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（1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)械工程系，新加坡 117575；3.斯威本科技大學(xué)理工學(xué)院，墨爾本 VIC 3122）

高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基礎(chǔ)，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類金屬材料，具有優(yōu)異的綜合性能[1]，高溫合金常見類型如表1所示[1–2]。作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵材料，高溫合金主要用于葉片、機(jī)匣、機(jī)盤、燃燒室等部件的制造及其高性能修復(fù)[3–6]。當(dāng)前，這些部件的制造及其高性能修復(fù)是國(guó)家的重大需求之一[7–8]。

表1 高溫合金類型與典型型號(hào)Table 1 Superalloys types and typical grades

磨削作為機(jī)加工的最后一道工序，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件等高溫合金的制造與修復(fù)中發(fā)揮著重要作用。機(jī)器人柔性磨削靈活性強(qiáng)，擴(kuò)展性高，對(duì)部件損傷小，因此廣泛應(yīng)用于形狀復(fù)雜、難加工高溫合金部件的磨削中[9–11]。當(dāng)前，機(jī)器人的定位精度與重復(fù)精度不斷提高，基于人工智能的算法層出不窮，進(jìn)一步促進(jìn)了機(jī)器人柔性智能磨削的應(yīng)用與發(fā)展[12]。另一方面，大量的理論研究與工程實(shí)踐表明，由于磨削過(guò)程復(fù)雜而強(qiáng)烈的力–熱耦合作用，部件磨削區(qū)域的表面形貌[13]、組織結(jié)構(gòu)[7]及應(yīng)力狀態(tài)[14]等表面完整性會(huì)發(fā)生明顯的變化，而表面完整性與部件的力學(xué)性能和抗腐蝕性能等關(guān)系密切，從而影響部件在使用過(guò)程中的摩擦、振動(dòng)、穩(wěn)定性以及壽命等使役性能，直接關(guān)系到設(shè)備與系統(tǒng)的運(yùn)行安全[15–18]。因此，磨削加工表面完整性的控制至關(guān)重要。

目前，常用的機(jī)器人柔性磨削的智能控制方法主要是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，即黑箱模型，基于直接采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，得到模型參數(shù)，進(jìn)而預(yù)測(cè)磨削去除量[19–21]、表面粗糙度[22–24]以及工具狀態(tài)[10,25–26]等指標(biāo)。然而，制造條件和材料多樣性所導(dǎo)致的模型低效性、實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中難以獲得大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)、訓(xùn)練所得模型可解釋性差以及在磨削復(fù)雜幾何形狀部件時(shí)的低精度，這些固有的局限性限制了純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的黑箱模型在柔性磨削中的廣泛應(yīng)用[27–28]。

因此，磨削表面完整性智能控制算法需要從目前的“純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型”向“知識(shí)驅(qū)動(dòng)模型+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型”的方向轉(zhuǎn)換。其中，“知識(shí)驅(qū)動(dòng)模型”的本質(zhì)即描述磨削力、熱、材料去除、微結(jié)構(gòu)演變等過(guò)程參數(shù)的數(shù)理模型。闡明加工過(guò)程中工件磨削區(qū)表面完整性的演變機(jī)理，構(gòu)建“柔性磨削參數(shù)力熱耦合場(chǎng)–表面完整性預(yù)測(cè)與調(diào)控”的數(shù)理模型，是實(shí)現(xiàn)柔性磨削質(zhì)量控制的基礎(chǔ)性工作，是連接表面完整性控制和智能磨削算法的橋梁，將顯著提升磨削智能控制模型的泛化能力與效率。

本文概述了柔性磨削的特點(diǎn)與機(jī)器人柔性磨削系統(tǒng)的組成，重點(diǎn)介紹了磨削過(guò)程的智能控制模型算法；從表面形貌、應(yīng)力狀態(tài)及組織結(jié)構(gòu)3個(gè)方面總結(jié)了柔性磨削表面完整性近年來(lái)具有代表性的工作，介紹了一些砂輪磨削中部分經(jīng)典的模型，這些模型的建模思路可被柔性磨削借鑒；最后梳理了磨削表面完整性對(duì)高溫合金部件力學(xué)性能與抗腐蝕性能的影響規(guī)律的相關(guān)研究，并對(duì)高溫合金機(jī)器人柔性精密磨削表面完整性未來(lái)的研究方向與挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

機(jī)器人柔性磨削特點(diǎn)與系統(tǒng)組成

1 特點(diǎn)

柔性磨拋是指依靠一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)元件以可控、可逆的方式與工件表面相適應(yīng)的一類精細(xì)材料加工方法[29]，有別于傳統(tǒng)的剛性砂輪磨削和拋光。目前廣泛使用的柔性磨削工具為砂帶磨削、形狀自適應(yīng)磨削（Shape adaptive grinding, SAG）、磨削盤與橡膠基閥蓋工具等，如圖1所示[7，30–31]。

