一种模具自由曲面抛光装置及抛光方法

摘要

本发明公开了一种模具自由曲面抛光装置及抛光方法，包括连接在机壳中的转架，转架上设有外齿圈，外齿圈上设有轴承连接的主轴和啮合副轴齿轮连接的副轴；副轴由伺服电机驱动，主轴连接机械臂电主轴，并通过伞齿轮组与换向轴相连，换向轴通过变速齿轮副与短轴和抛光轮轴相连，抛光轮轴连接弹性磨具抛光轮，通过伞齿轮副、变速齿轮副将主轴旋转运动转化为抛光轮的自转运动；副轴由伺服电机驱动，通过副轴齿轮带动转架上的外齿圈，实现转架整体的旋转从而产生抛光轮绕主轴的公转运动。本发明在模具自由曲面抛光中，与加工表面形成较大面积仿形接触，适应性强，法向接触力稳定，可实现抛光接触区材料快速均匀去除，加工精度高、工艺实现简单、成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及模具表面光整加工技术领域，具体涉及新型模具自由曲面抛光 装置及抛光方法。

背景技术

模具是工业生产中的重要工艺装备,是工业产品批量生产的有效工具。在 模具的设计、制造、粗加工到精加工及最后的抛光过程中,由于模具的表面粗 糙度与模具的使用寿命、制品的外观关系密切,因此作为最后一道的抛光工序， 正变得越来越重要。特别是在现代模具制造中,由于模具的型腔设计日趋复杂, 自由曲面所占比例不断增加,对模具加工技术提出了更高要求。

由于数控、电火花加工以及CAD/CAM系统的应用,模具曲面的形状加工基本 上可以实现自动化，但目前的自动化抛光方式仅限于简单型面的加工，应用于 模具自由曲面都存在着一定的缺陷。当前模具自由曲面的抛光加工主要是由熟 练工人凭借其丰富经验完成的。这不但对工人的技术要求高,既费时又费力,而 且曲面抛光后的表面质量稳定性难以保证。特别在抛光最后阶段,若出现差错可 能导致模具的报废,造成很大的经济损失。目前抛光加工的时间约占整副模具制 造时间的30％,成为模具制造过程中的瓶颈。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明目的之一是提供一种模具自由曲面 抛光装置，可与加工表面形成较大面积仿形接触，适应性强，法向接触力稳定， 可实现抛光接触区材料快速均匀去除，可用于模具自由曲面的高效自动化抛光。

本发明的另一目的是提供一种模具自由曲面抛光方法，该方法属于确定性 抛光方法，是用弹性磨具抛光工具以一定的压力和速度作用于待加工件，使加 工后的工件面形精度达到要求的一种固着磨粒抛光方法。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种模具自由曲面抛光装置，包括机壳，和通过推力轴承连接在机壳中的 转架，转架上设有外齿圈，外齿圈上设有轴承连接的主轴和啮合副轴齿轮连接 的副轴；所述副轴由固定在机壳上的伺服电机驱动，所述主轴上方连接机械臂 或加工中心的电主轴，下方通过伞齿轮组相互啮合与换向轴相连，换向轴通过 变速齿轮副相互啮合与短轴和抛光轮轴相连，抛光轮轴连接弹性磨具抛光轮。

进一步，所述伞齿轮组包括与主轴相连的主轴伞齿轮和与换向轴相连的换 向轴伞齿轮，主轴伞齿轮和换向轴伞齿轮相互啮合后将电主轴的转矩经过主轴 传递给换向轴。

进一步，所述变速齿轮副包括与换向轴相连的换向轴齿轮和与短轴相连的 短轴齿轮，以及与抛光轮轴相连的抛光轮轴齿轮，变速齿轮副将转矩转递给抛 光轮轴，最终将主轴的旋转运动转化为弹性磨具抛光轮的自转运动。

进一步，通过推力轴承连接在机壳上的转架延伸至机壳下方，将与主轴下 方的伞齿轮组连接的换向轴、短轴和抛光轮轴固定；通过副轴齿轮带动转架上 的外齿圈实现转架的旋转运动，从而产生弹性磨具抛光轮绕主轴的公转运动。

