CN107000155B - 用于将工件成形的方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于使工件成形的方法、设备和成形刀具。该刀具包括柔性支撑表面，在该柔性支撑表面上安装有承载研磨材料的多个刚性丸粒(84)。该刀具被与工件表面(S)接触地驱动，以进行塑性磨削操作，与传统磨削操作相比，该操作导致完工表面粗糙度减小，同时与可比的超精度磨削技术相比实现了显著更高的材料去除速率。还描述了一种通过将刀具抵靠调节表面进行调节的制备刀具以进行操作的过程。该方法和设备的示例性应用是制备用于模制用于在显示屏中使用的弯曲玻璃部件的模具，在该过程中使用该方法使碳化硅模具空腔成形，以生产具有光滑表面光洁度的模具空腔表面。

Description

用于将工件成形的方法
技术领域
本发明涉及工件的成形和表面修整，更具体而言涉及一种成形设备和过程，该成形设备和过程能够实现工件表面材料的高去除速率，从而将工件精确地成形为所需形式，同时使留下的成形工件具有高光滑度。
使用本发明的方法成形的工件可以用作用于生产需要高光滑表面光洁度的成型零件的成型模具，例如用于模制用于消费产品诸如移动电话的弯曲玻璃屏、诸如手表之类的可佩带技术以及平板电脑和计算机屏。该方法还可以用于成形和修整金属部件如喷流发动机涡轮叶片。
背景技术
迄今为止，使用浸渍或涂覆有研磨颗粒的刚性砂轮或柔性片材来磨削工件以实现工件的期望最终形状。砂轮可以旋转并与工件接触，从而使砂轮在工件表面上移动而将去除材料并实现所需形状。在精研过程中，将柔性研磨片材固定至刚性板并且在工件表面上移动。另选地，在带磨削过程中，将工件压靠于在两个带轮之间移动运行的柔性带上。研磨颗粒对于工件的压力将材料从工件去除以使工件达到所需形状。然而，尽管这些现有技术磨削过程在从工件快速去除材料方面十分有效，但是它们使留下的工件的被处理区域具有粗糙表面，如果需要光滑表面修整，则这需要后续的抛光。此外，在以上讨论的技术中，作为工件磨损率相比于磨削刀具的磨损率的测量结果的磨削率往往具有较低值，导致工件成形精度较差。
本发明的寻求提供一种成形技术，该成形技术结合了从工件相对高速地去除材料从而可以快速地修整工件的形式，同时又使留下的工件具有无需进一步处理的光滑表面修整。下面将该过程称为“成形自适应磨削(SAG)”。
本发明的成形技术结合了柔性刀具在宏观尺度上遵循自由形式表面形状的形状自适应性与在微观尺度上所具有的基本刚性磨削元件，这能够实现快速材料去除但是仍然留下高光洁度表面。
本发明的一个方面提供了一种用于使工件成形的机器，该机器包括：刀具，该刀具具有柔性支撑表面，该柔性支撑表面具有安装至所述柔性支撑表面并承载研磨材料的多个刚性丸粒，每个丸粒具有背离所述柔性支撑表面的表面，所述刚性丸粒的所述表面形成所述刀具的加工表面；以及支架，所述柔性支撑表面安装在该支架上；致动器装置，该致动器装置用于使所述刀具相对于所述工件的所述表面移动；以及控制装置，该控制装置用于自动地控制所述致动器装置以在所述刀具的加工表面与所述工件的表面之间形成接触区域，并且使所述接触区域跨越所述工件的表面移动。
本发明的第二方面提供了一种用于成形机器的刀具，该刀具包括柔性加工表面，该柔性加工表面具有附装至该柔性加工表面的多个基本刚性丸粒，并具有嵌入在所述丸粒中的研磨材料。
本发明的第三方面提供了一种使用所述刀具执行塑性模式磨削操作而使工件成形的方法以及通过该方法生产的工件。
本发明的第四方面提供了一种成形并修整模具空腔部件的方法以及通过该方法生产的模具空腔部件。
本发明的第五方面提供了一种使用通过本发明的刀具、机器和方法制备的模具生产弯曲玻璃部件的方法。
本发明的第六方面提供了一种使用通过本发明的刀具、机器和方法制备的模具生产透镜或弯曲显示屏的方法。
下面将参照附图描述本发明的实施方式，其中：
图1至图4分别为具有根据本发明的成形刀具的成形机器的左侧视图、前视图、右侧视图和俯视图；
图5是图1至图4所示的成形刀具的示意性径向剖视图；
