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第 4 卷
2016 年
3 月刊
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科学新讯


第 4 卷- 2016 年 3 月刊
塑料研磨



图1:柏林生产技术中心(PTZ)的机器人引导拖曳式研磨


图2:通过添加干冰冷却介质


图3:与初始表面粗糙度Ra的比率


图4:不同处理时间下的表面粗糙度Ra

简介

  整体研磨工艺广泛应用于去毛刺和抛光任务。翻滚、离心盘和振动研磨等传统整体研磨工艺可用于大批量工件的表面处理,因为很多工件均可同时研磨。这些工艺的主要弊端是工件随时可能发生碰撞,这种方法特别不适合处理复杂或功能型的重要工件,如医疗和航空器部件。为解决这一难题,柏林生产技术中心(PTZ)[UHL11,UHL14]研发了一种称为机器人引导的拖曳式研磨,并持有该项技术专利,图1。在此工艺中,Comau NJ 370 6轴工业机器人拖动工件穿过可在振动研磨装置上摇动的研磨介质。此设置使得工件路径在运动学上更加灵活,从而扩大整体研磨的应用范围。

  在最近几年,越来越多的公司都面临着将塑料和纤维片材表面精细研磨的挑战。与传统的金属加工相比,研磨这些材料大多不需要为了避免材料受水损坏而进行干燥润滑程序。作为德国整体研磨研究创新的主力,柏林生产技术中心(PTZ)和亚琛机床及生产工程实验室的科学家们一起合作,接受这一挑战,并给出了科学创新的首个结果。

工艺状态

  传统的整体研磨用于给金属、塑料和陶瓷工件去毛刺、清洁和倒角。一般来说,工件表面的改善是整体研磨[KLO05]的主要任务。研磨介质相对于工件的速度对整体研磨后工件表面质量具有重要的影响。在机器人引导的拖曳式研磨设置中,高速度和运动灵活性有助于降低加工时间。

  在整体研磨中,通常使用由水和混合物混合而成的润滑剂清洁工件和介质,以清除灰垢,防止金属工件腐蚀。此外,有证据表明,粗糙度的变化主要取决于润滑[WAN00,BAG03]。据YABUKI ET AL。[YAB02]观察,这可能是由于介质并不是在干燥的条件下划过工件表面而造成的。此研究还在柏林生产技术中心(PTZ),使用最近由亚琛工业大学机床和生产工程实验室(WZL)开发的摄像系统,通过跟踪介质运动在机器人引导的拖曳式研磨上得到了验证。与潮湿条件下的工艺相比,缺少润滑会导致摩擦力变大,且工件表面[YAB02]的方向大多在法线方向。

塑料在机器人引导拖曳式研磨

  塑料和纤维增强塑料等材料不得在潮湿条件下研磨,因为材料吸收水可能会影响机械性能[LEC10],这些材料越来越广泛地应用于工业中,因此,干燥条件下,塑料和纤维增强塑料在机器人引导拖曳式研磨的工艺设计在科学和工业领域都具有重要的意义。

  在此研究调查中,主要考虑两种塑料,分别为超高分子量聚乙烯(PE-UHMW)和广泛使用的热塑性塑料聚己内酰胺(PA 6),在后续研究中,将调查由碳和玻璃纤维增强塑料制成的工件。此处使用的工件是共研磨60分钟的直径为100mm,厚10mm的圆柱形板材,根据定义的参数,先研磨工件的侧面,以使其初始表面较为粗糙。在每个工艺步骤后,在侧面均匀分布的六个位置测量表面粗糙度。研磨介质使用RSF 03/05 ZS(圆柱形斜角切口、陶瓷粘合剂)和RKV 12K(圆锥形,塑料粘合剂),此外,在潮湿和干燥条件下均进行实验,分别采用10 m/min和30 m/min的速度。

  使用研磨介质RSF 03/05 ZS在30 m/min的工件速度下测得干燥条件下,机器人引导的拖曳式研磨的最佳表面粗糙度,60分钟后,PE-UHMW上测得的表面粗糙度Ra较初始值降低23%。使用10m/min的工件速度和研磨介质RSF 03/05 ZS的PE-UHMW,在干燥条件下得到最佳表面粗糙度Ra较初始值降低29%。因此,在金属研磨中,工件速度对粗糙度的影响在塑料研磨中同样适用。一般情况下,干燥条件下可达到的粗糙度没有潮湿条件下的粗糙度好,这对于PA 6材料尤其明显,工件速度为10 m/min时,潮湿条件下的表面粗糙度Ra较初始粗糙度降低29%,干燥条件下较初始粗糙度降低41%。此发现与预计的增加材料去除率冲突,这是由于工件和介质之间接触的摩擦力更大,如YABUKI ET AL.[YAB02]中所述,一种可能的解释是,塑料材料在负载下会逆向凹陷,这种弹性变形不能表示表面粗糙度有所改善。