进一步，所述转架为上大下小结构，连接短轴和抛光轮轴的转架在其下方 偏心设置，弹性磨具抛光轮位于偏心转架侧部，弹性磨具抛光轮为球形或圆轮 状，且其球心或其圆轮径向中心线与主轴在同一轴线上。

进一步，所述弹性磨具抛光轮为固着不同粒度磨粒的弹性磨具。

进一步，所述弹性磨具抛光轮的曲率半径小于所要抛光磨具自由曲面的最 小曲率半径。

相应地，本发明进而给出了一种模具自由曲面抛光方法，包括下述步骤：

1)首先,由高精度表面粗糙度测量仪器测量模具表面的粗糙度值,取得目前 粗糙度数据；

2)将粗糙度数据与预期的粗糙度值比较,得到本抛光周期所需要达到的材 料去除量；

3)选择抛光参数,根据预期的材料去除量，通过计算机模拟最终抛光结果, 如果抛光结果达不到要求,则重新选择抛光参数,再一次进行计算机模拟；

4)重复步骤3),直到模拟的抛光结果符合要求,将抛光模拟运动参数转化成 机械臂或者数控加工中心的控制文件,并传送到机械臂或者数控加工中心控制 系统；

5)机械臂或者数控加工中心控系统读入并执行控制文件,驱动机械臂或者 数控加工中心各个运动机构和模具自由曲面抛光装置按照一定的参数运行；

6)将模具自由曲面抛光装置固定于机械臂或数控加工中心末端，开启连接 固定在机壳上的伺服电机，带动副轴联动主轴转动；始终保持主轴的轴线方向 与抛光接触区中心的法向方向重合；

7)调节弹性磨具抛光轮中心与抛光接触区中心的距离，控制弹性磨具抛光 轮下压量，以保证抛光过程中材料的均匀去除；

8)采用复合回转抛光法抛光自由曲面，满足Preston方程：

Δh＝kPV

式中，Δh表示单位时间内的材料去除量；k为工艺系数，由被加工材料、 弹性磨具抛光轮种类、转速、抛光接触区温度和抛光压力以外的因素决定；V为 抛光接触区表面某一点的瞬时抛光速度；P为抛光压力；

9)弹性磨具抛光轮绕抛光轮轴自转的同时，也绕主轴公转，抛光轮轴与主 轴垂直，且弹性磨具抛光轮球心位于两轴交点上；其中自转运动提供表面材料 的快速去除，公转运动改变抛光轨迹方向，得到均匀的抛光轨迹；

10)该抛光周期完成以后,再次用检测仪器检测粗糙度数据,为下一个抛光 周期提供粗糙度数据；如此反复迭代,直到得到符合要求的模具表面粗糙度值。

进一步，弹性磨具抛光轮自转角速度ω2与公转角速度ω1之比不超过50。

本发明所提供的新型模具自由曲面抛光装置，通过机械臂或多自由度加工 中心的运动控制，可实现模具自由曲面的高效自动化抛光；球形或圆轮状抛光 轮工具的复合回转运动，可使得抛光轨迹均匀无序；具有弹性的固着磨粒抛光 轮，可与模具自由曲面形成较大面积仿形接触，适应性强，法向接触力稳定， 可实现抛光接触区材料快速均匀去除。该抛光装置具有加工精度高、工艺实现 简单、成本低等优点。

