和精度。为了避免加工表面质量受到硬质大颗粒的侵害，通常用沥青、聚氨酯 等弹性抛光垫或者提高磨粒粒度的一致性缓解工件表面受大颗粒造成的负作用【57 1 。 综上所述，虽然抛光技术产生的加t 精度较高，但材料去除效率偏低，大量工件因 大颗粒引起的划痕而返修或报废，提高整体加工效率的步伐受到严重的阻碍，如何避免 负而损伤是抛光工艺中急待解决的问题。 第l 章绪论 1 4 2 固着磨粒加工技术 游离磨粒加工技术的效率较低，材料去除率不高，使得固着磨粒加工有了发展的空 间。固结磨粒砂轮是磨削加工中广泛采用的磨具，加工过程中砂轮高速旋转并以强制进 给的方式进行加工，加工效率较高。 近年来，迅速发展的超精密磨削技术大大提高了加工精度，其中最具代表性的e l i d 技术的加工精度甚至逼近游离磨粒加工的精度。但是由于磨削速度较高，磨粒对工件强 制切削，无法避免磨削热和加工变质层的产生，大大降低结构工件表面的耐磨性和抗腐 蚀性能。高精度和高刚度是超精密磨削加工对机床的要求，高速旋转的砂轮轴必须搭配 价格昂贵的轴承，不同程度的振动仍无法避免。磨削过程中需要不断的修整砂轮表面以 保持磨粒表面接触区的锐利，防止砂轮或者工件表面由于产生的磨屑而堵塞或划伤，容 屑空间有限及其状态保持性不稳定是超微细磨粒砂轮制作过程中的尚待解决的难题；另 外，工件与砂轮主要采用线接触的方式进行磨削，单向性加工难以保证获得均匀的加工 表面【6 i 】。 降低砂轮的转速可以削弱磨削加工给表面造成的损伤，但加工效率也降低。平面珩 磨加工采用面接触式加工，对磨削效率的损失进行补偿。由于磨粒切削深度小，所产生 的残余应力以及加工变质层也小。另外，作用于磨粒的切削力方向经常发生变化，磨粒 破碎几率增加，自砺作用较为明显。因此，平面珩磨产生的表面粗糙度及加工效率要明 显优于同等条件下的磨削加工情况。目前研磨加工中的部分可由平面珩磨加工技术替 代，但由于采用的加工方式仍为固着磨粒加工，工件表面受到磨粒的强制切削作用，使 得加工的表面质量的精度等级受到限制，因大颗粒引起的工件表面损伤仍无法避刽6 1 】。 表i - 1 列出了现有的几种超精密加工技术的对比。研磨加工可以获得很高的加工精 度及加工损伤层，极高的加工质量以极低的效率为代价：磨削加工尽管加工精度较高， 但产生了较大的加工损伤层；平面珩磨加工技术虽可以获得较高的加工精度和加工效 率，仍无法替代传统的研磨抛光加工。低损伤和高精度始终是超精密加工中的一对矛盾 体，研究一种避免大颗粒产生的划痕同时提高加工效率的加工技术显得尤为迫切。 表i - ! 现有的超精密加工技术对“5 5 】 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 3 半固着磨粒加工技术 基于游离磨粒加工和固着磨粒加工的优缺点，浙江工业大学提出了一种新的基于 “陷阱 效应的半固着磨粒加工技术，并设计了与之对应的半固着磨粒磨具。 理想的游离磨粒加工过程要求工件与磨具之间的磨粒粒径相等，并且承受相等的载 荷( 图l - 6 a ) 。在实际加工过程中，磨粒粒径不均匀，存在着大尺寸的颗粒。刚性磨具 表面因大颗粒的侵入而变形，少量大颗粒粒径及高度与磨粒不等而承担加工载荷，从而 使得工件表面的划痕、切削、凹坑加深( 图l - 6 b ) 。