圖1 柔性磨削工具Fig.1 Compliant grinding tools

相比于剛性砂輪磨削，柔性磨削工具在加工過(guò)程中會(huì)發(fā)生明顯的彈性變形，擁有良好的柔順性，與部件表面貼合性好；同時(shí)，在磨削過(guò)程中傳入部件的熱流比例較低，對(duì)部件損傷較小。而在剛性磨削中，偏置的剛性工具迫使大磨粒切入部件，使磨削力迅速上升、磨削區(qū)過(guò)熱，導(dǎo)致磨削表面及次表面產(chǎn)生損傷[32–34]。此外，由于彈性變形可以“吸收”工件不規(guī)則表面對(duì)加工過(guò)程的擾動(dòng)，因此柔性磨削機(jī)構(gòu)的剛度要求明顯低于砂輪磨削機(jī)構(gòu)的要求[32]。

然而，彈性變形亦使磨削過(guò)程與表面質(zhì)量的控制變得復(fù)雜。微觀上，每個(gè)磨粒與工具接觸時(shí)均會(huì)發(fā)生彈性變形，剛性磨削中基于工具偏置量與磨粒統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)對(duì)材料去除機(jī)理以及磨削力熱場(chǎng)的建模方法不再適用，在建模過(guò)程中必須將磨粒的壓力分布作為關(guān)鍵因素考慮。宏觀上，工具的變形相當(dāng)于為磨削機(jī)構(gòu)引入了一個(gè)額外的自由度，并且去除率不再僅由工具的偏置量決定。在給定的偏置量下，工具與工件的接觸區(qū)可分為切削、耕犁與滑擦區(qū)域，且切削區(qū)材料去除量從中心向邊緣逐漸減少，如圖2所示[32]。綜合微觀與宏觀特點(diǎn)，柔性磨削過(guò)程控制與磨削機(jī)理的建模，必須將工具的彈性變形作為一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

圖2 SAG磨削過(guò)程原理與材料去除區(qū)域宏觀劃分Fig.2 Principle of SAG process and macroscopic division of material removal domains

工業(yè)機(jī)器人是目前廣泛應(yīng)用的柔性制造單元，可以方便地集成多種傳感器與智能控制算法，實(shí)現(xiàn)基于多信息融合的智能加工實(shí)時(shí)控制。因此，柔性磨削工具與機(jī)器人融合使用，可以拓寬柔性智能磨削加工的應(yīng)用領(lǐng)域，提高難加工、形狀復(fù)雜高溫合金部件的加工質(zhì)量與效率。

2 系統(tǒng)組成

機(jī)器人柔性磨削系統(tǒng)由控制軟件與硬件組成，其中硬件可分為兩大系統(tǒng)，即由工業(yè)機(jī)器人、磨削工具與PLC 控制柜等組成的加工系統(tǒng)，以及多種傳感器、數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換設(shè)備、數(shù)據(jù)分析與控制反饋等設(shè)備組成的監(jiān)控系統(tǒng)。典型的機(jī)器人智能砂帶磨削硬件系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 機(jī)器人智能砂帶磨削系統(tǒng)Fig.3 Robotic intelligent belt grinding system

對(duì)于硬件部分，在加工系統(tǒng)中，機(jī)器人控制柜控制工業(yè)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，PLC 控制柜可以與機(jī)器人控制柜通信，從而控制砂帶機(jī)、拋光機(jī)、磨削頭機(jī)與自動(dòng)上料臺(tái)等加工工具與機(jī)器人協(xié)同工作。在監(jiān)控系統(tǒng)中，機(jī)器人末端與磨削區(qū)域附近布置力傳感器、紅外相機(jī)、熱電偶、麥克風(fēng)、聲發(fā)射、高速相機(jī)與三維輪廓儀等多種傳感器，用于監(jiān)控磨削力、磨削溫度、磨削聲音、砂帶磨損與材料去除量等過(guò)程參數(shù)，這些數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集、調(diào)理、轉(zhuǎn)換等處理后傳入工控機(jī)。傳入工控機(jī)的數(shù)據(jù)由控制軟件負(fù)責(zé)分析處理。磨削部件表面完整性（如表面形貌、組織結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)等）與尺寸精度是磨削的結(jié)果參數(shù)，分別由磨削力–熱耦合場(chǎng)與材料去除量決定。因此，過(guò)程參數(shù)是聯(lián)系結(jié)果參數(shù)與磨削參數(shù)的橋梁。工控機(jī)中對(duì)應(yīng)的智能模型算法會(huì)基于預(yù)先建立的模型（知識(shí)驅(qū)動(dòng)模型/數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型）對(duì)傳入的過(guò)程參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)磨削過(guò)程狀態(tài)進(jìn)行判斷、預(yù)測(cè)，基于分析預(yù)測(cè)結(jié)果通過(guò)控制軟件向加工系統(tǒng)控制單元（PLC控制柜與機(jī)器人控制柜）發(fā)出控制指令，從而控制接觸壓力、砂帶轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、部件姿態(tài)等磨削參數(shù)，并對(duì)磨削工具工作狀態(tài)做出評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，如圖4所示。