该模具自由曲面抛光方法核心问题就是材料去除量、去除函数、驻留时间 和路径规划及其之间的关系。只要对抛光过程正确描述,适当的控制这些参数就 可以控制材料的去除量。

本发明抛光方法的优点在于抛光过程由计算机控制系统自动控制，抛光质 量可控、稳定，加工精度高、工艺实现简单、成本低。

附图说明

图1为模具自由曲面抛光装置的安装位置示意图，以机械臂为例。a为该抛 光装置，b为机械臂示意图；

图2为模具自由曲面抛光装置的外形图；

图3为模具自由曲面抛光装置的内部结构图。

图4为弹性磨具抛光轮做复合回转运动的示意图，及抛光接触区中磨粒运 动轨迹示意图。其中ω1抛光轮的公转角速度，ω2为抛光轮的自转角速度。

图5为该模具自由曲面抛光方法的流程图。

附图标记说明：

1、副轴；11、副轴齿轮；2、主轴；21、主轴伞齿轮；22、换向轴伞齿轮； 23、换向轴；3、外齿圈；31、推力轴承；4、机壳；41、换向轴齿轮；42、短 轴齿轮；43、短轴；44、抛光轮轴齿轮；45、抛光轮轴；5、转架；6、弹性磨 具抛光轮。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明图1为模具自由曲面抛光装置位于机械臂上的安装位置示意图，以机 械臂为例。a为该抛光装置，b为机械臂示意图；图2，图3所示为模具自由曲面 抛光装置，如图包括主轴2、副轴1，伺服电机，转架5及外齿圈3，机壳4，主轴 伞齿轮21、换向轴伞齿轮22，换向轴齿轮41、短轴齿轮42、抛光轮轴齿轮44及 弹性磨具抛光轮6。

见图3所示，该装置包括机壳4，和设置在机壳4中的转架5，转架5通过推力 轴承31安装在机壳4上，转架5上设有轴承连接的主轴2，转架5上的外齿圈3啮合 于副轴齿轮11；主轴2上方连接机械臂或加工中心的电主轴，下方通过主轴伞齿 轮21啮合换向轴伞齿轮22与换向轴23相连，换向轴23通过换向轴齿轮41啮合短 轴齿轮42与短轴43相连，短轴齿轮42啮合抛光轮轴齿轮44与抛光轮轴45相连， 抛光轮轴45连接弹性磨具抛光轮6。

见图3所示，主轴2连接机械臂或加工中心的电主轴，电主轴的转矩经过主 轴2通过伞齿轮副(主轴伞齿轮21、换向轴伞齿轮22)传递给换向轴23，再通过 变速齿轮副(换向轴齿轮41、短轴齿轮42、抛光轮轴齿轮44)将转矩转递给抛 光轮轴45，最终将主轴2的旋转运动转化为弹性磨具抛光轮6的自转运动；通过 推力轴承31连接在机壳4上的转架5延伸至机壳4下方，将与主轴2下方的伞齿轮 组连接的换向轴23、短轴43和抛光轮轴45固定；副轴1由固定在机壳4上的伺服 电机驱动，通过副轴齿轮11啮合转架5上的外齿圈3，实现转架5整体的旋转从而 产生弹性磨具抛光轮6绕主轴的公转运动。

转架5为上大下小结构，连接短轴43和抛光轮轴45的转架5在其下方偏心设 置，弹性磨具抛光轮6位于偏心转架侧部，弹性磨具抛光轮6为球形或圆轮状， 且其球心或其圆轮径向中心线与主轴2在同一轴线上。弹性磨具抛光轮6可快速 更换。

见图1所示，装置a固定于机械臂b或加工中心末端，在模具抛光过程中，始 终保持主轴2的轴线方向与抛光接触区法向方向重合；弹性磨具抛光轮6的曲率 半径小于所要抛光磨具自由曲面的最小曲率半径，根据抛光表面曲率半径及材 料等参数，调节弹性磨具抛光轮6中心与抛光接触区中心的距离，控制弹性磨具 抛光轮6下压量，以保证抛光过程中材料的均匀去除。

见图1、3、4所示，装置a的弹性磨具抛光轮6采用复合回转抛光法，弹性磨 具抛光轮6的运动由两个旋转运动复合而成，这两个旋转运动的旋转轴在空间上 相互垂直，即弹性磨具抛光轮6绕抛光轮轴45旋转的同时，也绕主轴2旋转，抛 光轮轴45与主轴2垂直，且弹性磨具抛光轮球心位于两轴交点上。复合运动分别 为弹性磨具抛光轮6的自转运动和公转运动，其中自转运动提供表面材料的快速 去除，公转运动改变抛光轨迹方向，得到均匀的抛光轨迹，使得抛光接触区材 料均匀去除，如图4所示。

