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模具自由曲面气囊抛光机理及工艺研究

金明生  
【摘要】:模具是制造业发展的重要基础,在机械、电子、汽车、轻工、建材和国防等领域具有广泛的应用前景。抛光是模具制造的重要工序,对确保模具质量和提高其使用寿命有重要作用。模具型腔65%是曲面,其中40%是自由曲面。目前,模具自由曲面抛光主要采用手工操作,生产效率低,且难以保证稳定的抛光质量。 本文针对实现模具自由曲面自动化抛光这一难点和热点问题,结合国家自然科学基金项目(No.50575208)的研究,提出一种基于气囊抛光工具的模具自由曲面机器人辅助气囊抛光新技术。该技术基于气囊抛光工具柔性在线可控并与模具自由曲面实现顺从接触和机器人对抛光工具的姿态和抛光路径控制,保证了对自由曲面的局部面形修正精度和表面质量,实现了模具自由曲面高效、精密、自动化抛光。 本文的主要工作如下: 1)对橡胶材料的力学性能和本构模型进行了研究,通过橡胶材料特性试验,确定了气囊橡胶材料本构模型的特性参数;对不同结构尺寸和邵氏硬度的橡胶气囊进行了抛光接触力研究和气囊优选,基于优选结果,建立了橡胶气囊接触力与下压量和充气压力的关系模型,并进行了实验验证;应用有限元分析和应变测量技术研究了气囊抛光工具的抛光接触力,通过对抛光工具连接架的有限元分析,确定了最大应变位置,并建立了最大应变位置处的应变与气囊所受接触力之间的关系模型,通过应变片测量实现了气囊接触力的在线监测,实验结果表明理论模型与实测结果吻合良好。 2)针对气囊抛光技术涉及的加工机理、几何形状修正机理和曲面光整加工机理进行了研究。对气囊抛光接触区的形状、工具转速、气囊压力与材料去除率之间的关系进行了理论分析,揭示了气囊大变形条件下接触区压力分布规律,建立了接触压力模型。基于接触力学和磨损理论,建立了气囊抛光材料去除模型,为深入研究气囊抛光材料去除机理和抛光工艺参数优化提供了理论依据。 3)通过抛光性能对比实验,确定了棉纤维抛光布作为气囊抛光工具的表面包覆材料;分析了各抛光工艺参数对实现模具表面位形修正和光整加工效果的影响,确定了工艺参数的灵敏度排序和最优工艺参数组合;提出一种应用于气囊抛光双目标工艺参数优化及加工结果预测的方法,实现了确保材料去除率和表面粗糙度两项工艺指标情况下对气囊抛光工艺参数的优化组合,并得到加工效果的预测结果,实验验证了预测结果的准确性。 4)基于气囊柔性在线可控和自动化抛光的需求,完成了气囊抛光工具的设计,建立了气囊抛光实验系统,在该实验系统上实现了对模具平面和自由曲面的高效、精密、自动化抛光,获得了良好的抛光效果。提出了一种能快速提高模具表面质量的气囊压力脉动抛光方法,并通过实验验证了该方法的有效性。 本文研究成果对于推进模具自由曲面精密、高效、自动化抛光技术的发展具有一定的理论指导意义和技术借鉴价值。


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