軟固結氣壓砂輪的質量評價及試驗研究*

計時鳴，丁潔瑾，金明生，敖海平

（浙江工業大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014）

0 引 言

在現代化工業生產中，為了改善模具使用性能和使用壽命，模具表面激光強化處理技術成為了代表國際先進水平和未來發展方向的高效綠色制造方法[1-2]。但是在模具表面性能得到大幅度提高的同時，其后續加工難度也隨之加劇。傳統模具光整加工大部分采用手工加工，加工效率極低。新型的光整加工工具—軟固結磨粒氣壓砂輪（下文簡稱”氣壓砂輪”）為解決激光強化模具光整加工技術難題提供了一種高效、精密的自動化加工途徑。該光整加工方法在國內外還沒有相關的研究，目前正處于研究初級階段。該階段急待解決的問題主要有氣壓砂輪的制作和質量評價兩個問題，這直接影響模具后期光整加工的研究。氣壓砂輪的制作最初采用手工成型方法，這不但對工人的技術要求非常高，又費時、費力，而且表面均勻度及粘接層厚度、內部致密度難以得到保證，效率非常低。除人工制作方法外，加工方法還有噴射成型。該方法利用一定的噴射設備將磨粒與粘接劑的混合體霧化，落在模具的表面上，然后對其壓實，排出氣泡而固化成型。該方法投入成本高，固化時間長，工藝復雜，且在實際加工過程中，需根據現場環境和制作條件進行適當的調配[3]。

本研究設計的氣壓砂輪成型制備系統是一種集注料、成型、取件、表面固化及輸送為一體，且具有效率高、質量可靠、工藝簡單、可控性強等特點的成型工藝。筆者通過產品質量概念模型綜合分析，對氣壓砂輪質量進行評估；最后，通過試驗驗證成型工藝的可靠性，并提供質量評價的相應參考標準。

1 氣壓砂輪成型制備系統

氣壓砂輪的制備系統包括：注料壓模成型系統、取件輸送系統和表面固化系統3 個部分。氣壓砂輪成型制備系統如圖1 所示。下面將對注料壓模成型系統、取件傳輸系統和表面固化系統進行簡單介紹。

圖1 氣壓砂輪成型制備系統

1.1 注料壓模成型系統

注料壓模成型系統主要由：注料架、注料支架、直線電機、滾珠絲杠系統、滑軌、承載平臺、步進電機、氣壓砂輪上模模塊和下模模塊組成。該成型制備系統中的支架均選用鋁型材材料來減少設計量和加工量。

由于氣壓砂輪外形結構和尺寸的多樣性，本研究按待加工橡膠基體的外形尺寸和氣壓砂輪的粘接層厚度，在滿足技術指標的前提下設計和制作氣壓砂輪的上模和下模。氣壓砂輪的下模模塊包括4 個氣壓砂輪下模和兩個螺孔，氣壓砂輪下模通過螺孔和螺母的配合安裝于壓模成型系統的底板上，方便下模模塊的裝卸；氣壓砂輪的下模表層涂覆聚乙烯材料，以避免高分子磨粒粘結劑與下模粘接。

本研究安裝好匹配的上模和下模后，將4 個橡膠基體套在上模中，并將高分子磨粒粘結劑膠筒裝入注料架中；通過步進電機控制承載平臺的180 °旋轉運動，從而使注料系統和壓模成型系統替換工作。通過直線電機控制注料支架的位置，即控制注料的劑量。通過步進電機控制承載平臺旋轉運動，切換至壓模成型系統；通過滾珠絲杠系統控制承載平臺在滑軌上的位移變化，從而使橡膠基體以最理想的狀態與下模接觸，同時承載平臺中的步進電機帶動第一齒輪運轉，同時帶動4 個第二齒輪和上模旋轉，保證氣壓砂輪成型的均勻性。