弹性磨具受挤压后表层产生弹性形 变，迫使大颗粒与磨粒处于同一高度，但因负载不均同样引起表面损伤( 图i - 6 c ) 。 磨具 ( a ) 理想状况 加工载荷 ( b ) 加t 刚性磨具时侵入( c ) 加丁弹性磨具时侵入 硬质大颗粒硬质大颗粒 图i - 6 游离磨粒加工时的理想状况以及硬质大颗粒侵入的载荷变化与表- 面损失【6 l 】 半固着磨粒磨具( 图1 7 所示) 主要由磨粒、孔隙与结合剂三部分组成。由于该磨 具中使用的结合剂强度有限，加工区的磨粒受到大颗粒的挤压后位置迁移，从而形成了 “陷阱”空间，大颗粒因为“陷阱”空间的存在与磨粒具有了同等的高度，如图1 8 所 示。陷入了大颗粒后的模具表面，其磨粒的突出量无异于普通的磨粒。磨具中的空隙为 磨粒提供了较多的容屑空间，有助于改善加工区域的冷却效果，并有利于形成“陷阱” 效应。但由于加工的特性，磨具本身必须具有较强的抗破坏力从而才能获得高质量、高 效率、低损伤的加工效果【5 引。 7 第1 章绪论 孔隙 合剂 图1 7 半固着磨粒磨具的结构示意卧6 1 】 图1 - 8 硬质大颗粒侵入磨具的示意图【6 1 】 1 5 本论文的研究内容 本论文的主要内容包括： 1 ) 分析软固结磨粒气压砂轮的光整加工技术，确立软固结磨粒气压砂轮的结构形 式以及材料组成；从化学性质、物理性质、受力情况、允许工艺等角度分析胶黏剂材料 的选择依据和粘结性质。 2 ) 针对层状结构的软固结磨粒气压砂轮，提出两种软固结磨粒气压砂轮的制作工 艺方案；对已成型的气压砂轮，建立表面质量无损性、下压量、硬度、磨粒脱落率等四 个性能评价指标。 3 ) 基于层状弹性体系结构形式，推导两层高聚物的应力与位移分量计算公式，得 到含有材料性能参数的计算表达式；建立软固结磨粒气压砂轮的模型，对橡胶层、粘结 层、磨粒层的应力分布进行仿真分析，探讨各层厚度变化对应力分布的影响。 4 ) 制备不同材料成分和组分的软固结磨粒气压砂轮进行试验研究和性能测试，得 到酸性硅酸酮密封胶为优选的胶黏剂；优选基础上制备不同粘结层厚度的软固结磨粒气 压砂轮，探究其厚度对加工效果的影响。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章软固结磨粒气压砂轮的制作工艺研究 2 1 前言 软固结磨粒气压砂轮是由双层高聚物固结磨粒制作而成，其中基体选用合成橡胶制 作出半球型的橡胶基体，中间层选用黏性的胶黏剂作为过渡材料，支撑磨粒层与橡胶基 体的连接。软固结磨粒气压砂轮制作材料的选择有着严格的选用依据，例如橡胶材料的 属性、胶黏剂的特性等。本章主要针对软固结磨粒气压砂轮制作材料的选择依据、成型 技术、气压砂轮的制作工艺等内容进行研究，为下文气压砂轮的制作提供理论依据。 2 2 软固结磨粒气压砂轮的成型技术 现有气囊抛光头通常是由橡胶、加强布和抛光布组成。橡胶气囊是气囊抛光头的关 键部位，应具有较好的弹性、韧性、耐高低温性、耐磨耗性、耐压缩性、耐油性、耐老 化等特点。气囊抛光工具主要是利用橡胶、抛光膜的弹性和柔性，与工件表面形成较好 的仿形效果进行加工。材料的弹性利用率较低，未能充分考虑材料之间的相互作用和相 互影响。橡胶、加强布和抛光布之间是相互独立存在的个体，同时，磨粒与橡胶气囊主 体也相互独立。 