模型算法是機(jī)器人柔性磨削智能控制的核心部分，決定了磨削的質(zhì)量與效率。目前智能控制算法主要有經(jīng)典反饋控制與PID 控制[35]、模糊控制[36]等傳統(tǒng)控制方法，以及人工智能相關(guān)算法，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[37]、XGBoost[19]、支持向量機(jī)[38]、支持向量回歸[39]、多元線性回歸[25]、隨機(jī)森林[40]、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[41]、最優(yōu)剪枝極限學(xué)習(xí)機(jī)[26]等。然而上述算法模型的基本工作邏輯為圖5所示的純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，模型本身沒(méi)有磨削過(guò)程物理實(shí)質(zhì)的支撐，因此，模型的可解釋性差，泛化性與控制效率都較低。而以知識(shí)驅(qū)動(dòng)模型為核心的智能控制算法，憑借著磨削過(guò)程物理實(shí)質(zhì)的支撐，可以很好地避免純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的弊端。其工作邏輯如圖6所示，基于知識(shí)+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型，既可由磨削參數(shù)預(yù)測(cè)磨削質(zhì)量，亦可根據(jù)磨削需求確定磨削參數(shù)，結(jié)合多信息融合監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)磨削的高質(zhì)量高效控制。

因此，亟需建立“柔性磨削參數(shù)–表面完整性預(yù)測(cè)與調(diào)控”的知識(shí)模型，這是機(jī)器人柔性磨削系統(tǒng)的核心組成部分，是實(shí)現(xiàn)磨削過(guò)程智能高效控制的關(guān)鍵。

磨削表面完整性影響因素與理論建模

1 表面完整性指標(biāo)

表面完整性又稱表面層質(zhì)量，用于衡量部件機(jī)加工后表面與次表面（幾十至幾百微米）質(zhì)量。早在1964年，F(xiàn)ield 等[42]將表面完整性定義為“經(jīng)過(guò)機(jī)加工或其他表面加工技術(shù)處理后的表面，所固有的或者增強(qiáng)了的狀態(tài)”，該定義沒(méi)有限制表面處理的具體方法，因此涵蓋的范圍非常廣泛。

目前，在磨削與切削領(lǐng)域，部件表面完整性主要從表面形貌、應(yīng)力狀態(tài)與組織結(jié)構(gòu)（又稱化學(xué)與冶金狀態(tài)）等3 個(gè)方面定義[43]，如表2所示。其中，表面形貌主要包括部件表面粗糙度與劃痕、燒損、與微裂紋等指標(biāo)；應(yīng)力狀態(tài)主要包括殘余應(yīng)力等指標(biāo)；組織結(jié)構(gòu)主要包括晶粒微結(jié)構(gòu)（尺寸、分布與形狀）、晶體缺陷、相變以及顯微硬度等指標(biāo)。3 者之間會(huì)互相影響，共同決定磨削部件的表面完整性。

圖4 機(jī)器人柔性磨削智能控制流程圖Fig.4 Robotic compliant grinding intelligent control flow chart

圖5 純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制算法模型工作邏輯Fig.5 Control logic of data-driven algorithm model

圖6 知識(shí)驅(qū)動(dòng)+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制算法模型工作邏輯Fig.6 Control logic of knowledge-driven + data-driven algorithm model

表2 磨削工件表面完整性主要指標(biāo)Table 2 Indexes of grinding workpiece surface integrity

2 表面形貌

部件的表面形貌很大程度上決定了部件的外形質(zhì)量與使用壽命，其受到工具彈性變形、磨粒的大小與形狀、磨削工具的狀態(tài)、磨削速率、磨削壓力、磨削時(shí)間、散熱條件等參數(shù)的影響。

表面粗糙度演變規(guī)律及其理論建模是目前研究的熱點(diǎn)。Wang 等[44]基于赫茲彈性接觸理論，建立了去除率模型，如表3所示，進(jìn)而構(gòu)建了砂帶磨削的表面去除云圖；Beaucamp等[34]探究了SAG 磨粒大小與形狀在磨削過(guò)程中的變化規(guī)律，提出了柔性磨削中磨屑等效厚度概念，為部件表面粗糙度的控制提供了借鑒；之后該團(tuán)隊(duì)從磨粒的微觀切深與材料響應(yīng)的角度入手，建立模型預(yù)測(cè)SAG 磨削時(shí)工件材料韌–脆轉(zhuǎn)變條件，借此控制工件的表面粗糙度[45]。

