計時鳴，李 笑，金明生，張 利，許亞敏

（浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室，浙江 杭州 310032）

0 引 言

模具表面激光強化處理[1-2]（包括激光相變硬化、激光熔覆和激光合金化等）是代表國際先進水平和未來發(fā)展方向的高效綠色制造方法。在激光強化模具表面使用性能得到大幅度提高的同時，其加工難度也隨之加劇。高硬度、高耐磨性、自由曲面面形的復雜性和局域強化帶來的局域硬度差異成為制約激光強化模具表面后續(xù)加工的瓶頸因素。傳統(tǒng)的氣囊拋光是基于柔性拋光工具氣囊特有的自適應性和氣壓可控性，在加工過程中始終保持氣囊與工件之間的緊密吻合，保證加工精度的同時，獲得較高的材料去除率和較低的表面粗糙度[3-6]，但一般采用游離磨粒，運動姿態(tài)相對自由，難以獲得較好的切削效果。

本研究在傳統(tǒng)氣囊拋光基礎上，針對模具激光強化表面高硬度、高耐磨性的特點，提出一種新型磨粒固化氣囊光整技術，以期實現模具激光強化表面的高效精密自動化光整加工。該技術采用固結磨粒氣囊為加工工具，將磨粒與氣囊基體柔性有機結合，既利用固結磨粒切削力平穩(wěn)、材料去除率高的特點，又利用空心氣囊柔性使工具與自由曲面形成大面積仿形接觸，以提高高硬度自由曲面的加工效率。氣囊表面的彈性粘合層保證磨粒在微觀上既受到彈性支撐，又受到彈性約束，確保穩(wěn)定和較強切削力同時，發(fā)揮切削加工痕跡精細、不產生深度劃痕的優(yōu)勢，促使加工過程較快達到所需的表面粗糙度，能夠在顯著提高加工效率的同時，在彈性支撐作用下保證加工質量。

1 磨粒固化氣囊光整技術

將兩種不同彈性的材料相結合，再將磨粒固結于復合彈性體表面形成的柔性固結氣囊，稱為磨粒固化氣囊。該固化氣囊由兩層彈性體材料和磨粒層組成，其中彈性體一為基體，承擔結構的各種工作載荷；彈性體二為增強體，起到粘結磨粒層和傳遞應力的作用。

氣囊基體層橡膠良好的柔性可控特征不會破壞被加工面的幾何形狀，并能柔順地貼合于不同曲率的模具表面，滿足自由曲面大面積仿形接觸的光整需求。增強體層和磨粒層的相互作用，保證了磨粒具有良好的彈性支撐條件和動力學行為約束狀態(tài)，確保了一定的切削性能，又充分發(fā)揮切削痕跡精細、不至于產生過深劃痕的優(yōu)勢，能夠更快地獲得較好的表面粗糙度；同時固結磨粒不會飛濺，利于提高氣囊轉速。硬質砂輪磨削、游離磨粒拋光和磨粒固化氣囊光整技術的加工特征對比如圖1 所示。

2 磨粒固化氣囊成型工藝

新型磨粒固化氣囊依靠氣囊特有的自適應性和可變氣壓結構，內部氣壓通過氣泵實時在線可調，在光整過程中始終保持固化氣囊與不同曲率半徑工件緊密接觸，保證面形精度的同時，提高拋光效率?；w層作為磨粒固化氣囊的關鍵構件，應具有良好的彈性和韌性，同時可承受一定的壓力與變形。丁苯橡膠是一種不飽和非極性碳鏈橡膠，具有耐高低溫、耐磨耗、耐壓縮、耐油以及耐老化等優(yōu)點[7]。因此，磨粒固化氣囊基體采用丁苯橡膠與短纖維混合制作，短纖維選用超細尼龍纖維，通過乳膠共沉預處理使之在橡膠基質中分散，經硫化后成型。

考慮到介質與介質之間的相互作用和配合，以及界面相之間的各種物理、化學反應和相關力學性能等，第2 種彈性材料在選材上性能必須與橡膠材料相匹配，起到力的傳遞作用，同時又能與磨粒有效結合。因此，筆者確定采用粘結劑[8-9]作為第2 種彈性材料。本研究在室溫、常壓下對其進行粘結效果對比實驗以優(yōu)選粘結劑，實驗結果如表1 所示。

表1 不同粘結劑的性能對比

通過表1 的對比結果可知：膏狀酸性硅酮密封膠與橡膠粘結后固化所需時間較短、塑性較好、厚度基本保持不變，且成型后彈性良好、粘結可靠、強度大。因此，在本研究的分析和光整試驗中，粘結層選用酸性硅酮密封膠。

一般而言，利用磨粒與工件材料的硬度差實現材料去除，所以磨粒硬度越高，切削能力越強，材料去除效果越好。磨粒的強度指的是磨粒在承受外力時不被壓碎的能力，即磨粒強度越高，切削力越強，使用壽命越高。磨粒種類很多，常用的有碳化硅、金剛石、白剛玉、陶瓷氧化鋁等，考慮到成本與應用對象等因素，本研究優(yōu)先選用碳化硅磨粒作為磨粒固化氣囊的磨粒層材料。

圖1 磨削、游離磨粒拋光和磨粒固化氣囊光整技術對比

磨粒固化氣囊成型工藝方法可選擇手工冷粘成型、模壓成型和噴射成型等。其中，手工冷粘成型成本低，設備投資少，操作簡便，但制品均勻性較差；模壓成型是在手工冷粘成型基礎上，利用凹凸模進行壓制成型，相對手工冷粘成型，制品均勻性得到改善，且性能穩(wěn)定；噴射成型是基于制品均勻性考慮而提出的另一種工藝方法，通過噴槍的勻速噴射保證制品的均勻性，但設備投資大，成本較高。