1.2 取件輸送系統

取件輸送系統主要由：取件架、導軌、支架、電機、輸送帶和輸送凸臺組成。取件架安裝于導軌上且可沿導軌滑動，導軌設在支架上，支架安裝在壓模成型系統的底板上；取件系統通過電機驅動調節取件架在導軌中的位置，與壓模成型系統中的滾珠絲杠系統配合，以獲取成型的氣壓砂輪；電機設在輸送帶的兩端以帶動輸送帶運動，輸送凸臺設在輸送帶上以獲取取件架上的氣壓砂輪并輸送；電機兩端通過支架與壓模成型系統的底板固定連接。

1.3 表面固化系統

表面固化系統是成型系統的重要組成部分，它的主要作用是：使氣壓砂輪快速烘干定型，確保表面質量。表面固化系統包括用于實現表面初步固化成型的紅外線加熱設備，加熱設備通過搭接件與壓模成型系統的底板搭接。加熱設備通電后可在垂直空間形成極強的寬譜定向輻射，將電能有效地轉化為遠紅外輻射能，直接傳遞給氣壓砂輪，并迅速轉化為分子熱運動，由內向外干燥，達到快速烘干定型的目的，并取得了顯著節能效果[4]。

2 質量評價方法

氣壓砂輪的產品質量是影響光整加工效率和質量的重要因素之一，所以對該產品質量進行有效的綜合評價，以滿足不同要求光整加工的需求，直接關系到激光強化模具表面光整加工技術的研究發展[5]。但目前，氣壓砂輪還處于前期研究階段，沒有相關的法律法規、標準來界定產品的質量。本研究采用產品質量概念模型，探討研究了氣壓砂輪的質量評價方法。

科學界定產品質量的概念模型與維度構成，是構建完備的評價指標體系、科學測量產品整體質量水平的重要前提[6]。基于現有理論的研究分析，產品質量可從固有質量、加工質量和損失質量3 個方面進行綜合反映。

氣壓砂輪質量概念模型如圖2 所示。

圖2 氣壓砂輪質量概念模型

2.1 固有質量

氣壓砂輪的固有質量包括尺寸、粘接表層均勻性、硬度、承壓性4 個評價指標。本研究根據加工工件的尺寸要求，選取合適的氣壓砂輪直徑，以獲取較高的加工接觸面積，提高加工效率。由于氣壓砂輪內芯為柔性橡膠彈性體，對其尺寸的精度要求并不是特別嚴苛。另外，氣壓砂輪不通過介質而直接與加工工件接觸，故粘接層的厚度及表面均勻性對光整加工有直接影響，粘接層厚度一般在1mm～3mm 之間，磨粒的粒徑在150μm ～833μm（即110-20 目）之間。氣壓砂輪的橡膠基體尺寸及粘接層尺寸、表面均勻性可通過三坐標測量機進行測量，擬定氣壓砂輪尺寸誤差為±0.5mm，均勻性吻合度≥90%。

硬度是指氣壓砂輪對外界物體壓陷、刻劃等作用的局部抵抗能力，是衡量其軟硬程度的一個指標。氣壓砂輪硬度影響因素主要有兩個：其一是橡膠基體的硬度；其二是粘接劑與磨粒的配比量。粘接劑與磨粒的質量比越大，粘接混合層越軟。由于氣壓砂輪是一個復合層高聚物，硬度測量有一定的局限性，實際檢測中采用定壓力下壓測接觸面積方法間接定性判斷氣壓砂輪硬度。

與工件表面接觸時，氣壓砂輪對工件表面需要有一定的下壓量才能產生一定的作用力。粘結表面由于粘結劑磨粒混合物與橡膠基體的粘接作用，固化后的軟硬性能不一。如果硬度過大，表面的脆性過大，當承受下壓量時，表面將產生相應的裂紋或者斷裂，無法繼續實驗。氣壓砂輪一般下壓量為0～3 mm，承壓檢測時設定下壓量為5 mm，氣壓砂輪沒有破損，則滿足承壓性標準。

2.2 加工質量

加工質量是指符合固有質量標準的基礎上應用于實際加工中氣壓砂輪光整工件的能力，包括工件去除率和表面微觀幾何形狀誤差（采用表面粗糙度間接反映）。加工質量是設計氣壓砂輪進行光整加工的重要評價指標，反映光整加工是否高效、高精密。