表3 表面完整性理論模型Table 3 Some theoretical models of surface integrity

然而，上述模型對(duì)磨粒–部件微觀交互機(jī)理的探討較淺，且未考慮磨削過(guò)程中工具動(dòng)態(tài)的彈性變形。Zhao 等[46]采用離散化方法，將砂帶磨削整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)化為若干個(gè)承受不同接觸壓力的局部平面磨削過(guò)程，計(jì)算了不同時(shí)刻磨粒在局部砂帶上的磨削深度，并根據(jù)有效磨粒的磨削深度導(dǎo)出了刃口包絡(luò)線，實(shí)現(xiàn)了基于成形機(jī)理的表面粗糙度仿真；Zhu 等[32]首次對(duì)SAG 進(jìn)行了較為系統(tǒng)的建模，基于“彈簧磨?！蹦Ｐ团c磨粒尺寸的分布模型，同時(shí)對(duì)磨削過(guò)程中滑擦、耕犁與切削作用對(duì)磨具彈性變形的影響進(jìn)行補(bǔ)償修正，建立不同位置磨粒動(dòng)態(tài)切深的預(yù)測(cè)方法，在此基礎(chǔ)上闡述磨削法向力–切深–磨粒磨損的關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)磨粒切削深度與寬度的預(yù)測(cè)，如圖7所示[32]。在給定的偏置量下，隨著工具的磨損，磨粒變鈍，產(chǎn)生切削作用的磨粒的數(shù)量顯著減少，而產(chǎn)生滑擦與犁耕作用的磨粒數(shù)量大大增加（圖7（a）和（b）），導(dǎo)致磨損后工具的切深減小（圖7（c）），最小切寬增大（圖7（d）），進(jìn)而導(dǎo)致表面劃痕明顯。因此，可以基于建立的模型對(duì)工具的磨損實(shí)時(shí)補(bǔ)償，控制磨削部件表面粗糙度與劃痕。

圖7 工具偏置0.3mm時(shí)磨粒狀態(tài)與切深/寬分布Fig.7 Distribution of abrasive grains and cutting depth/width with tool offset 0.3mm

燒損是磨削部件表面過(guò)熱發(fā)生的損傷，鎳基高溫合金對(duì)于燒損尤為敏感[47]，如圖8所示。輕度燒損會(huì)導(dǎo)致工件表面燒傷，產(chǎn)生氧化物薄膜；而嚴(yán)重的燒損會(huì)使工件表層發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生變質(zhì)層[48]，甚至導(dǎo)致白層的產(chǎn)生，如圖9所示[49–51]。燒損會(huì)影響部件的應(yīng)力狀態(tài)并導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生[51]，惡化工件表面完整性。磨削時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、壓力過(guò)大、散熱條件差等不合適的磨削參數(shù)均會(huì)引起燒損[7]。

圖8 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片磨削燒損Fig.8 Grinding burn of blade of aero-engine

圖9 燒損導(dǎo)致的變質(zhì)層（DD5合金）與白層（IC10合金）Fig.9 Burn-induced metamorphic layer (DD5 superalloy) and white layer (IC10 superalloy)

避免燒損的關(guān)鍵是將部件局部最高溫度控制在燒損發(fā)生的臨界溫度以下。目前，磨削溫度主要通過(guò)熱電偶與熱紅外相機(jī)測(cè)量，前者使用限制小但會(huì)破壞部件，主要用于部件內(nèi)部溫度測(cè)量；后者不會(huì)破壞部件，主要用于發(fā)射率已知的部件表面溫度測(cè)量，但其準(zhǔn)確度相對(duì)較低。然而，由于部件表層在磨削過(guò)程中會(huì)發(fā)生劇烈塑性變形，損傷發(fā)生的臨界溫度不僅與部件材料有關(guān)，還與具體的磨削工藝有關(guān)[43]。磨削力–熱耦合場(chǎng)模型可給出磨削熱量的分配規(guī)律與力熱場(chǎng)作用下材料微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，故能很好地用于燒損的在線預(yù)測(cè)。Li 等[33]建立了柔性百葉盤磨削過(guò)程的熱場(chǎng)模型，基于該模型可根據(jù)給定的磨削溫度設(shè)計(jì)百葉盤的結(jié)構(gòu)，但模型未考慮材料的力熱參數(shù)的變化，僅針對(duì)特定磨削場(chǎng)景有效。當(dāng)前關(guān)于柔性磨削力–熱耦合場(chǎng)的建模較少，對(duì)燒損的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)也僅應(yīng)用在特定的小范圍場(chǎng)景中，目前主流做法是檢測(cè)燒損是否發(fā)生，如表4所示[55–65]。

表4 磨削燒損檢測(cè)常用方法Table 4 Methods of grinding burn detection

磨削劇烈力熱導(dǎo)致工件微結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，誘發(fā)微裂紋[66]。微裂紋是磨削部件表面的嚴(yán)重缺陷，探究其產(chǎn)生機(jī)理與抑制措施是柔性磨削控性的重要方面。Wang 等[67]以DD6 鎳基單晶為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)表面粗糙度–應(yīng)力的理論建模與有限元分析發(fā)現(xiàn)，工件表面粗糙度越大，應(yīng)力集中越明顯，微裂紋濃度越高，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖10所示。Zhu 等[68]利用砂帶的彈性變形修正磨屑厚度（Undeformed chip thickness，UCT）計(jì)算模型，基于此建立了單磨粒磨削的數(shù)值模擬模型，并探究了機(jī)器人砂帶磨削是裂紋的萌生、擴(kuò)展與抑制機(jī)理，提出使用UCT定量描述裂紋萌生狀態(tài)的方法。目前對(duì)高溫合金柔性磨削微裂紋的萌生擴(kuò)展與抑制尚缺乏系統(tǒng)的建模研究。

