薄壁类不锈钢回转体打磨工艺设计

XZSH^TechnotogyandMan^_______________________________________________ 2049年第7期
薄壁类不锈钢回转体打磨工艺设计*
*国家科技重大专项"高档数控机床与基础制造装备"(2017ZX04005001)；航天先进技术联合研究中心技术创新项目(USCAST2015-20)
许腾云张秋华王力苏达
(上海航天设备制造总厂有限公司，上海200245)
摘 要：针对薄壁类不锈钢回转体工件,研究对其表面进行打磨抛光的工艺方法。

根据该类工件的结构与
尺寸分析了加工工艺流程，并设计了工件通用夹具，以及应用了不同类型的打磨头组合。

同时通过 规划路径调整机器人位姿,并利用浮动装置进行自适应补偿。

最后通过工艺实验验证了该打磨工
艺方法的有效性,实现表面抛光纹理的一致性和亚光效果。

关键词:薄壁件;不锈钢;打磨工艺
中图分类号:TP249 文献标识码：A
DOI ： 10.19287/j. cnki ・ 1005-2402.2019.07・ 014
Grin d ing process design of thin-walled stain less steel rotary body
XU Tengyun, ZHANG Qiuhua, WANG Li, SU Da
(Shanghai Aerospace Equipment Manufacturer Limited Company , Shanghai 200245, CHN )
Abstract : In this paper , we studied a method of polishing the surface of the thin-walled stainless steel revolving
parts. According to the structure and size of this king of parts , the grinding process is analyzed , and the
general fixture of the workpiece is designed , and the combination of different types of grinding tools is used. Adjust the position and posture of the robot through the path of planning and compensate the posi ­
tion by floating device ・ The effectiveness of the grinding method is verified by the process experiment ・ The consistency of the surface polishing texture and matt effect are realized.
Keywords : thin-walled parts ； stainless steel ； grinding process
“木石而至青铜黑铁时代，非磨无以成器”，磨削 技术受到各行各业的日益重视，得到迅速发展。

磨削
是一种研磨加抛光的复合加工,不但能使产品表面达
到所需要的粗糙度,而且配合不同的打磨材料和工艺 能实现拉丝、亚光、镜面等工艺效果以满足人们的生活
需要，提高生活品质。

磨削具有很高的加工效率并且 节能环保,已知目前的砂带磨削对钢材的切除率已达 到700 mm 3/(mm • s ),功率利用率达到了 96%,超越了
车削或铳削⑴。

因此高效、高精度的磨削技术以及智 能化的磨削装备已经应用于各行各业。

本文介绍了一种薄壁类不锈钢回转体的抛光工艺
方法,该薄壁类工件需要打磨的部位包括圆周面、窄端 面以及表面商标。

该类工件表面形状与尺寸各异而且
壁薄，装夹此类工件比较困难，又由于是不锈钢件，磨 削性能差⑵，打磨过程中工件表面很容易烧伤，产生 发黄以及发黑等质量问题，加上需要打磨的部位繁多
工艺复杂,因此此类工件一般依靠有经验的工人多人 多道工序手工完成，很难实现自动化加工。

人工加工 效率低,成本高,而且打磨粉尘对人体有害，因此研发 此类工件的自动化打磨方法及其控制系统，突破并掌
握打磨核心技术,对加速打磨行业的发展具有重要战
略意义。

1工件结构及加工问题
1.1工件结构概要
本文分析的是薄壁类不锈钢回转体的抛光工艺,
直径在60~120mm 。

该类工件一般分为内外两层，内 外层都是由不锈钢薄片冲压焊接而成。

根据设计需
要，工件的形状尺寸各异,表面商标所在的位置及其形 状也不同。

需要完成的打磨工艺包括外表面直焊缝、
外表面抛光、端口窄面焊缝与抛光。

1.2加工存在的问题
该类工件的加工首先是装夹困难。

工件的尺寸与
形状各异，设备的装夹工装需要有一定的自适应能力，
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.Technology end Manufacture
工Z SN>£
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工件是回转体,装夹工装需要有自动定心功能,由于是 薄壁件，在装夹过程中要保证不会使工件变形。

其次 是焊缝的打磨，对于薄壁件焊缝的打磨过程中很容易 烧伤母材或者磨出台阶甚至导致母材开裂。

端面焊
缝由于狭窄而且曲率大,普通的打磨头很难做到适应 窄面焊缝打磨，很容易在打磨过程中打出锋利的锐
角。

最后是抛光，薄壁件件抛光过程中容易产生颤 振⑶，并且工件需要抛光的部位比较多，因此很难做 到一次装夹完成所有的抛光工艺，因此在打磨过程中
需要换夹,而且抛光工艺步骤多,对工艺质量要求比 较高。