2.3 損失質量

在光整加工過程中，氣壓砂輪的磨損是不可忽略的。磨損質量包括磨損率、有效壽命、回收利用率3 個評價指標[7]。

磨損率是指在光整加工過程中，單位時間內磨粒脫落的質量，這個磨損是加工過程中允許的。尤其是新氣壓砂輪光整加工時，表層磨粒易脫落，當表層磨粒脫落后會露出新的磨粒切削工件。氣壓砂輪的磨粒粒徑不同、橡膠基體的硬度不同及加工參數的變化都會影響磨損量。通過試驗，可以給出磨損量的范圍值，若磨損量超出這個值，說明粘接不牢靠，產品不合格。

有效壽命是指氣壓砂輪光整加工過程中沒有發生破裂、加工有效的光整時間。通過氣壓砂輪進行試驗，獲得有效加工時間，即氣壓砂輪壽命。

回收利用率是指失效的氣壓砂輪進行后期處理，能夠被回收利用的橡膠基體質量與已回收的廢棄氣壓砂輪的質量之比[8]。

3 試驗驗證

3.1 氣壓砂輪制備試驗

目前，氣壓砂輪成型系統還處于設計研發階段，筆者結合機器人輔助拋光平臺進行半自動化壓模成型試驗及可行性驗證，將橡膠基體套在上模中，一定量的磨粒粘結劑注入到下模具中，上模下壓，電機帶動電機旋轉，手動取下氣壓砂輪，進行自然固化，最終獲得試驗所需的氣壓砂輪。通過檢測，并觀察試驗效果，以獲得氣壓砂輪質量評價參考。

橡膠基體硬度和磨粒粒徑是氣壓砂輪性能的主要影響因素。在制作加工橡膠基體時，硬度值主要有50 度和90 度（邵氏硬度）兩種型號；磨粒粒徑有36 目和80 目兩種型號。兩影響因子組合形成的氣壓砂輪有以下4 種型號，氣壓砂輪型號如表1 所示。

表1 氣壓砂輪型號

筆者通過半自動壓模成型制備系統制備出4 種規格的氣壓砂輪，外貌圖如圖3 所示。橡膠基體壁厚2mm，粘接層厚度2mm。

圖3 4 種規格氣壓砂輪外貌圖

3.1.1 均勻性和尺寸評估

氣壓砂輪制備完成后，可檢測其固有質量。固有質量中有4 個質量因子。由于檢測設備限制，尺寸檢測通過游標卡尺定點抽檢壁厚；均勻性通過目測評估，檢測結果如表2 所示。

表2 氣壓砂輪壁厚尺寸（單位：mm）

由氣壓砂輪外貌圖可知，氣壓砂輪表面均勻，半球型形狀規則，無凸起凹陷。由表2 數據可知，氣壓砂輪壁厚尺寸誤差在±0.5mm，滿足尺寸要求。

3.1.2 硬度和承壓性評估

氣壓砂輪的硬度采用定壓力下壓測接觸面積方法間接定性判斷[9]。氣壓砂輪表面涂覆黑漆，各型號氣壓砂輪均垂直施加40 N 的力，同等受力情況下接觸面積示意圖如圖4 所示。

圖4 同等受力下接觸面積示意圖

根據接觸面積示意圖，筆者測得1 號和2 號氣壓砂輪接觸區域半徑約為2 mm，3 號和4 號氣壓砂輪接觸區域半徑約為1.8mm。根據試驗結果可以推斷：氣壓砂輪的硬度主要與橡膠基體硬度有關，與磨粒粘接層磨粒粒徑的大小關系甚微；橡膠基體硬度越硬，氣壓砂輪越硬。