气囊用于研磨抛光时，需在其抛光布的表面均匀涂抹各种粒径的研磨膏。位于接触 区的磨粒均有其各自的工作状态，其中一部分磨粒因受力而嵌于模具表面；一部分磨粒 暂时不参与材料的去除过程，它们或因为模具的表面形貌而暂时性处于表面的波谷位 置，或因为抛光布绒丝和磨屑的牵绊而被覆盖，或因为抛光布网孔的束缚而微量分布于 此处；而接触区的另外一部分磨粒则处于滚动状态。由于磨粒磨损、产生磨屑覆盖在抛 光布的表面及网孔处，影响抛光效果，因此需要定时的涂抹研磨膏，更换抛光布，该操 作降低了抛光的效率；同时，由于抛光布的有限弹性，其对磨粒的弹性支撑有限，降低 了加工质量。 本文提出了一种软固结磨粒气压砂轮的光整加工方法。该软固结磨粒气压砂轮是由 基体层、粘结层、磨粒层三部分组成。基体层与粘结层具有较好的弹性和柔性，由于各 弹性体的弹性特性不尽相同，利用弹性体之间的相互牵引、相互影响和相互作用，实现 9 第2 章软固结磨粒气压砂轮的制作工艺研究 多弹性耦合。耦合以后的多弹性体，具备了各重弹性体的优异特性，同时，由于各重之 间的相互影响和作用，使得各重特性的不利之处逐渐减弱或抵消，从而得到更好的弹性 效果? 粘结层在具有弹性的同时更有较为优异的粘结特性，将基体层与磨粒层相连接， 既完成力的传递作用，又将磨粒固结在基体层的表面，实现固结磨粒的气压砂轮。软固 结磨粒气压砂轮工具的基本结构如图2 - 1 所示，其中气压砂轮是一个由橡胶基体构成的 空心半球，并在其表面通过高分子粘结剂软固结一层有一定厚度磨粒( 可以克服现有气 囊抛光中采用游离磨粒切削能力较弱的缺点) ，其表面的柔性可以通过空心半球内部气 压在线控制，并可方便地与机器人配合使用。 图2 - 1软固结磨粒气压砂轮结构示意图 该方法采用软固结磨粒气压砂轮进行加工，较传统抛光的游离磨粒加工具有更好的 切削状态；由于双层弹性体的作用，气压砂轮表面具有良好且可控的柔性，可与自由曲 面形成大面积仿形接触，较传统刚性砂轮磨削有更多的磨粒参与切削，从而确保了对高 硬度自由曲面的高效加工；气压砂轮良好的宏观柔性不会破坏被加工面的几何形状，弹 性的磨粒粘结层保证了各磨粒在微观上具有良好的弹性支撑条件和动力学行为约束状 态，既确保一定的切削力度，又可发挥切削痕迹精细不产生过深划痕的优势。图2 2 给 出了磨削、游离磨粒抛光和软固结磨粒气压砂轮加工的技术特征对比：刚性砂轮磨削不 可避免的会产生深划痕；游离磨粒加工由于磨粒相对于抛光垫可以自由滚动和滑移，避 免产生深划痕，但是加工效率很低；软固结磨粒气压砂轮由于弹性粘结层的变形，使得 磨粒发生了上移和旋转，磨粒的等高性较好，可避免产生深划痕，但是磨粒在粘结层的 束缚下仍然能产生较大的切削力，去除效率仍然较高。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 一 缅函函 图2 - 2 磨削、游离磨粒抛光和软固结磨粒气压砂轮加工的技术特征对比 2 3 双层高聚物的材料选择 软固结磨粒气压砂轮采用双层高聚物结构进行制作，其中双层高聚物材料的选择影 响整个气压砂轮的制作工艺以及各种特性的分析。 在一个物体中，弹性和粘性是一对矛盾体。任何实际存在的物体均同时存在弹性和 黏性这两种性质，由于其所处的外在环境条件的不同( 温度和外载时间) ，或主要显示 其弹性或主要显示其黏性。 