2打磨工艺设计
2.1夹具设计
为解决工件尺寸适应性问题,采用气爪夹持工件,
气爪的行程可以选择，本文选择的气爪行程为80 mm, 可以覆盖宜径在50-130 mm o 三爪气缸夹持工件具 有自定心作用，但是市场上的三爪气缸尺寸大而且行 程较小不能满足使用要求。

因此选择两爪气缸。

为实
现定心功能,设计工装将两爪变成四爪,不但提高了定 心能力而且不容易使工件变形。

在与工件接触的地方 采用两种垫片，一种为聚氨酯片,一种为硅胶。

聚氨酯
片表面摩擦系数小而且硬度高,可以提高夹具的自定 心能力,而硅胶摩擦系数大且硬度小，可以减缓在打磨 过程的震动，并且提供摩擦力使得工件在打磨过程中 位置不发生偏移。

在打磨过程中工件需要自转，因此
气缸与电动机之间需要采用气动滑阀过渡。

为了提高
加工效率,本设备一次装夹4个工件,设计的夹具结构 如图1所示。

2.2打磨材料选择
打磨材料的选择对工艺效果起到了决定性作用。

本文的工件需要完成的工艺类型较多,每种工艺都需 要合适的打磨工具与材料。

首先是表面直焊缝打磨, 前面说到这步工艺容易烧伤母材，因此在打磨过程中
需要一定程度的散热处理。

为此本文选择千丝轮来处
理，千丝轮是将砂片加工成窄带状的打磨轮,在打磨过 程中会产生大量的风带走热量，并具有很好的柔韧性,
适合曲面甚至槽口的打磨。

其次是外表面抛光，由于 外表面抛光时工件会产生自转，可以带走很多热量,为
了打磨效率选择切削效率更高千叶轮，目数从低到高
依次打磨,再用羊毛轮涂上研磨膏去除千叶轮打磨后 产生的痕迹,就能实现工件小粗糙度值。

最后是端面
窄焊缝的打磨抛光，由于端面狭窄曲率较大，很难依靠 机器人动作实现。

因此这步工艺采用砂带打磨，利用
砂带的柔性,使之贴合端口表面进行打磨O
2.3总体工艺设计
综上所述,为实现工件的所有工艺,设备必须具有 以下几个部分组成:机器人、末端夹持机构、上下料机
构、换向机构、杯体打磨机组，总体结构如图2所示。

打磨机组包括:表面直焊缝打磨工位、表面抛光打磨工
位以及端面焊缝打磨机工位，将这些打磨工位相对集
中放置可以减少打磨空运行时间，提高打磨效率。

机 器人负责搬运以及运行规划的打磨轨迹。

抛光对尺寸 的影响比较小，可以忽略不计,主要是满足粗糙度要
求。

机器人末端夹持机构采用力控浮动设计,可以一 定程度地补偿加工位姿误差以及缓解薄壁类工件在打 磨过程中产生的颤振。

因此一般的机器人的精度都可
以满足打磨要求。

而且机器人具有更高的自由度，配 合图2中其他各个机构就可以实现各种不同工件复杂 表面的全方位打磨抛光。

末端夹持机构窄焊缝打磨机构
表面打磨机组
机器人上料台换向台下料台
图2设备总体结构
工件从毛坯到成品的加工过程中需要依次经过上
料台、表面打磨机组各个工位、窄焊缝打磨工位、换向 台以及下料台，并且为提高加工效率，机器人以及相关
执行机构必须快速运行，整个打磨过程不超过3 min 。

因此整个打磨流程必须高效、安全、流畅。

具体工作流
程如图3所示。

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工Z SH^Tech nology and Manulacluie.
图3打磨设备工作流程图
上料时必须将焊缝对准标志口，并且选择相应的工件型号,机器人可以根据工件型号,运行相应的程序,因此同一批次的工件必须是同一型号的。

在打磨过程中首先处理表面宜焊缝和端面窄焊缝⑷，然后再进行表面抛光。

表面打磨机组更换不同的打磨轮可以实现不同的打磨工艺。

例如:采用千叶轮加尼龙轮的配合模式可以实现亚光工艺,采用千叶轮加麻轮以及布轮的配合模式可以实现镜面工艺⑸。

本套设备根据打磨轮的自由组合可以实现多种打磨抛光工艺,如
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果有必要可以增加表面打磨机组的工位个数以实现更加复杂的工艺，因此设备具有很高的开放性。