见图3、4所示，弹性磨具抛光轮6的自转角速度ω2和公转角速度ω1均 可以依靠主轴2和伺服电机的转速分别进行调整，根据不同工况采用不同的转 速比，但转速比始终为无理数，以使抛光轨迹高度无序化，提高抛光后表面质 量。转速比数值由具体实验测定，自转速度和公转速度均可以依靠主轴2和伺 服电机的转速分别进行调整，根据不同工况采用不同的转速比，但转速比始终 为无理数，以使抛光轨迹高度无序化，提高抛光后表面质量。原则上弹性磨具 抛光轮自转角速度ω2与公转角速度ω1之比不超过50。

见图3、4所示，用于模具自用曲面抛光的弹性磨具抛光轮6采用固着磨粒 的弹性磨具，它是由均匀磨粒和粘合剂固化形成的抛光材料，具有一定弹性， 使得弹性磨具抛光轮在与模具自由曲面接触时形成较大面积的仿形接触，提高 抛光效率和质量；弹性磨具抛光轮6可方便的更换，并有多种规格可供选择， 根据所要抛光的模具自由曲面的曲率采用不同直径的抛光轮，但始终保持抛光 轮的曲率半径小于所要抛光磨具自由曲面的最小曲率半径。根据不同的抛光阶 段采用不同粒度的抛光轮，但原则上随着抛光表面粗糙度的降低，随即选用更 小粒度的抛光轮。

见图5所示，本发明所提供一种模具自由曲面抛光方法，大致可分为以下 几个阶段：

1)首先,由高精度表面粗糙度测量仪器测量模具表面的粗糙度值,取得目前 粗糙度数据；

2)将粗糙度数据与预期的粗糙度值比较,得到本抛光周期所需要达到的材 料去除量；

3)选择抛光参数,根据预期的材料去除量，通过计算机模拟最终抛光结果, 如果抛光结果达不到要求,则重新选择抛光参数,再一次进行计算机模拟；

4)重复第3)步,直到模拟的抛光结果符合要求,将抛光模拟运动参数转化成 机械臂或者数控加工中心的控制文件,并传送到机械臂或者数控加工中心控制 系统；

5)机械臂或者数控加工中心控系统读入并执行控制文件,驱动机械臂或者 数控加工中心各个运动机构和模具自由曲面抛光装置按照一定的参数运行；

6)将模具自由曲面抛光装置固定于机械臂或数控加工中心末端，开启连接 固定在机壳上的伺服电机，带动副轴联动主轴转动；始终保持主轴的轴线方向 与抛光接触区中心的法向方向重合；

7)调节弹性磨具抛光轮中心与抛光接触区中心的距离，控制弹性磨具抛光 轮下压量，以保证抛光过程中材料的均匀去除；

8)采用复合回转抛光法抛光自由曲面，满足Preston方程，它建立了材料 去除量、抛光压力、抛光速度和条件因素之间的线性关系：

Δh＝kPV

式中，Δh表示单位时间内的材料去除量；k为工艺系数，由被加工材料、 弹性磨具抛光轮种类、转速、抛光接触区温度和抛光压力以外的因素决定；V为 抛光接触区表面某一点的瞬时抛光速度，与弹性磨具抛光轮的自转与公转速度 有关；P为抛光压力，与弹性磨具抛光轮的下压量有关，由具体实验测定；

9)弹性磨具抛光轮绕抛光轮轴自转的同时，也绕主轴公转，抛光轮轴与主 轴垂直，且弹性磨具抛光轮球心位于两轴交点上；其中自转运动提供表面材料 的快速去除，公转运动改变抛光轨迹方向，得到均匀的抛光轨迹；

10)该抛光周期完成以后,再次用检测仪器检测粗糙度数据,为下一个抛光 周期提供粗糙度数据；如此反复迭代,直到得到符合要求的模具表面粗糙度值。

本发明模具自由曲面抛光装置a相比传统的模具自由曲面抛光方式有显著 优点。本发明所提供的模具自由曲面抛光装置a，通过机械臂b或多自由度加工 中心的运动控制，可实现模具自由曲面的自动化抛光；弹性磨具抛光轮6的复 合回转运动，可使得抛光轨迹均匀无序；具有弹性的固着磨粒抛光轮，可与模 具自由曲面形成较大面积仿形接触，适应性强，法向接触力稳定，可实现抛光 接触区材料快速均匀去除。该抛光装置具有加工精度高、工艺实现简单、成本 低等优点。

当然，以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所 述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围 内。