  与PE-UHMW工件可达到的粗糙度相比,PA 6在潮湿和干燥条件下的粗糙度都较差,球压硬度的不同可能就是造成此差异的原因,PA 6和PE-UHMW的球压硬度分别为170 N/mm2和35 N/mm2,据推测,硬度越低,经过整体研磨后的粗糙度就越好。

低温机器人引导拖曳式研磨工艺的发展

  通过将工件或介质冷却到室温以下以改变工件材料的特征,这似乎是改善工艺的可行方法,因此设计了低温工艺。此工艺旨在在低温条件下通过改变材料的脆性提高材料的去除率,结果,预计塑料变形所需的冲压力将降低,从而进一步提高粗糙度。为考察是否可通过两种方式达到脆化,研究了直接冷却工件和冷却介质两种情况。通过将0.25mm的K形热电偶固定到工件上,以获得工件温度。

  若要冷却介质,可将干冰粒(直径3mm,长5mm)分散在介质表面(图2),这会使工件温度大约达到10°C,若要进一步降低工件温度,可在工艺开始或继续之前,直接使用液态氮冷却工件(又称为低温处理),通过直接使用低温冷却,工件温度可达到-140°C。下面将展示干燥条件下低温整体研磨的结果,并将其与潮湿条件下传统的整体研磨作比较。

结果比较

  在潮湿条件下,低温处理表面粗糙度Ra的变化与传统整体研磨相比,区别明显(图3)。整体研磨14分钟后,潮湿工艺中的表面粗糙度Ra是初始粗糙度的64%,相比之下,低温工艺中表面粗糙度降低的速度更快,在相同加工时间后,达到初始粗糙度值的52%。

  观察表面粗糙度Ra的绝对值,图4反映出了相同的结果。在每个工艺步骤中,低温工艺均能获得两种不同工艺的最佳结果,即使在较短的加工时间后,得到的表面粗糙度(3.7µm)也比在潮湿工艺中的更好(4.4µm)。最后,在26分钟的低温处理后,表面粗糙度Ra达到1.4µm,由于采用低温工艺,表面粗糙度小于初始值的三分之一。

结论与展望

  与润滑工艺相比,干燥条件下塑料加工的表面粗糙度会更差,为克服这一难题,研发了将液态氮用作冷却剂的低温工艺。根据现有的干燥或低温条件下的研磨策略,将可使用整体研磨的新应用,特别是研发低温工艺后,研磨弹性体指日可待。还应考察现有的知识是否可转移到金属和纤维增强塑料等其他材料的整体研磨中。为提高通过脆化改变粗糙度的明确效益,柏林生产技术中心(PTZ)近来评估了深度冷却概念,以在原位永久直接冷却工件。

参考文献

[BAG03]Baghbanan,M.R.; Yabuki,A.;Timsit,R.S.; Spelt, J.K.:Tribological behavior of aluminum alloys in a vibratory finishing process. Wear 255 (2003) 7 - 12, p. 1369 - 1379.
[KLO05]Klocke,F.;König, W.:Fertigungsverfahren 2. Schleifen,Honen,Läppen.4. Aufl. Berlin: Springer, 2005. P. 427.
[LEC10]Lechner,M.D.; Gehrke,K.;Nordmeier, E.H.: Makromolekulare Chemie. Ein Lehrbuch für Chemiker, Physiker, Materialwissenschaftler und Verfahrenstechniker. 4. Aufl. Basel:Birkhäuser,2010.P. 496.
[UHL11]Uhlmann, E.; Dethlefs, A.:Polieren komplexer Bauteile.In: WB Werkstatt + Betrieb.144.Jg.,2011,Nr.6, S.28-31.
[UHL14]Uhlmann, E.; Dethlefs, A.: Robot-Guided Finishing. Current Research Topics.In: MFN Metal Finishing News.15. Jg.,2014,Nr.1, pp.58-59.
[WAN00]Wang,S.;Timsit, R.S.; Spelt,J.K.:Experimental investigation of vibratory finishing of aluminum.In: Wear 49.Jg.,2000,Nr.243, pp.147-156.
[YAB02]Yabuki,A.;Baghbanan, M.R.;Spelt,J.K.:Contact forces and mechanisms in a vibratory finisher.In: Wear. 51.Jg.,2002,Nr.252, pp.635-643.



Prof.Dr.h.c.Dr.-Ing.Eckart Uhlmann、M. Sc. Alexander Eulitz、Dipl.-Ing.Simon Roßkamp
Institute for Machine Tools and Factory Management, Technische Universität Berlin

Dipl.-Ing.Richard Brocker
Laboratory for Machine Tools and Production Engineering (WZL) Aachen

联系人:M. Sc. Alexander Eulitz, Research Engineer
Institute for Machine Tools and Factory Management, Technische Universität Berlin
电话:+49.30.314 24963
邮箱:eulitz@iwf.tu-berlin.de


 
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