3实验验证
在本例中选择市面上常见的某杯体作为实验对象,材料为304不锈钢。

目前杯体打磨大多依靠手工,效率较低,成本较高,工艺一致性比较差，因此研究本套设备用于杯体的打磨具有较高市场价值。

实验中以实现杯体亚光效果为例研究其工艺参数，产品质量要求如表1所示。

表1产品质量要求
工艺工序品质要求
亚光
效果
1.1抛杯口焊道焊道必须抛平顺，不能有焊疤、抛破现象
1.2磨口杯口需抛平顺,不能有粗纹、刺手现象
1.3抛直焊道
焊道需抛平顺，不能余留有焊线，不能
有凹痕
1.4产品
表面抛砂
表面砂纹要直，表面不能有凹点、砂孔
等不良现象。

杯身表面、弧度、边角不
能抛缺、抛变形现象
1.5擦LOGO
LOGO不能抛变形、缺角现象,LOGO边
缘或边角不能出现黑纹与发黄现象
1.6抛尼龙轮
表面纹路要直，不能有乱纹、粗砂纹，不
能有凹点、砂孔，也不能有黑线条与发
黄现象
根据以上工艺要求,通过正交实验最终选用的磨料以及工艺参数如表2所示。

表2磨料以及打磨参数
工序磨料
参数(磨料与工件表面
接触线速度)/(m/s)
1.1抛杯口焊道陶瓷砂带120目20
1.2磨口陶瓷砂带240目15
1.3抛直焊道千丝轮120目20
1.4产品表面抛砂
千叶轮120目和15
千叶轮240目20
1.5擦LOGO尼龙轮240目9P20
1.6抛尼龙轮尼龙轮240目9P20
根据以上工艺，杯子的毛坯与打磨后效果对比如图4所示。

从图中可以看出，这种工艺方法可以实现杯体的亚光效果,而且这套设备的工作效率很高,据统计每小时可以完成80个杯子的打磨，大大提高了加工效率。

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•
2°19年第7期________________________________________________________________Technology and Manufacture工N与制萤基于扫掠驱动面的动叶轮叶片铳削工艺
武苴槌刘桃兰成均钱志强
(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳621900)
摘要：针对动叶轮叶片五轴侧铳过程中的根部过切问题，提出了基于设计扫掠驱动面的数控编程方法，并在此基础上形成了叶片铳削工艺方案，经过仿真计算和加工验证，该方法可行有效,对涡轮分子泵
关键零部件的研制起到了良好的促进作用。

关键词：叶轮;涡轮分子泵;侧铳加工;扫掠面
中图分类号:TH161文献标识码:A
DOI：10.19287/ki.1005-2402.2019.07.015
Milling process for the vains of impeller based on swept-surface method
WU Pengyue,LIU Tao,LAN Chengjun,QIAN Zhiqiang
(Institute of Mechanical Manufacturing Technology,China Academy of Engineering Physics,Mianyang621900,CHN)
Abstract:In order to avoid gauging problems found at the bottom-edge of vains during the milling process of im­peller,a designed swept-surface method which approach the plane has been proposed to generate5-
axis tool path.A simulation study using Mathematica and Vericut was performed and it was verified by
experimental study.A flank-milling scheme based on experiment results was proposed and it has certain
significance for the machining of key parts for turbo-molecular pump・
Keywords:impeller；turbo-molecular pump；flank milling；swept surface
涡轮分子泵是质谱分析、真空检漏、高能加速等高端仪器和设备的关键功能部件,用于获得洁净的高真空环境。

其原理是利用高速旋转的动叶片和静止叶片间的相向运动，将气体分子从高真空区驱赶至低真空
4结语
本文针对薄壁类工件
设计了一种打磨工艺方法,
并根据该工艺方法研制了
一套基于机器人的自动化
打磨设备，并以市场上常见
的保温杯为例，通过实验验
证了该打磨方法的可行性。

实验发现,该打磨工艺方法
可以有效地解决薄壁类工
件在打磨过程中容易出现
的过烧、抛破、夹持变形等
图4毛坯与成品对比图
问题。

并且根据该种打磨工艺方法研制的自动化设备具有很高的开放性，用户可以随意更换磨料以实现更区,从而达到抽真空的目的⑴。

动叶轮是分子泵的关键零件之一⑵採用整体式设计结构，零件主体和叶片在同一毛坯上整体加工，其叶片几何参数的加工精度是决定零件合格的重要因素。

多的打磨工艺需求。

参考文献
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第一作者：许腾云，男，1990年生，硕士，助理工程师,研究方向为机器人控制系统与集成研究。

(编辑谭弘颖)
(收稿日期：2018-05-28)
文章编号：190718
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