[发明专利]一种加工航空领域金属构件基于CMP的机器人磨抛系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种工件磨抛系统，具体涉及一种基于CMP（化学机械抛光）的机器人磨抛系统，用于复杂曲面零件如航空发动机叶片、汽轮机叶片的超精密抛磨。能保证磨削后有很好的表面质量，表面残余应力低。

背景技术

工件的磨削加工是一道关键的工序，它能消除工件车、铣加工留下的刀痕，消除工件的表面缺陷，获得表面质量更高、残余应力小的工件表面，而这些对提高工件寿命，特别对航空发动机叶片等容易疲劳失效的零件有极大的提高作用。

航空发动机叶片、汽轮机叶片等的表面是自由曲面，加工难度大，目前国内的磨削技术主要是人工磨削、基于砂轮、砂带的机器人磨削系统和数控机床磨削。人工磨削的劣势明显，加工出的零件表面质量差、加工效率低，对加工出的产品一致性很难保证，工作环境差，对工人健康有影响。数控机床磨削价格较贵。传统的基于砂轮的机器人磨削系统的磨削精度较低，加工出的零件表面质量差，对工作在高温、高速下的航空发动机的叶片，容易疲劳失效。相比于数控系统，六轴机器人有着更高的灵活性（能适用不同规格零件的加工），更高的通用性和适应性（通过更新软件模块，能够使机器人在复杂的工作环境高效的完成磨削任务），因此发展基于机器人平台的超精密磨削系统有非常大的意义。

公开号为CN103722474A的中国发明（基于复杂曲面加工的机器人打磨系统）专利提出了一种用机器人进行复杂曲面的机器人打磨系统概念，通过力反馈控制实现高精度磨削加工。对于提高系统的磨削精度，公开号为CN10246255A的中国发明专利（一种磨削过程位置和姿态误差自动调整的方法及系统），通过自动检测装置在线实时检测工件位置和姿态信息，反馈给控制系统，通过执行机构进行位姿校正。公开号为CN103056759A的中国发明专利（一种基于传感器反馈的机器人磨削系统），通过双目摄像头检测工件轮廓，进行三维重构，并把轮廓数据传给控制系统进行误差校正，同时还有砂轮检测单元检测砂轮磨损，进行误差补偿。

为使CMP（化学机械抛光）的工艺更好的适合叶片的磨削，需要控制工艺参数。论文（Jianfeng Luo, David A. Dornfeld, Material Removal Mechanism in ChemicalMechanical Polishing: Theory and Modeling）指出，在半导体工业的CMP（化学机械抛光），影响晶圆抛磨速率、表面均匀性和表面质量的因素主要有磨削接触区的压力、抛光速度、抛光液的流速、抛光垫的高分子结构和抛光液中纳米级磨粒的尺寸、抛光液的化学成分等有关。同样，在精密磨削叶片时也需要通过实验择优选择CMP抛光叶片的工艺参数。

这些研究把关注点放在磨削操作的精细控制、实时动态测量进行误差补偿，并没有改变传统砂轮磨削在超精密加工的局限性，既无法获得表面微观结构好、残余应力低的表面。

发明内容

为解决超精密磨削零件表面质量问题，本发明创造性的将半导体工业的CMP磨削工艺引入到金属的磨削加工领域，并与六轴机器人平台结合实现自由曲面的磨削加工，以完成航空发动机叶片的加工。

CMP技术综合了化学磨抛和机械磨抛的优点，能在损伤低，完整性好，不出现表面/亚表面损伤的基础上，获得较高的表面去除效率，修正表面的型面精度，加工出较完美的表面。本发明将CMP技术引入到航空叶片的磨抛，并且以CMP技术的工作原理设计了相应的机构。

为了解决上述技术问题，本发明基于CMP原理设计了两种机构实现方案，分别适应于小尺寸叶片和大尺寸叶片的抛光，具体方案是：

方案一

一种加工航空领域金属构件基于CMP的机器人磨抛系统，包括六轴机器人、放置工件的工件夹、对需要抛光工件进行检测并三维重构的轮廓检测单元、带抛光垫的磨轮、安装磨轮的基座、以及主控制器，所述六轴机器人自由端部设有带伺服电机的电主轴，其特征在于：所述工件夹上方设有能向工件喷CMP抛光液的抛光液喷射装置，所述工件夹安装在所述电主轴上，所述主控制器控制轮廓检测单元、六轴机器人、电主轴、以及所有伺服电机，所述抛光垫和工件接触区构成局部抛光区，在抛光液喷射装置喷出抛光液的作用下完成CMP抛光，被抛光工件在六轴机器人带动下移动，完成整个工件的抛光，所述抛光垫由微孔材料制成，其能够存储部分抛光液，以便化学反应能充分进行，在抛光自由曲面工件时，所述抛光垫曲率大于自由曲面工件最大曲率，所述抛光液喷射装置的喷头设有增加两个旋转方向自由度的控制器，在控制器的控制下使抛光液的喷射方向为抛光接触区部分工件的切向方向，并控制抛光液的流速。