圖10 工件表面粗糙度與應(yīng)力的關(guān)系Fig.10 Relationship between surface roughness and stress of workpiece

綜上所述，表面形貌的控制是磨削質(zhì)量控制的核心，其控制模型直接關(guān)系磨削質(zhì)量與效率。然而目前關(guān)于柔性磨削工件表面形貌系統(tǒng)的理論模型依然比較缺乏，未來(lái)的建模工作應(yīng)聚焦于工具彈性變形的補(bǔ)償、控制，并融合更多的材料參數(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)化的模型。

3 應(yīng)力狀態(tài)

磨削劇烈的力、熱會(huì)改變工件一定厚度表層的殘余應(yīng)力[7,69]，殘余壓應(yīng)力會(huì)提升部件的疲勞強(qiáng)度與抗腐蝕性能，反之則會(huì)降低部件的使役性能[70–71]。殘余應(yīng)力主要由工件局部熱膨脹/收縮、磨粒導(dǎo)致的塑性變形與局部相變等原因引起[72]，3 者對(duì)殘余應(yīng)力的影響如表5所示[14]。磨削工件最終的殘余應(yīng)力狀態(tài)取決于3方面平衡的結(jié)果，如圖11所示[73]。當(dāng)工件在磨粒作用下的變形強(qiáng)烈時(shí)，工件整體表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力；當(dāng)熱膨脹/收縮作用強(qiáng)烈時(shí)，工件整體表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力；當(dāng)磨削能量過(guò)高導(dǎo)致工件發(fā)生相變時(shí)，表面殘余應(yīng)力也會(huì)發(fā)生改變。

通過(guò)控制磨削的力、熱載荷使磨削后工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，是磨削在表面改性方面的重要應(yīng)用[69]。Ding 等[14]從殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素、建模與仿真以及測(cè)量與監(jiān)控等方面對(duì)金屬材料磨削殘余應(yīng)力進(jìn)行了綜述，并指出工件初始?xì)堄鄳?yīng)力的分布、復(fù)雜形狀工件的殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)、更加可靠的理論模型、殘余拉應(yīng)力的釋放以及智能在線監(jiān)控是未來(lái)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

磨削殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)與控制的理論建模既可從磨削力熱場(chǎng)建模入手，亦可直接建立磨削參數(shù)與殘余應(yīng)力的關(guān)系模型。Ren 等[74]基于理論模型、仿真模型與熱紅外相機(jī)監(jiān)測(cè)建立了一種機(jī)器人砂帶磨削Inconel 718動(dòng)態(tài)熱輸入預(yù)測(cè)方法，用于預(yù)測(cè)工件的熱場(chǎng)；Bouktib 等[53]利用解析模型計(jì)算了給定壓力與磨粒數(shù)量下，磨粒穿透深度及其變化規(guī)律，研究了初始表面粗糙度、載荷條件、磨削次數(shù)和摩擦系數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響，結(jié)果可用于描述砂帶磨削工件殘余應(yīng)力的演變規(guī)律（表5）；Wang 等[75]基于建立的理論模型與二維有限元模型探究了砂帶磨削中殘余應(yīng)力的變化規(guī)律，結(jié)果表明，增大磨削力與磨粒數(shù)量可以使殘余應(yīng)力的幅值與深度增加，但同時(shí)也會(huì)增加材料去除量，從而使殘余應(yīng)力幅值與深度減小，如何對(duì)兩者進(jìn)行平衡是控制的關(guān)鍵。此外，近年來(lái)有學(xué)者通過(guò)建立鈦合金砂帶磨削表面殘余應(yīng)力的分子動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)鈦合金分子勢(shì)函數(shù)，建立了線性回歸方程，進(jìn)而得到了砂帶磨削鈦合金表面殘余應(yīng)力在分子水平上的表達(dá)式，模型誤差在20%以內(nèi)[76]?？傮w而言，目前關(guān)于機(jī)器人柔性磨削工件表面殘余應(yīng)力的理論建模較少，且模型完整性有待完善。

表5 磨削過(guò)程對(duì)工件殘余應(yīng)力的影響Table 5 Effects of grinding process on workpiece residual stress

圖11 磨削表面殘余應(yīng)力與磨削比能關(guān)系Fig.11 Relationship between grinding surface residual stress and grinding specific energy