本研究采用簡單傳統(tǒng)的手工冷粘成型方法制備低成本磨粒固化氣囊，并對其進行力學性能分析和光整試驗研究，以驗證其可行性和有效性，并為將來采用模壓成型或噴射成型制備磨粒固化氣囊提供技術準備和經驗積累。采用不同粒度碳化硅磨粒制備的磨粒固化氣囊實物圖如圖2 所示。

圖2 不同粒度值的磨粒固化氣囊

3 磨粒固化氣囊理論分析與試驗研究

3.1 力學性能分析

本研究中氣囊基體選用邵氏硬度為48，厚度為2mm的丁苯合成橡膠材料，根據公式：

式中：Hs—硬度，E—彈性模量。

可得橡膠基體層的彈性模量E=2.29 MPa；粘結劑固化后邵氏硬度為32，則粘結層的彈性模量E=1.24 MPa。

對于只有兩相組成的磨粒固化氣囊，即N=2，利用公式：

式中：i—整數，J=-1～1，Φi—體積分數。

當J 分別取±1 時，表示該磨粒固化氣囊彈性模量的上、下限[10]，計算結果如表2 所示。

通過表2 可知：磨粒固化氣囊相比傳統(tǒng)意義的氣囊，彈性模量低，但沒有數量級的差異，故相對工件的吻合特性沒有明顯下降，滿足自由曲面大面積仿形接觸的光整需求。

表2 不同粘結層厚度的磨粒固化氣囊理論彈性模量

假定該固化氣囊模型是各向同性的超彈性材料，具有不可壓縮的性質，則根據Mooney-Rivlin 模型可確定其材料系數：

式中：W—應變能密度；C1，C2—材料的力學性能常數；I1，I2—第一張量不變量和第二張量不變量。

I1和I2 可表示為：

式中：λ1，λ1，λ3—3 個方向的主伸長比。

理想不可壓縮材料的體積是不變的，則J=λ1λ2λ3=1。對于材料的力學性能常數 C1和 C2，可用軸向拉伸等方式測量。同時由Kirchhoff 應力張量和Green 應變張量之間的關系得出：

式中：t1—λ1方向上的真實應力，與工程應力σ1 的關系為 t1= σ1λ1。

由此可得出該模型的應力應變關系，為之后的有限元分析提供了理論依據，同時可避免實際拋光時超出材料所能承受的最大應力范圍，導致材料破壞。

3.2 拋光試驗

筆者應用制備的磨粒固化氣囊，結合機器人輔助拋光技術進行試驗，觀察試驗效果，以驗證該磨粒固化氣囊的可行性和有效性。該實驗制備出6 種不同粘結層厚度的磨粒固化氣囊，分別為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm，編號為1～6。試驗條件為：半球型直徑40 mm 的磨粒固化氣囊，拋光工具轉速1 400 r/min，下壓量2.0 mm，氣囊傾角π/9 rad。該6 組磨粒固化氣囊針對同一類工件、相似的表面粗糙度，定點拋光100 s，觀察其表面拋光效果，實驗結果如表3～5 所示。

表3 不同粘結層厚度的磨粒固化氣囊磨粒脫落量（單位：g）

表4 不同粘結層厚度的磨粒固化氣囊工件材料去除量（單位：g）

表5 拋光后工件表面粗糙度Ra

通過手工冷粘成型的磨粒固化氣囊均勻性較差，精度較低，主觀因素影響較大，但從上述數據中仍可看到：粘結層厚度越小，磨粒固著效果較差，工件材料去除量較少，但都在一定程度上降低了工件表面粗糙度，提高了工件表面質量。產生這種現象的原因是粘結層厚度越小，固化的磨粒越少，但固化氣囊的均勻性越容易控制。固化氣囊的均勻性對整個拋光加工質量穩(wěn)定性有很大的影響，因此研究者需要通過進一步的模壓成型或噴射成型工藝來保證固化氣囊的均勻性，以提高工件表面精度。

筆者選用均勻性較容易控制且粘結層厚度為0.5 mm 的磨粒固化氣囊做進一步的實驗，以研究氣囊轉速對工件表面加工質量的影響，下壓量均為2.0 mm，定點拋光100 s，結果如圖3 所示。

圖3 不同轉速下工件表面粗糙度隨時間的變化

根據圖3 可得：磨粒固化氣囊在前50 s 內，轉速越高，材料去除效果越好，表面質量提升越快；而50 s后磨粒的脫落導致光整效果明顯下降。因此在后續(xù)的研究中，需要充分加強復合層，特別是磨粒與粘結層的粘結效果，在保證表面質量的同時提高加工效率。

4 結束語

本研究針對模具激光強化表面高硬度、高耐磨性的特點，提出了一種新型磨粒固化氣囊光整技術，以期實現模具激光強化表面的高效精密自動化光整加工。通過研究磨粒固化氣囊光整技術，確定出利用酸性硅酮密封膠將磨粒直接固化在丁苯橡膠基體表面，以制得磨粒固化氣囊的工藝方法。通過拋光實驗得出，控制磨粒固化氣囊的均勻性，加強復合層的粘結效果，可以降低工件表面粗糙度，提高加工效率的結論。

該光整技術與傳統(tǒng)氣囊拋光相比，具有一定的創(chuàng)新意義和實用價值，值得進一步深入研究。

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