图5a和图5b为示出了根据本发明的不同成形刀具的照片；
图5c是图5a中所示的较大刀具的加工表面的放大图，示出了各个丸粒；
图5d是丸粒的更放大的图，示出了结节状表面结构；
图5e是丸粒表面的又一个更放大的图，示出了嵌入的金刚石磨料；
图6是示出了在操作中与弯曲工件表面接触的成形刀具的示意性侧视图；
图7是示出了对于各种磨削过程来说材料去除速率和表面光洁度之间的关系的图；
图8是示出了使用本发明的成形过程生产模具零件和弯曲屏产品中的阶段的一系列图。
SAG机器结构
抛光机器包括抵抗振动的坚固台1。在台1上，安装有用于在x方向上移动的X滑动机构2。在X滑动机构2上，安装有用于在y方向上移动的Y滑动机构3。在Y滑动机构3上，安装有用于围绕标记为c的轴线旋转的转台4。转台4借助于z移动机构(未示出)安装在Y滑动机构3上，以使转台4在z方向上移动。转台4具有保持表面，工件4可以安装在该保持表面上以进行成形和/或精整。该布置给工件5提供了在四个轴上的运动，即在x、y和z方向上的线性移动和围绕c轴线的旋转。将认识到，在所示的布置中，旋转轴线c平行于运动轴线z。
台1还安装有大体为L形的刀具支撑臂6，该刀具支撑臂6具有大体水平基部6a和大体竖直的直立部6b。该刀具支撑臂在基部6a远离直立部6b的一端处安装至台1，以围绕竖直轴线A旋转。在直立部6b的上端处，刀具支座7安装至该直立部，从而可相对于该直立部围绕水平轴线B旋转。在刀具支座7中，旋转刀具8被安装成相对于该刀具支座围绕轴线H旋转，该轴线H相对于轴线B(刀具支座7相对于直立部6b围绕该轴线B旋转)成角度地设置。
旋转刀具8具有部分球形加工表面，该部分球形加工表面被布置成使得旋转轴线A、B和H在该部分球形表面的中心处重合。该布置使得刀具臂6围绕轴线A的旋转使部分球形表面旋转而不会使刀具平移，并且刀具支座7围绕轴线H的旋转同样不会使刀具平移，而是仅仅改变刀具旋转轴线B和刀具支座轴线H之间的进动角的平面。
工件在x、y和z方向上的运动以及围绕c轴线的旋转的控制、以及刀具臂6、刀具支座7和刀具8的旋转的控制受到由图4中示意性示出的处理器设备9控制的致动器和驱动器的影响。该处理器设备9可以包括输入装置10诸如键盘、用于外部输入信号或磁盘驱动器的端口，以接收用于控制工件和刀具的运动的过程参数和控制指令。可以设置显示装置11以向机器操作员显示信息。
通过控制工件和刀具的运动，可以将刀具8定位成与工件的任何部分接触，并且通过控制刀具支座7围绕轴线H的旋转，可以选择在刀具和工件之间的接触区域处刀具相对于工件的相对运动方向。通过改变进动角来控制各个丸粒在该接触区域内跨越工件表面的运动，进动角是在接触区域处的工件表面的法线与刀具旋转所围绕的轴线之间的角度。如果刀具旋转轴线保持正交于工件表面，则各个丸粒则描述了在接触区域内的圆形运动。随着进动角的增加，各个丸粒越来越多地描绘跨越刀具和工件表面之间的接触区域的线性路径。
刀具8的部分球形表面是柔性且弹性的，从而刀具和工件之间的接触区域可以通过使工件接近该部分球形刀具表面来增加，而通过使工件和刀具移动开来减小。对于平坦工件表面来说该刀具和工件之间的接触区域为大体圆形，但是如果工件的表面是弯曲的，则可能偏离于该圆形形状。
尽管以上描述的示例实施方式为具有七个控制轴线的机器，但是将认识到，可以使用更少的控制轴线来执行成形和精整过程，而不会脱离本发明。
刀具结构
图5和图6示出了成形刀具8的结构和操作。
现在参照图5，图5是成形刀具的径向剖视图，该刀具包括大体环状形式的本体81。附装至该本体的是杯状膜片82，该杯状膜片82由诸如橡胶之类的柔性弹性材料形成。在优选实施方式中，该杯状膜片82包括内部橡胶层和外部橡胶层，在该内部橡胶层和外部橡胶层之间夹有增强布层。该增强布可以包括
Figure BDA0001310302770000041
或其它增强材料。增强布层的目的是防止橡胶材料在压力作用下膨胀。对于大多数成形操作来说，本体81的总体直径可以从5到40mm。更大或更小直径的刀具当然也是可行的。