隨著對(duì)磨削工件應(yīng)力狀態(tài)研究的不斷深入，磨削已逐漸從傳統(tǒng)的減材加工工藝向減材加工+表面改性，即控形+控性的綜合加工工藝轉(zhuǎn)變。當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)研究面臨的主要挑戰(zhàn)主要是理論建模與狀態(tài)監(jiān)控。準(zhǔn)確的力–熱耦合場(chǎng)模型與應(yīng)力狀態(tài)在力熱場(chǎng)作用下的演變規(guī)律研究目前比較缺乏，如何實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力快速準(zhǔn)確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程與加工過(guò)程的實(shí)時(shí)融合，同樣任重道遠(yuǎn)。

4 組織結(jié)構(gòu)

在強(qiáng)烈的磨削力、熱作用下，工件表層的顯微硬度會(huì)發(fā)生顯著改變，本質(zhì)上是晶粒尺寸、形態(tài)，位錯(cuò)等晶體缺陷以及材料的物相等組織結(jié)構(gòu)變化的宏觀表現(xiàn)，如圖12所示。工件表層的組織結(jié)構(gòu)與工件的性能密切相關(guān)[14，43，77]。因此，闡明磨削工件微觀組織結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律是實(shí)現(xiàn)磨削控性的重要基礎(chǔ)。

目前磨削硬化已作為一種特定的表面強(qiáng)化工藝廣泛使用[16，70]，研究磨削工件顯微硬度的產(chǎn)生機(jī)理、演變規(guī)律與控制方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。Wang 等[77]對(duì)Inconel 718 工件機(jī)器人砂帶磨削后的顯微硬度進(jìn)行深入研究，在特定磨削參數(shù)下，工件表層硬度相對(duì)于基體增加15%，厚度約150μm（圖12（a）），研究表明殘余壓應(yīng)力（圖12（b））、表層晶粒細(xì)化（圖12（c））與形變導(dǎo)致的位錯(cuò)增加（圖12（d））是顯微硬度增大的主要原因。Nguyen 等[78]利用一個(gè)基于三角形移動(dòng)熱源的有限元傳熱模型描述磨削硬化層的溫度場(chǎng)，從而闡明磨削硬化層厚度的演變規(guī)律；Ortega 等[79]基于三角形磨削熱場(chǎng)同時(shí)建立了磨削硬化與高溫軟化的解析模型，且在建模中考慮了磨屑帶走的熱量，基于兩個(gè)模型的綜合作用預(yù)測(cè)磨削硬化層深度，誤差在6%以內(nèi)；Alonso 等[80]提出了一種通過(guò)控制“基于面積的磨削比能E（Area–based specific energy）”來(lái)預(yù)測(cè)磨削硬化層深度的方法，該參數(shù)同時(shí)考慮了磨削能量與工具–工件的接觸時(shí)間，基于多種材料的研究表明，E與加工過(guò)程中材料的軟化存在一定的關(guān)系，并且該關(guān)系在一定條件下與磨削參數(shù)無(wú)關(guān)，因此E可作為控制磨削工件硬化的重要參數(shù)。

磨削工件表層晶粒微觀結(jié)構(gòu)的研究目前尚缺乏較為完善的理論模型，現(xiàn)有的研究多集中在相關(guān)的表征與影響因素探索上。杜隨更等[81]研究發(fā)現(xiàn)，GH4169 合金磨削后表層金屬發(fā)生了劇烈的塑性變形，通過(guò)高分辨透射電鏡（HRTEM）對(duì)變形層表征發(fā)現(xiàn)，該層可進(jìn)一步分為表面非晶層、微觀剪切帶與納米晶層，如圖13（a）所示[77]。Fergani 等[82]基于有限元和粘塑性自洽的方法嘗試預(yù)測(cè)工件磨削表層的織構(gòu)演變規(guī)律，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合的較好；Kovach等[51]利用電鏡表征鎳基單晶高溫合金磨削后的變質(zhì)層，結(jié)果表明磨削后材料表層產(chǎn)生大量位錯(cuò)，位錯(cuò)與γ’相交互作用，阻礙表層金屬的塑性變形；Wang 等[77]利用EBSD 分別表征了Inconel 718 機(jī)器人砂帶后表層100μm 組織與基體組織的晶界，結(jié)果表明表層材料晶粒內(nèi)孿晶明顯減少，并出現(xiàn)了碎化現(xiàn)象，如圖13（b）所示；且工件表層的晶粒尺寸顯著減小，產(chǎn)生了細(xì)晶強(qiáng)化效果（圖12（c））。未來(lái)的研究應(yīng)基于已有表征分析結(jié)果，聚焦于建立預(yù)測(cè)與控制的理論模型。

圖12 Inconel 718工件機(jī)器人砂帶磨削后顯微硬度、殘余應(yīng)力與組織結(jié)構(gòu)Fig.12 Microhardness, residual stress and microstructure of Inconel 718 workpiece after robotic belt grinding

圖13 磨削導(dǎo)致的GH4169微結(jié)構(gòu)改變Fig.13 GH4169 microstructure changes induced by grinding