在众多材料中，高聚物材料是一种能够同时显著的呈现弹性和黏性的特殊材料，即 使是在常温和一般的加载时间作用下，高聚物材料也能显示其黏弹性，即弹性和黏性同 时显示。这一特性正是柔性气压砂轮所应该具备的，因此选用了高聚物材料作为软固结 磨粒气压砂轮的研究和制作材料。 基于材料本身具有的特性对整个软固结磨粒气压砂轮的影响，双层高聚物的两种组 成材料分别选用橡胶和弹性胶黏剂。 2 3 1 橡胶的选用依据 橡胶是高聚物材料中的典型应用。橡胶气囊以其优异的特性广泛的应用于柔性气囊 抛光技术中，较好的弹性、韧性等一系列特性奠定了其在气囊抛光技术柔性加工工具中 的地位。因此，软固结磨粒气压砂轮的弹性材料之一仍然选用橡胶材料。 第2 章软固结磨粒气压砂轮的制作工艺研究 本文的橡胶基体选用合成橡胶中的丁苯橡胶作为原材料。虽然该类橡胶的弹性低于 天然橡胶，但在橡胶中仍属于较好的。一般情况下丁苯1 5 0 0 硫化胶的冲击弹性值约为 5 5 ，分子的柔性决定了橡胶的这一特性。 2 3 2 胶黏剂的选用依据 为了与橡胶材料搭配使用，第二种弹性材料的选择不仅物理性能、化学性能方面要 与橡胶材料相近或者性能不能相差太大，否则难以配合，而且要将磨粒能够很好的固定 在其表面，保证磨粒的数量和稳定性。基于以上两点，选用胶黏剂作为第二种弹性材料。 胶黏剂能够牢固地粘接两种相同或者不同的材料，保证了将橡胶和磨粒两种介质融合为 一体形成软固结磨粒气压砂轮。 胶黏剂又称为黏合剂、黏结剂，它是指由于表面的粘附、内聚以及键合作用，将两 种或者两种以上的同质或者不同质的材料( 或者制件) 连接在一起，固化之后具有足够 强大的天然的抑或合成的、有机的或者无机的一类物质【6 2 】。 胶黏剂的种类很多，分类标准不一，主要包含了按粘结材料的属性、粘结强度、固 化方式等，依据不同的分类标准可得到不同形态、用途的胶黏剂。由于胶黏剂的种类、 品种繁多，各种胶黏剂的物理、化学性能各不相同，使用环境、使用方法不同，因此在 选用何种胶黏剂时，应根据不同的情况、要求进行选用，表2 - 1 列出了几种常用的选胶 依据及其说明【6 3 】。 表2 1 常用选胶依据说明 选择依据备注 化学性质 物理性质 工件受力 工艺条件 用途要求 极性、弱极性、非极性材料，橡胶为非极性材料 刚性、脆性材料，弹性、韧性材料；橡胶为高弹性材料 拉伸、剪切、不均匀撤离和剥离 大小、形状、尺寸、厚度、粘结面积、受力情况、结构形式 加温、加压 受力状况 使用温度 冷热交替 使用环境：湿度、介质、耐老化 1 ) 根据橡胶的化学性质选择胶黏剂 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 将材料按照其化学性质分类，可以分为极性材料、弱极性材料和非极性材料三类。 聚合物材料的极性值可根据材料本身的介电常数来判定，一般认定极性材料的介电常数 在3 6 以上；介电常数在2 8 3 6 之间的视为弱极性材料：而2 8 以下的则为非极性材料。 橡胶本身属于非极性材料，而丁苯橡胶因人工合成过程后则属于弱极性材料。虽然 弱极性材料或者非极性材料可以用聚异丁烯胶、丙烯酸酯类及其改性胶黏剂等胶黏剂进 行粘接，但是粘接的效果并不理想，所以在粘接这些材料时，必须对这些材料的表面进 行极化处理。 