宁波诺丁汉大学在低刚度零件超精密磨削领域实现技术突破

       近日，宁波诺丁汉大学联合英国诺丁汉大学和日本京都大学在机械制造领域国际顶级期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture上发表题为《Controlling of Compliant Grinding for Low-rigidity Components》的最新研究成果，揭示了柔性磨削过程中零件刚度对材料去除的影响机制，提出了一种时变协同控制方法，实现了磨具工件双柔性情况下的材料均一去除，在保证低刚度零件初始几何型面的前提下，提高了加工精度。该文同学作者为宁波诺丁汉大学博士研究生杨悦（导师李灏楠教授、廖志荣博士），通讯作者为英国诺丁汉大学Dragos Axinte教授。
       以薄壁结构为代表的低刚度零件被广泛应用于航空航天、生物医疗、电子科技以及车辆工程等领域，而磨削作为型面保证的最后加工道次扮演重要角色。目前，使用刚性磨具加工低刚度薄壁结构以及使用柔性磨具加工高刚性零件等单柔性体加工过程已获广泛研究。但是，对于低刚度零件柔性工具磨削的双柔性体磨削过程鲜有研究。
       针对此问题，研究团队以圆形平薄板（工件）和近半球柔性磨头（磨具）为例（图1），针对工件对称/非对称加载情况（图2），建立了工件-磨具双柔性体接触变形模型，获得了输入磨具下压量-实际磨具变形-工件变形三者间关系。结果显示，低刚度工件与柔性磨具变形量具有时变与位变特性（图3），因此会导致传统恒定压量磨削中材料去除一致性差。

图1 柔性磨削刚性块（a）和低刚度薄板（b）时工件磨具接触差异

图2 对称集中载荷（a）与非对称集中载荷（b）下全约束圆形薄板微段（c）受力分析

图3 磨削位置对薄板及磨头变形影响：一定磨头下压量，薄板各处变形不同（a）；相同下压量，不同磨削位置造成磨头变形不同（b）；为保证相同磨头变形量，在不同磨削位置处所需下压量不同

       基于此，本文提出了一种时变协同下压量控制策略，以获得恒定的材料去除率，原理图如图4所示。

图4 控制策略原理图       

       为验证这种策略的有效性，研究团队分别进行了不同位置定点与连续磨削实验。实验结果表明：在定点磨削时（图5），随磨削位置从工件中心向边缘移动/下压量增大，材料去除率逐渐增大，法向磨削力增大，实际工件-磨具接触区增大。在连续磨削时（图6），采用传统恒定下压量将获得中间高边缘低的磨削表面。但是，采用本方法计算得到的时变下压量，可获得平整且接近理想去除深度的磨后表面。

图5 不同位置及下压量定点磨削的材料去除率（a），法向磨削力（b）及磨削区（c和d）

图6 恒定（a）与时变（b）磨具下压量的材料去除的三维表面（c）及截面（d）对比

       虽上述研究以磨削过程为例，但所提出的时变协同控制策略可以作为一种通用控制方法应用到其他包含双柔性体的加工过程中，在提高低刚度零件加工精度方面具有一定的参考价值和工程应用前景。