为了确保刀具的精确部分球形表面形式，当将杯状膜片82安装至刀具心轴时，优选使用砂轮等对杯状膜片82的外表面进行修整。然后将刀具的其余部分组装在杯状膜片82上。
附装至橡胶膜片82的外表面是织物层83。织物层83可以由纺织织物制成，并且可以具有与纺织织物混织或以其它方式结合到纺织织物内的金属丝线。该纺织织物可以完全由金属丝线构成。在一些实施方式中，织物层可以由非纺织织物制成。
附装至该织物层83的是刚性丸粒84的图案，研磨材料结合至该图案。研磨材料可以附装至丸粒的表面，或者丸粒材料可以形成其中嵌入有研磨材料的基体。可以对丸粒内的研磨颗粒的分布进行控制，从而使得丸粒在范围和深度都均匀。另选地，研磨材料可以集中于丸粒的特定区域诸如表面区域处，该表面区域将形成刀具的加工表面。可以进一步预见到，可以以使工件产生期望的表面光洁度的图案来放置研磨颗粒，从而产生特定方向和深度的研磨标记或者在表面上产生最小研磨标记。研磨颗粒可以例如平行于刀具行进方向成行地排列在工件上，即相对于刀具旋转轴线沿着球形刀具表面的“纬线”排列。研磨颗粒可以另选地以相对于加工表面的“纬线”倾斜地或垂直地设置的行进行排列。
可以通过将诸如镍之类的金属电镀到包括金属丝线的织物上而形成丸粒。
另选地，丸粒可以是施加至织物材料并固化而形成均附着至织物层的各个丸粒的图案的硬树脂材料如环氧树脂。优选地，该树脂在固化时具有80以上的邵氏A级硬度。另外，丸粒的另选材料为聚氨酯、光学pitch和特氟龙
Figure BDA0001310302770000051
丸粒84的大小和形状以及相邻丸粒之间的间距可以根据刀具8的总体直径而改变。在图5a所示的示例中，左侧的刀具具有近似5毫米的总体直径，而右侧的刀具具有近似10毫米的总体直径。丸粒通常为圆形形状，并且以大体紧密堆积的六边形阵列布置在刀具的加工表面上。在图5c所示的示例中，每个丸粒84的直径约为0.5mm，相邻丸粒的中心布置成分开约0.75mm，从而在相邻丸粒之间留下大约0.25mm的间隙。丸粒可以具有不同形状，诸如矩形、六边形、三角形，并且可以以不同图案布置在刀具的加工表面上。刀具表面上的丸粒可以具有若干不同形状，并且可以布置在环状区域中，其中每个区域包含一个或多个特定形状的丸粒。
图5c、5d和5e是图5a的更大刀具的加工表面的各种放大倍数(即5x、20x和100x)的放大图。在图5c中，由上面沉积有0.5mm直径的圆形丸粒的编织金属网M构成的结构是可见的。图5c和5d示出了每个丸粒的表面由内部嵌入有金刚石的大约0.08mm直径的圆形结节N构成。如能够从图5c看到的，结节N布置成在位置上与编织金属网M的经纱和纬纱对应的行和列。图5e示出了结节N以及嵌入在丸粒材料中的金刚石G。对于该具体刀具来说，当以5平方毫米的接触面积进行磨削时，通过横跨各种抽点进行积分，估计近似有14,850个金刚石块G在成形过程中将与工件接触。
丸粒可以以连续阵列布置在刀具的整个加工表面上，如在图5a所示的刀具中看到的那样。图5a中所示的更大刀具已经用于磨削操作，并且在刀具接触工件的环状区域中，丸粒由于它们与碳化硅工件接触已经变黑。
在图5b所示的刀具中，刀具上的丸粒84以不连续阵列布置。刀具的部分球形加工表面具有设有丸粒的外部环状区域88、设有丸粒的中央圆形区域89和位于中央圆形区域和外部环状区域之间的没有丸粒的中间环状区域90。没有丸粒的环状区域90允许通过简单地改变刀具旋转轴线和工件表面之间的进动角将刀具从磨削快速切换到非磨削，从而将刀具接触区域从外部环状区域88或内部圆形区域89移动到“无丸粒”区域90，而不用将刀具从工件抬离。在另选布置中，可以将丸粒从内部圆形区域89省去，从而刀具具有与区域88对应的、设置有丸粒的形状区域以及没有丸粒的中央圆形区域。
丸粒中使用的研磨颗粒的示例为金刚石、立方氮化硼(CBN)、氧化铝和二氧化硅。金刚石颗粒显示用于成形硬陶瓷材料如碳化硅或碳化钨(硬质合金)。为了成形诸如钢之类的金属，CBN颗粒可能是优选的，而为了成形软材料诸如玻璃，则可以使用氧化铝或二氧化硅颗粒。可以适当地使用其它研磨材料来成形特定工件材料。磨料的粒径可以从1到100μm。优选地，磨料的粒径从3到15μm。对于成形碳化硅来说，已经发现保持在镍或树脂丸粒基体中的粒径为9μm的金刚石磨料是特别有效的。