目前市场上可用于橡胶制品的胶黏剂有橡胶类胶黏剂、国产胶黏剂8 0 1 、红星5 0 9 、 e x s 0 4 等。 2 ) 根据橡胶的物理性质选胶黏剂 ( 1 ) 刚性材料和脆性材料 由于橡胶材料的弹性、黏性以及韧性较为突出，一般性研究均以该类性质作为研究 对象和参考依据，因此可以不考虑其刚性和脆性。 ( 2 ) 弹性和韧性材料 橡胶材料的弹性变形较大，无论是天然橡胶还是合成橡胶，显然可以用橡胶类胶黏 剂来粘接，为了提高粘接强度或者满足不同的强度要求，可以在橡胶类胶黏剂中加入少 量的树脂增粘剂。 3 ) 根据橡胶的受力情况选胶黏剂 ( 1 ) 在粘结的过程中，粘接接头的受力形式是选胶参考的重要依据，一般的受力形 式主要包括了拉伸、剪切、不均匀撤离和剥离等。胶黏剂所能承受的剪切、拉伸强度要 远大于其他形势下产生的强度。 软固结磨粒气压砂轮的结构中，橡胶基体的内表层承受压力，并通过中间的粘结层 将该力层层传递出去；同时，抛光头的高速旋转又使其承受了一定的剪切力。因此，在 选择胶黏剂时必须保证磨粒固结气压砂轮能够承受一定的压力，粘结之后的双层高聚物 不易剥离、断裂等。 热塑性胶黏剂的内聚强度较高，因此其拉伸、剪切强度比较好；但由于这类胶黏剂 的应变能力差，导致剥离和不均匀撤离强度不高，因此这类胶只能作为般性粘接的非 结构胶来使用。 橡胶类胶黏剂本身具有一定的弹性，随着被粘物的变形，该类胶层可以在一定的范 围内产生变形，其剥离强度和不均匀扯离强度较好，但由于其内聚强度较低，胶的拉伸、 第2 章软固结磨粒气压砂轮的制作工艺研究 剪切强度低，从而只能作为密封胶、固定胶使用，比较适合柔性材料的粘接。 对于硬度大、形变能力小、较脆的热固性胶黏剂，其广泛应用于结构性的粘接，主 要承担了拉伸、剪切的作用。由于该类胶本身是刚性的，在粘接刚性材料时，虽有较大 的承载能力，但是受载时的“硬碰硬”，使得粘接的界面容易发生破坏，如果对该类胶 进行适当的增韧，使之具备一定的应变能力，对提高粘结强度和抗疲劳性等性能有着关 键的作用。 ( 2 ) 除了上述的粘结接头的受力形式以外，被粘物的大小、形状、尺寸、厚度，粘 结的面积，接头的受力情况，接头的结构形式，同样是选胶的重要因素。 橡胶基体的外部形状为外径4 0 r a m 的半球型，厚度为3 m m - 5 m m 不等，表面积相对 较小，粘结的结构形式为层状，因此可选用粘结时间相对较短的胶黏剂。 对于尺寸相对较大的被粘物，选择的余地比较大。对于粘结面积较大的部件而言， 还需要考虑胶黏剂的使用时间，避免还未涂胶完毕时已有部分胶凝胶、失效的情况。至 于小部件的被粘物，可以适当的增加粘接的面积，除了一般的固定之外，应当选用强度 较高的胶进行粘接。 4 ) 根据橡胶的允许工艺条件选胶黏剂 根据以上的因素选胶之后仍需考虑橡胶的粘接的工艺和现场环境条件。例如，在进 行结构性粘接中，经常需要对现场环境进行加温、加压处理，如果因为加温、加压使得 被粘物材料的性能改变、降低甚至某些性能消失，或者改变材料形状甚至破坏材料，这 些胶显然不能采用。橡胶材料的粘接工艺和粘结技术将在2 4 2 节中进行具体展开。 