机器人辅助气囊抛光难加工材料的去除特性研究

作     者：吴威 

作者单位：厦门理工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：柯晓龙;邹朝圣

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：气囊抛光 机器人辅助 碳化钨 钛合金 难加工材料 

摘      要：碳化钨、钛合金等材料,由于其独特且优异的物理化学特性,目前广泛地应用于模具、刀具、航空发动机叶片等场合。然而,由于碳化钨质地硬、钛合金高强高韧的特点,因此都属于难加工材料。气囊抛光技术,是一种将球冠气囊作为抛光工具,并按照一定的进动方式实现工件高效去除的抛光手段,目前已经很好地应用于BK7、熔石英等光学玻璃,以及碳化硅等超硬材料的精密抛光,并体现了良好的加工柔性和通用性。为了充分利用气囊高效、精密抛光的特点,并较为系统地研究气囊对碳化钨、钛合金等难加工材料的加工特性,本文以工业机器人为本体,搭建机器人辅助气囊抛光系统,并以碳化钨、钛合金材料作为加工对象开展相应抛光实验,从而验证气囊抛光对此类难加工材料的可行性与可靠性,并提出合理的加工参数及工艺流程。本文主要研究内容包括:(1)基于气囊抛光的原理,利用ABB IRB4600六轴工业机器人为本体,采用了“六轴工业机器人+气囊抛光工具的联合加工方式,搭建了机器人气囊抛光系统平台;针对柔性抛光和高效抛光的各自需要,分别开发了纯橡胶气囊和半刚性气囊,以便钛合金和碳化钨材料的抛光工艺规划与实验。(2)以半刚性气囊为例,开展气囊抛光的去除函数建模与工艺参数研究。基于Preston方程,建立了半刚性气囊抛光的速度分布模型和接触区域的接触应力分布模型;采用实验法的方式,进行Preston方程系数的求解,从而实现静态去除函数建模,并进而完成气囊抛光的二维卷积模型求解;利用单因素实验方法,研究不同工艺参数,如驻留时间、进动角、下压量、主轴转速、气囊压力等对材料去除效率以及表面粗糙度的影响规律。(3)碳化钨的气囊抛光去除特性研究。完成碳化钨气囊抛光的实验准备,利用半刚性气囊高效去除的特点,开展两种不同碳化钨材料(带粘结剂WC-8Co。不带粘结剂WC-0Co)的气囊抛光实验,如不同参数下的去除效率分析、抛光斑的表面粗糙度分析、均匀抛光后的表面完整性实验等,并通过抛光前后的表面形貌和表面材料成分分析,从而较为系统地获取气囊抛光碳化钨材料的工艺特性。(4)钛合金(Ti6Al4V)的气囊抛光去除特性研究。针对钛合金高强高韧且易划伤的特点,采用“半刚性气囊+柔性纯橡胶气囊的组合方式,开展钛合金的去除特性及表面完整性实验。同样地,完成钛合金的抛光实验准备,并开展材料去除特性实验、均匀性抛光等实验。实验研究表明,钛合金Ti6Al4V可以采用半刚性气囊粗抛光、纯橡胶气囊精抛光的方式,从而保证抛光效率和抛光表面质量。此外,通过对抛光后的面型、化学反应及相变的检测分析,进一步证明了气囊抛光钛合金的可行性。