砂布輪柔性拋光力影響參數敏感性分析

淮文博，張立新，王蓀馨，張遠平

（1.西安理工大學，西安 710082；2.西北工業大學，西安 710072）

砂布輪柔性拋光力影響參數敏感性分析

淮文博1，2，張立新1，王蓀馨1，張遠平1

（1.西安理工大學，西安 710082；2.西北工業大學，西安 710072）

砂布輪有較大柔性，可用于復雜曲面拋光。為了掌握砂布輪拋光工藝參數對拋光力的影響規律，提高拋光質量，設計了四因素三水平正交試驗，利用試驗結果建立了拋光力預測模型，驗證了模型的顯著性；分析了影響參數的敏感性，結果表明：拋光力對砂布輪初始半徑變化最敏感，對壓縮量變化敏感程度次之，對粒度變化敏感程度一般，對轉速最不敏感；拋光試驗表明通過對敏感參數的控制可以實現理想的拋光效果。

復雜曲面；柔性拋光力；影響參數；敏感度

0　引言

復雜曲面結構件的疲勞性能很大程度上取決于加工表面的完整性，而表面粗糙度是影響表面完整性的關鍵參數。因此，通過拋光技術降低復雜曲面結構件的表面粗糙度是提高抗疲勞性能的關鍵措施。為提高復雜曲面拋光的柔性，有效避免“過拋光”或“欠拋光”，提高拋光效率和拋光表面質量，學術界提出了磁流體、電流體、磨料流等非接觸拋光工藝［1～4］，但材料去除率小，拋光效率低［1］，成本大［5］；氣囊［6，7］雖然有很好的柔性可以和拋光曲面充分切觸，但是位置精度控制復雜；砂帶拋光效率高但是柔性不足、體積大容易與葉片發生干涉［8］。由于砂布輪在高速旋轉時有較大的柔性，所以作者在文獻［9］中提出用于飛機葉片拋光，但是砂布輪拋光力影響參數的敏感度目前尚不清楚。由于拋光力是影響表面粗糙度的關鍵工藝參數［9］，為了精確控制拋光力，進一步提高拋光效果，文章以砂布輪拋光工藝參數為試驗因素，做了四因素三水平正交試驗，通過試驗結果分析了工藝參數對拋光力影響大小，分析了拋光力敏感度的變化規律。最后，通過葉片進排氣邊的拋光試驗證明：控制拋光力的關鍵影響參數可以實現理想的拋光效果。

1　拋光力實驗

1.1實驗平臺

采用尺寸為105mm×60mm×10mm的鈦合金TC4平板為試件，將其安裝在接有型號為CHB/A的Contronix數字顯示儀表的10kg電阻應變式力傳感器上；用百分表找正使試件拋光表處于水平狀態；針對鈦合金磨削特點，選用磨料為綠色碳化硅（Green SiC， GC）的砂布輪為磨具，在五軸聯動數控拋光機［8］上做拋光力測試試驗，如圖1所示。將柔性磨頭擺動軸調整90°使砂布輪旋轉軸呈水平與試件表面平行；數控編程中的刀具半徑為（即砂布輪旋轉時的半徑減去壓縮量），磨頭沿x方向以速度vf作進給運動并保持z坐標不變，這樣就可保證壓縮量在砂布輪做進給運動時基本穩定［9］，如圖2所示。

圖1　拋光力測試試驗現場

圖2　砂布輪拋光示意圖

1.2正交實驗設計

初始半徑為r0的砂布輪以角速度ω高速轉動，砂布片在向心力作用下沿半徑方向伸展，使得砂布輪半徑增大至0Δrr+，如圖所示。當高速轉動的砂布輪與拋光表面接觸后，與工件接觸的砂布被壓縮，圓周運動半徑減小至砂布輪正下方的砂布壓縮量最大，用ap表示。因此，砂布輪在拋光過程中針對葉片薄、型面復雜、曲率變化大的特點，具有優越的自適應性，一是可以與葉片空間復雜型面隨型切觸，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Δr，可有效避免過切、剛性沖擊和葉片型面變形［9］。