高溫合金柔性磨削的溫度能夠達(dá)到950℃以上[81]，雖然磨削持續(xù)時(shí)間較短（分鐘量級(jí)），但由于磨削過(guò)程中工件表層發(fā)生劇烈的塑性變形，因此力–熱耦合作用會(huì)將導(dǎo)致相變的發(fā)生。Duscha 等[83]將工件的材料性能映射為溫度的函數(shù)，建立了溫度、微觀結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)等多場(chǎng)耦合的有限元仿真模型，用于相變動(dòng)力學(xué)分析。2020年Wu 等[84]研究了磨削熱對(duì)鐵鎳基高溫合金相變的影響，結(jié)果表明相變程度與熱輸入正相關(guān)，且相變發(fā)生時(shí)馬氏體和奧氏體數(shù)量顯著增加而鐵素體數(shù)量顯著減少，導(dǎo)致工件表層硬度大幅提高。Ding 等[85]基于磨削參數(shù)，建立了在不同應(yīng)變速率和接觸區(qū)溫度下，材料相–受控?cái)U(kuò)散動(dòng)力學(xué)與材料相–無(wú)擴(kuò)散轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)之間的定量關(guān)系，進(jìn)而給出了連續(xù)分段等溫過(guò)程中相體積分?jǐn)?shù)與磨削工藝參數(shù)之間的關(guān)系式，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可行性；之后該團(tuán)隊(duì)對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化，建立了非等溫條件下連續(xù)磨削相變體積分?jǐn)?shù)的物理模型和預(yù)測(cè)方法[54]，如圖14[54]和表3所示。該模型將工件材料特性、磨削工具形貌、磨粒形狀與過(guò)程參數(shù)作為模型的輸入?yún)?shù)，在建立多磨粒交互模型的基礎(chǔ)上，闡明磨削熱的分布與加熱速率，結(jié)合Johnson–mehl–avrami（JMA）模型和Koistinen–marburger（KM）模型建立相變體積分?jǐn)?shù)的預(yù)測(cè)模型，但該模型假設(shè)較多，因此使用范圍受限。這些研究為高溫合金柔性磨削相關(guān)的理論建模提供了很好的借鑒。

圖14 相變預(yù)測(cè)模型建模流程圖Fig.14 Modeling flow chart of phase transition prediction

材料表層微結(jié)構(gòu)是聯(lián)系磨削參數(shù)與磨削工件性能的橋梁，如從本質(zhì)上理解磨削控性，組織結(jié)構(gòu)演變規(guī)律的研究是至關(guān)重要的。

表面完整性對(duì)服役性能的影響

除形狀與外觀外，磨削表面完整性對(duì)材料疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能與抗腐蝕性能的影響已被廣泛地證明[14,17,86]，磨削控性問(wèn)題也越來(lái)越得到學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的重視。

近年來(lái)，不少學(xué)者基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究磨削高溫合金工件表面完整性對(duì)疲勞壽命的影響。Zhang 等[49]探究了表面粗糙度與硬化對(duì)IC10 高溫合金工件高周疲勞壽命的影響，結(jié)果如圖15所示[49]，表面較大的粗糙度導(dǎo)致應(yīng)力集中，對(duì)工件疲勞壽命有不利影響，而表面顯微硬化可以阻止裂紋萌生與擴(kuò)展，提高工件疲勞壽命，顯微硬化深度與速率越大，工件疲勞強(qiáng)度提升越明顯?；谘芯拷Y(jié)果，該團(tuán)隊(duì)提出了蠕變進(jìn)給的磨削工藝；Quan 等[87]指出，彈性工具拋光GH4169 高溫合金時(shí)劃傷、紊亂的劃痕等是高周疲勞壽命不穩(wěn)定的主要原因，而工具擠壓作用使工件產(chǎn)生了較大殘余壓應(yīng)力，可以提高疲勞壽命。

圖15 表面完整性對(duì)疲勞壽命的影響Fig.15 Effects of surface integrity on fatigue life

基于材料科學(xué)理論與有限元分析的理論模型更好地推動(dòng)了磨削控性研究。Wang 等[67]基于晶體塑性理論和疲勞損傷模型，利用有限元方法分析了DD6 單晶高溫合金表面形貌對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響規(guī)律，并建立了用于預(yù)測(cè)疲勞壽命的幾何等效簡(jiǎn)化模型，結(jié)果表明，表面粗糙度越大，應(yīng)力集中越大，裂紋源越多，每個(gè)疲勞循環(huán)累積的塑性應(yīng)變和疲勞損傷越大，疲勞壽命越低；之后該團(tuán)隊(duì)對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化，首先利用正弦曲線簡(jiǎn)化工件表面粗糙度的輪廓，然后通過(guò)對(duì)一系列等效模型的有限元模擬結(jié)果擬合，得到了應(yīng)力集中系數(shù)Kt與表面粗糙度參數(shù)SR 之間的半經(jīng)驗(yàn)公式，將SR 所表示的Kt引入基于晶體塑性理論的疲勞損傷模型中，建立了考慮SR 的鎳基單晶合金疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，如圖16所示[88]，預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性得到提升。

