近日，寧波諾丁漢大學聯合英國諾丁漢大學和日本京都大學在機械制造領域國際頂級期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture上發表題為《Controlling of Compliant Grinding for Low-rigidity Components》的最新研究成果，揭示了柔性磨削過程中零件剛度對材料去除的影響機制，提出了一種時變協同控制方法，實現了磨具工件雙柔性情況下的材料均一去除，在保證低剛度零件初始幾何型面的前提下，提高了加工精度。該文同學作者為寧波諾丁漢大學博士研究生楊悅（導師李灝楠教授、廖志榮博士），通訊作者為英國諾丁漢大學Dragos Axinte教授。
       以薄壁結構為代表的低剛度零件被廣泛應用于航空航天、生物醫療、電子科技以及車輛工程等領域，而磨削作為型面保證的最后加工道次扮演重要角色。目前，使用剛性磨具加工低剛度薄壁結構以及使用柔性磨具加工高剛性零件等單柔性體加工過程已獲廣泛研究。但是，對于低剛度零件柔性工具磨削的雙柔性體磨削過程鮮有研究。
       針對此問題，研究團隊以圓形平薄板（工件）和近半球柔性磨頭（磨具）為例（圖1），針對工件對稱/非對稱加載情況（圖2），建立了工件-磨具雙柔性體接觸變形模型，獲得了輸入磨具下壓量-實際磨具變形-工件變形三者間關系。結果顯示，低剛度工件與柔性磨具變形量具有時變與位變特性（圖3），因此會導致傳統恒定壓量磨削中材料去除一致性差。

圖1 柔性磨削剛性塊（a）和低剛度薄板（b）時工件磨具接觸差異

圖2 對稱集中載荷（a）與非對稱集中載荷（b）下全約束圓形薄板微段（c）受力分析

圖3 磨削位置對薄板及磨頭變形影響：一定磨頭下壓量，薄板各處變形不同（a）；相同下壓量，不同磨削位置造成磨頭變形不同（b）；為保證相同磨頭變形量，在不同磨削位置處所需下壓量不同

       基于此，本文提出了一種時變協同下壓量控制策略，以獲得恒定的材料去除率，原理圖如圖4所示。

圖4 控制策略原理圖       

       為驗證這種策略的有效性，研究團隊分別進行了不同位置定點與連續磨削實驗。實驗結果表明：在定點磨削時（圖5），隨磨削位置從工件中心向邊緣移動/下壓量增大，材料去除率逐漸增大，法向磨削力增大，實際工件-磨具接觸區增大。在連續磨削時（圖6），采用傳統恒定下壓量將獲得中間高邊緣低的磨削表面。但是，采用本方法計算得到的時變下壓量，可獲得平整且接近理想去除深度的磨后表面。

圖5 不同位置及下壓量定點磨削的材料去除率（a），法向磨削力（b）及磨削區（c和d）

圖6 恒定（a）與時變（b）磨具下壓量的材料去除的三維表面（c）及截面（d）對比

       雖上述研究以磨削過程為例，但所提出的時變協同控制策略可以作為一種通用控制方法應用到其他包含雙柔性體的加工過程中，在提高低剛度零件加工精度方面具有一定的參考價值和工程應用前景。