5 ) 根据橡胶的用途和要求选胶黏剂 ( 1 ) 受力状况 软固结磨粒气压砂轮中的橡胶基体为承载体，固化后的胶黏剂作为软固结磨粒气压 砂轮的结构层，固定磨粒，传递应力。那么，胶黏剂在这个结构中的使用类型即为结构 性粘接。在结构性粘接中，应该采用强度高、韧性好的结构胶，如环氧丁腈、酚醛丁 腈等橡胶增韧的热固性胶黏剂。 ( 2 ) 使用温度 不同的胶黏剂对应了不同的使用温度，而耐温性能是胶黏剂的弱项之一。 软固结磨粒气压砂轮在抛光过程中，不断地与工件表面进行摩擦，温度上升。因此， 选用的胶黏剂的使用温度必须保证其能够正常工作。 有机高分子类胶黏剂占整个胶黏剂中的比重最大，其耐温在5 0 0 0 c 以下。剩下的绝 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 大多数的胶的耐温在1 5 0 0 c 以下或者1 0 0 0 c 以下。而且大多数的聚合物胶的剪切强度等 性能与温度成反比，随着温度的升高而下降。对于耐低温性而言，大多数的胶类的耐低 温在5 0 。c 左右。 ( 3 ) 冷热交替 冷热交替对粘接后的接头质量影响较大，尤其是冷热温差较大的时候，影响效果尤 为明显。由于胶黏剂种类不同，被粘物的材料不同，它们各自的热膨胀系数不同，在挑 选时应当选择耐高低温性能好、韧性好的胶黏剂。 ( 4 ) 使用环境 a ) 湿度 一般常用的胶黏剂大多数是极性胶，亲水性较强。长期处于湿度较大的环境下，胶 黏剂会因吸潮而使得粘结强度大大降低。 b ) 各种介质 除了耐高低温之外，有些粘接制件还需要在酸质或者碱质的环境中工作，因此需要 考虑其耐酸或者耐碱的能力。 c ) 耐老化 由于长期暴露于一定的工作环境下，经过一段时间之后，粘结强度降低，性能老化。 除了上面介绍的几点选用依据之外，还有其他很多的选择依据，比如胶黏剂的毒性、 经济性等，因此，在选用的过程中，必须结合实际情况，选择较优较合理的胶黏剂以达 到满意的粘结效果。表2 2 列出了几种具有代表性的适用于橡胶粘接的胶黏剂。 表2 - 2 适用于橡胶粘接的4 种代表性胶黏剂 第2 章软固结磨粒气压砂轮的制作工艺研究 2 4 软固结磨粒气压砂轮的制作工艺方案 在选择了制作软固结磨粒气压砂轮的组成材料之后，如何将这些材料有效、合理的 用于该气压砂轮的成型工艺当中，其工艺方案显得尤为重要。 2 4 1 软固结磨粒气压砂轮制作方案的确定 本文涉及的气压砂轮结构采用层状叠加的形式进行制作。在复合材料成型技术【明 的基础上，改进、优化并设计了两套工艺方案，将特定的橡胶基体模具、喷射模具用于 制作过程，利用软固结磨粒气压砂轮的层状结构逐步实现各层制备。 1 ) 低压接触成型制作工艺 该方法的设计思路是将脱模剂涂于事先制作好的模具表面，然后将橡胶材料覆盖在 模具的内表面，经硫化机加压之后成型橡胶气囊，后将胶黏剂均匀涂覆与橡胶气囊的外 表面使其完全浸渍，并在模具中喷涂脱模剂，经硫化机加压、保温固化后形成双层高聚 物制品，将制品表面处理后进行磨粒固结，工艺流程如图2 3 所示。 图2 3 低压接触成型制作工艺流程 ( 1 ) 模具 该工艺中涉及的模具是整个工艺的关键部分之一，它用于橡胶基体气囊的制作，同 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 时用于粘结层的定型、