承壓性檢測則將氣壓砂輪垂直下壓5 mm，保持5min，取下氣壓砂輪，觀察氣壓砂輪表面情況，未出現裂紋或者斷裂，滿足承壓性標準。

通過半自動化壓模成型試驗制備的氣壓砂輪滿足固有質量標準，同時也驗證了氣壓砂輪成型制備系統的可靠性，為下一步成型制備系統的生產提供參考依據。

3.2 氣壓砂輪光整加工試驗

本研究應用氣壓砂輪，結合機器人輔助光整加工激光硬化模具。機器人光整加工系統由軟固結磨粒氣壓砂輪光整工具、光整加工工作臺、測速儀、直流穩壓電源、Motoman-HP20 型工業機器人和計算機等設備組成[10]。

機器人光整加工系統如圖5 所示。

圖5 機器人光整加工系統

試驗基本條件如表3 所示。該4 種規格氣壓砂輪針對同一類工件，分別對應1 號工件、2 號工件、3 號工件、4 號工件，定點光整加工后，觀察其表面光整效果。

表3 光整加工條件

3.2.1 去除率評估

氣壓砂輪的去除質量如表4 所示。

表4 工件表面去除量（單位：g ·m in-1）

加工60 s 和120 s 后，去除率大小為4 號工件>3 號工件>1 號工件>2 號工件。氣壓砂輪的去除率主要與橡膠基體硬度有關，基體越硬，去除率越大；其次與磨粒粒徑有關，粒徑越小，去除越大。4 號氣壓砂輪加工60 s 的去除率約為16.4 g/min，1 號和3 號去除率約為5 g/min，2 號去除率約為1 g/min；第二次加工60 s，4 號氣壓砂輪去除率約為5.8 g/min，1 號和3 號去除率約為2.5 g/min，2 號去除率約為0.7 g/min。

3.2.2 工件表面粗糙度評估

工件表面粗糙度隨加工時間的變化如圖6 所示。

圖6 工件表面粗糙度變化

從圖6 中可見，同一硬度的橡膠基體，磨粒粒徑越大，表面粗糙度越小，表面質量越好。磨粒粒徑相同，橡膠基體硬度大小不同，表面粗糙度情況相近。故磨粒粒徑大小是影響表面質量的主要原因。36 目磨粒氣壓砂輪加工120 s，表面粗糙度約為0.3μm～0.4 μm，80 目磨粒氣壓砂輪表面粗糙度約為0.1μm～0.15 μm。80 目磨粒氣壓砂輪對工件表面質量改善更優。

3.2.3 磨損量評估

4 種型號氣壓砂輪加工60 s 后質量損耗在0.3 g內，加工120 s 后損耗在0.1 g 內，后續加工質量基本維持不變。加工初始，表層磨粒易脫落，加工一段時間后，粘結劑磨粒混合層起切削作用，同時工件切削產生的鐵屑嵌入到氣壓砂輪中，磨損量與增加量基本持衡，故氣壓砂輪質量保持在一定值。

表5 氣壓砂輪磨損量（單位：g）

3.2.4 有效壽命和回收利用率評估

由于加工一段時間，工件表面過熱，影響氣壓砂輪壽命，氣壓砂輪有效壽命試驗以每次加工60 s 間歇式加工，每加工120 s，檢測氣壓砂輪表面質量和工件表面粗糙度變化。氣壓砂輪平均有效壽命在10 min左右，氣壓砂輪表面沒有明顯破損，但工件表面粗糙度值保持在一定范圍值沒有明顯變化。

氣壓砂輪達到有效壽命后，可借助工具沿邊緣使其粘接層脫落，橡膠基體可以回收再利用。基體的回收利用率可以達到35%～45%。

4 結束語

本研究設計了氣壓砂輪制備系統，提出了氣壓砂輪質量評價方法，并通過試驗驗證了制備系統壓模成型的可靠性，為制備系統的研制奠定了良好的基礎。另外，光整加工試驗為質量評價方法和工業化生產提供了參考依據。這在解決激光強化表面模具的光整加工問題上實現了新的突破，為氣壓砂輪光整技術的深入研究打下堅實的基礎。

下一階段的研究將研制出氣壓砂輪制備系統實物，并應用于氣壓砂輪的生產，通過質量評價方法檢測氣壓砂輪的質量問題；并針對不同曲率半徑的模具加工工件，尋找最優的氣壓砂輪，以進行高效率、高精密的表面光整加工。

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