圖16 考慮表面粗糙度的疲勞壽命預(yù)測(cè)流程圖Fig.16 Flow chart of fatigue life prediction considering surface roughness

磨削表面完整性對(duì)高溫合金工件抗腐蝕性能的影響機(jī)理與規(guī)律近年來(lái)也逐漸受到學(xué)界關(guān)注。Montero等[89]研究了TMS–138 單晶高溫合金的兩類熱腐蝕行為與晶粒取向及表面處理的關(guān)系，結(jié)果表明Ⅰ型熱腐蝕比Ⅱ型熱腐蝕具有更強(qiáng)的取向性和表面預(yù)處理依賴性，但這兩種腐蝕都促進(jìn)了表面氧化和裂紋的形成；Wang 等[90]探究了機(jī)器人砂帶磨削后的Inconel 718 合金工件表面粗糙度與殘余應(yīng)力對(duì)工件抗腐蝕性能的影響，對(duì)磨削后的工件進(jìn)行了系統(tǒng)的電化學(xué)分析，并提出了一個(gè)有效的模型解釋工件的腐蝕機(jī)理：工件腐蝕過(guò)程主要包括氧化膜破壞，形成富Nb 區(qū)域，富 Nb 區(qū)域邊界溶解，腐蝕產(chǎn)物脫落以及腐蝕坑形成等階段，如圖17所示[90]；工件表面較小的粗糙度會(huì)抑制氧化膜缺陷形成，同時(shí)減小腐蝕面積，而殘余壓應(yīng)力會(huì)減緩腐蝕產(chǎn)物脫落。

圖17 Inconel 718合金機(jī)器人砂帶磨削表面電化學(xué)腐蝕過(guò)程Fig.17 Electrochemical corrosion process of Inconel 718 alloy robot belt grinding surface

現(xiàn)有試驗(yàn)研究與理論模型多直接以表面完整性指標(biāo)為輸入變量，材料性能參數(shù)為輸出變量。然而，表面完整性是磨削的結(jié)果參數(shù)，其必須通過(guò)磨削參數(shù)調(diào)控。因此，未來(lái)的研究應(yīng)向“磨削參數(shù)–表面完整性–材料性能”3 者系統(tǒng)的聯(lián)系靠攏。

結(jié)論與展望

高溫合金機(jī)器人柔性磨削表面完整性演變機(jī)理及其控制模型的研究是航空器相關(guān)部件制造控形、控性的核心工作，是實(shí)現(xiàn)“柔性磨削參數(shù)–工件表面完整性–工件性能調(diào)控”智能制造的基礎(chǔ)，當(dāng)前的研究已取得了一些針對(duì)性的結(jié)果：

（1）柔性磨削較好地解決了高溫合金難加工材料高效加工的問(wèn)題。

（2）表面粗糙度、顯微硬度與殘余應(yīng)力等表面完整性對(duì)疲勞壽命與抗腐蝕性能影響顯著，通過(guò)降低材料的表面粗糙度，增大顯微硬度與殘余壓應(yīng)力，可以強(qiáng)化工件的性能。

（3）知識(shí)驅(qū)動(dòng)模型+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型能很好地打破現(xiàn)有控制模型的局限性，是機(jī)器人柔性磨削控制算法的發(fā)展方向。

然而，當(dāng)前已有的研究忽略力–熱耦合場(chǎng)的影響，建模過(guò)程對(duì)工具的彈性變形處理較為簡(jiǎn)單，導(dǎo)致預(yù)測(cè)精度不高。基于當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，未來(lái)的研究需要重點(diǎn)關(guān)注以下4 個(gè)方面：

（1）從多尺度角度解析工具的彈性變形對(duì)磨削過(guò)程的影響，進(jìn)一步闡明高溫合金柔性磨削磨粒–工件的交互機(jī)理，融入材料的力、熱參數(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)化的力–熱耦合場(chǎng)模型。

（2）基于力–熱耦合場(chǎng)探究磨削工件表面完整性的演變規(guī)律，建立柔性磨削工件表面完整性控制的知識(shí)模型；設(shè)計(jì)試驗(yàn)探究高溫合金工件表面完整性與性能的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上完善相關(guān)的理論模型與控制模型。

（3）探究不同柔性工具磨削工件時(shí)工具彈性變形的規(guī)律，建立魯棒性更強(qiáng)的工具進(jìn)給補(bǔ)償算法；在此基礎(chǔ)上提出更為智能的機(jī)器人柔性磨削路徑自主規(guī)劃算法，提高磨削的質(zhì)量與效率。

（4）優(yōu)化表面完整性各指標(biāo)的監(jiān)控方法，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效的實(shí)時(shí)監(jiān)控與快速檢測(cè)。