[發明專利]一種加工航空領域金屬構件基于CMP的機器人磨拋系統

有效

• 申請號: 201610098377.4
• 申請日: 2016-02-23
• 公開（公告）號: CN105666287B
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 劉勝;王春喜;桂成群;鄭懷
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: B24B19/14
• 分類號: B24B19/14;B24B57/02;B24B29/02
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本發明涉及一種工件磨拋系統，具體涉及一種基于CMP（化學機械拋光）的機器人磨拋系統，用于復雜曲面零件如航空發動機葉片、汽輪機葉片的超精密拋磨。能保證磨削后有很好的表面質量，表面殘余應力低。

背景技術

工件的磨削加工是一道關鍵的工序，它能消除工件車、銑加工留下的刀痕，消除工件的表面缺陷，獲得表面質量更高、殘余應力小的工件表面，而這些對提高工件壽命，特別對航空發動機葉片等容易疲勞失效的零件有極大的提高作用。

航空發動機葉片、汽輪機葉片等的表面是自由曲面，加工難度大，目前國內的磨削技術主要是人工磨削、基于砂輪、砂帶的機器人磨削系統和數控機床磨削。人工磨削的劣勢明顯，加工出的零件表面質量差、加工效率低，對加工出的產品一致性很難保證，工作環境差，對工人健康有影響。數控機床磨削價格較貴。傳統的基于砂輪的機器人磨削系統的磨削精度較低，加工出的零件表面質量差，對工作在高溫、高速下的航空發動機的葉片，容易疲勞失效。相比于數控系統，六軸機器人有著更高的靈活性（能適用不同規格零件的加工），更高的通用性和適應性（通過更新軟件模塊，能夠使機器人在復雜的工作環境高效的完成磨削任務），因此發展基于機器人平臺的超精密磨削系統有非常大的意義。

公開號為CN103722474A的中國發明（基于復雜曲面加工的機器人打磨系統）專利提出了一種用機器人進行復雜曲面的機器人打磨系統概念，通過力反饋控制實現高精度磨削加工。對于提高系統的磨削精度，公開號為CN10246255A的中國發明專利（一種磨削過程位置和姿態誤差自動調整的方法及系統），通過自動檢測裝置在線實時檢測工件位置和姿態信息，反饋給控制系統，通過執行機構進行位姿校正。公開號為CN103056759A的中國發明專利（一種基于傳感器反饋的機器人磨削系統），通過雙目攝像頭檢測工件輪廓，進行三維重構，并把輪廓數據傳給控制系統進行誤差校正，同時還有砂輪檢測單元檢測砂輪磨損，進行誤差補償。

為使CMP（化學機械拋光）的工藝更好的適合葉片的磨削，需要控制工藝參數。論文（Jianfeng Luo, David A. Dornfeld, Material Removal Mechanism in ChemicalMechanical Polishing: Theory and Modeling）指出，在半導體工業的CMP（化學機械拋光），影響晶圓拋磨速率、表面均勻性和表面質量的因素主要有磨削接觸區的壓力、拋光速度、拋光液的流速、拋光墊的高分子結構和拋光液中納米級磨粒的尺寸、拋光液的化學成分等有關。同樣，在精密磨削葉片時也需要通過實驗擇優選擇CMP拋光葉片的工藝參數。

這些研究把關注點放在磨削操作的精細控制、實時動態測量進行誤差補償，并沒有改變傳統砂輪磨削在超精密加工的局限性，既無法獲得表面微觀結構好、殘余應力低的表面。

發明內容

為解決超精密磨削零件表面質量問題，本發明創造性的將半導體工業的CMP磨削工藝引入到金屬的磨削加工領域，并與六軸機器人平臺結合實現自由曲面的磨削加工，以完成航空發動機葉片的加工。

CMP技術綜合了化學磨拋和機械磨拋的優點，能在損傷低，完整性好，不出現表面/亞表面損傷的基礎上，獲得較高的表面去除效率，修正表面的型面精度，加工出較完美的表面。本發明將CMP技術引入到航空葉片的磨拋，并且以CMP技術的工作原理設計了相應的機構。

為了解決上述技術問題，本發明基于CMP原理設計了兩種機構實現方案，分別適應于小尺寸葉片和大尺寸葉片的拋光，具體方案是：

方案一

一種加工航空領域金屬構件基于CMP的機器人磨拋系統，包括六軸機器人、放置工件的工件夾、對需要拋光工件進行檢測并三維重構的輪廓檢測單元、帶拋光墊的磨輪、安裝磨輪的基座、以及主控制器，所述六軸機器人自由端部設有帶伺服電機的電主軸，其特征在于：所述工件夾上方設有能向工件噴CMP拋光液的拋光液噴射裝置，所述工件夾安裝在所述電主軸上，所述主控制器控制輪廓檢測單元、六軸機器人、電主軸、以及所有伺服電機，所述拋光墊和工件接觸區構成局部拋光區，在拋光液噴射裝置噴出拋光液的作用下完成CMP拋光，被拋光工件在六軸機器人帶動下移動，完成整個工件的拋光，所述拋光墊由微孔材料制成，其能夠存儲部分拋光液，以便化學反應能充分進行，在拋光自由曲面工件時，所述拋光墊曲率大于自由曲面工件最大曲率，所述拋光液噴射裝置的噴頭設有增加兩個旋轉方向自由度的控制器，在控制器的控制下使拋光液的噴射方向為拋光接觸區部分工件的切向方向，并控制拋光液的流速。