由以上分析得知，拋光力F的影響參數是砂布輪初始 半徑r0、壓縮量ap、轉速ω、粒度P。正交試驗是科學安排與分析多因素的試驗方法，可以以較少的試驗次數獲得試驗結果之外的更多信息。為分析工藝參數對拋光力F的影響規律，便于計算和優化控制，特設計四因素三水平正交試驗，試驗方案和試驗結果如表1所示。

表1　正交試驗設計和實驗結果

2　拋光力影響參數的敏感性分析

2.1拋光力預測模型

通過多元非線性回歸得到法向拋光力經驗公式：

2.2敏感性分析

圖3（a）～圖3（d）是依據靈敏度公式繪制的拋光力對r0、ap、ω、P的敏感度曲線。由靈敏度可知，拋光力對砂布輪壓縮量ap變化最敏感，對初始半徑r0變化敏感程度次之，對粒度P變化敏感程度一般，對粒度ω最不敏感。拋光力是實現葉片自動化拋光的關鍵工藝參數之一［10］，為實現拋光力的精確控制，確保在拋光過程中拋光力的魯棒性，必須對拋光力的參數進行優化。從圖3（a）可知，拋光力對r0的靈敏度隨r0增大而趨向于零，即r0越大其變化對拋光力變化影響越小，拋光力越穩定，砂布輪振動越小；試驗證明當r0＞8mm時拋光比較穩定。由圖3（b）可知，ap越大其變化對拋光力變化的影響越小，但必須確保砂布輪工作在柔性范圍內（即ap＜Δr ），否則會出現振動。由圖3（c）和（d）知，ω對拋光力的靈敏度小于粒度P對拋光力的靈敏度；ω或P越大，各自變化對拋光力變化影響不顯著。由上述分析可知，根據拋光工藝要求選定砂布輪后，為保證拋光力穩定，獲得一致的表面粗糙度，必須選取較大的壓縮量ap。實驗證明：對于r0=8 m m的砂布輪，當轉速ω＞6 0 0 0 r/m i n且0.6mm＜ap＜Δr時，拋光力較穩定。

圖3　拋光力對藝參數的敏感度

3　實驗驗證

圖4　拋光示意圖

由于葉片進排氣邊非常薄，最小處約為0.2mm，是葉片拋光的難點部位［11］，拋光力控制過小會造成“欠拋”，達不到拋光效果，拋光力過大很可能造成“過拋”，損壞進排氣邊的幾何形狀導致葉片報廢。根據上述分析，選取拋光參數r0=8mm，ap=0.8mm，ω=7500r/ min，P=600，vf=500mm/min，在專用拋光機上對葉片進排氣邊按照圖4所示的9個刀桿矢量角度進行拋光，如圖5所示。數控編程中的刀具半徑為即砂布輪旋轉時的半徑減去壓縮量，這樣就可保證拋光力穩定。用刀具測量儀對拋光前后進排氣邊觀測點的粗糙度和三維形貌測量。圖6是觀測點放大100倍后的圖片；拋光前，觀測點的粗糙度為Ra=0.7896um，從放大100的圖片和三維形貌可明顯的殘留鐵屑和積屑瘤；拋光后的表面無明顯加工痕跡，沒有積屑瘤，粗糙度為Ra=0.3221um，較拋光前明顯降低且達到技術要求。

圖5　拋光試驗

圖6　拋光前后效果對比

4　結論

1）設計了四因素三水平的正交試驗，根據試驗結果得到了拋光力預測模型，經檢驗預測模型是顯著的。

2）依據拋光力預測模型分析了拋光力影響參數的敏感度，拋光力對砂布輪壓縮量ap變化最敏感，對初始半徑r0變化敏感程度次之，對粒度P變化敏感程度一般，對粒度ω最不敏感。

3）對葉片進排氣邊做了拋光試驗，試驗結果表明通過合理控制拋光力可以實現理想的拋光效果。

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The sensitivity analysis of influence parameters of flexible polishing force for abrasive wheel

HUAI Wen-bo1，2，ZHANG Li-xin1，WANG Sun-xin1，ZHANG Yuan-ping1

V232.4

A

1009-0134（2016）09-0092-04

2016-03-21

淮文博（1979 -），男，陜西扶風人，講師，博士研究生，研究方向為復雜曲面表面完整性控制技術。