现在参照图5，该实施方式中的杯状膜片82的内部是中空空腔85，并且通过刀具的本体81中的中央开口86向中空空腔供应加压流体，如箭头F示意性所示。该流体可以是压缩空气或其它气体，或者它可以是液体诸如油、液压流体或水性液体。处理器9可以控制空腔内流体的压力以改变压力，丸粒84通过该压力在刀具8操作的同时被压靠在工件上。
刀具制备
当将织物和磨料承载丸粒施加至刀具的加工表面时，使用诸如砂轮之类的刀具将由丸粒的暴露表面限定的总体外表面修整至所需的部分球形形状，并且使其中心位于刀具的旋转轴线H上。这优选通过安装至成形机器(将在该成形机器上使用刀具)的该刀具来进行，以便确保部分球形表面的精确成形，并且使该表面相对于旋转轴线A、B和H精确定位。
为了使刀具准备好使用，必须调节丸粒的加工表面。调节循环涉及使刀具旋转并将刀具压靠在调节表面上，从而使得刀具的加工表面的每个部分都接触该调节表面达足以将丸粒的加工表面磨损直到丸粒的表面结构稳定并且从该调节表面去除材料的速率变成基本恒定的时间。该调节表面优选是一块碳化硅或钢，并且将该刀具压靠在该调节表面上并使该刀具旋转，从而刀具和调节表面之间的接触区域在工件的整个加工表面上移动。该调节操作可能花费15或30分钟或者可以更长。在调节循环过程中可以间隔地测量由该刀具去除材料的速率，并且当去除速率变稳定时可以终止该调节循环。
调节表面可以为基本平坦表面，或者它可以成形为与刀具的加工表面互补。当使用平坦调节表面时，刀具的环状区域将接触调节表面，并且通过全部围绕刀具轴线相对于调节表面的角度，能够对刀具的所有区域进行调节。如果使用与刀具的加工表面互补的调节表面，则可能可以同时调节刀具的整个加工表面。例如，在部分球形刀具的情况下，可以提供足够程度的互补部分球形凹调节表面，从而能够使刀具的整个加工表面同时与调节表面接触。
调节过程的目的是使金刚石成形为使得它们具有平坦暴露表面和略微倾斜的姿势，且具有位于前部的碎屑袋以及位于后部的粘合剂竖直部(up-stand)。关于此点，金刚石的“前部”是当刀具旋转并接触工件时在该金刚石跨越工件行进的方向上考虑时的金刚石的前边缘。在调节刀具中，丸粒的表面的“结节”形式减少并变光滑，并且暴露的研磨颗粒变平坦。
在调节操作过程中，部分球形刀具表面的环状区域与调节表面移动地接触。施加至刀具心轴以驱动刀具旋转的力矩的测量结果可以用作由刀具施加调节表面的切向力的表示，并且可以根据该力测量结果来确定材料去除速率。因而可以监测刀具的表面状况，并且可以通过连续力矩测量结果的稳定而检测调节操作的完成。处理器9可以在显示器上提供图形或其它表示，以示出作用在刀具的加工表面的每个区域上的测量心轴力矩，从而机器操作员可以监测调节操作的进展。处理器9可以针对刀具的每个环状区域根据该测量的心轴力矩或测量的切向力来控制刀具相对于调节表面的运动，以确保刀具加工表面的所有区域都被调节到基本相同表面粗糙度。
另选地，可以通过周期性地停止调节操作并且使用显微镜等检查刀具表面来监测调节操作的进展。在该视觉技术中，可以获得刀具的具体区域的一系列显微图，并且比较连续图像以检测丸粒表面结构的变化。当连续图像的比较表明已经达到稳定状况，则可以结束调节过程。刀具表面的显微图可以记录为数字图像，并且可以通过处理器来进行连续显微图的比较，当两个连续显微图之间的差异低于预定阈值时，该处理器可以发出表明调节过程完成的信号，并且刀具现在准备好使用。
如果调节操作在具有金刚石磨料并使用钢工件的刀具上执行，则可以缩短调节时间。认为这是由于钢和金刚石中的碳原子之间的化学反应所致。
图5f至5k为在刀具丸粒已经在磨削过程中使用多次之后获取的该刀具丸粒的表面的显微图。在图5f中，看到了30秒操作之后的丸粒的表面。图5g示出了16分钟之后的表面，而图5h至5k分别示出了三个小时、六个小时、九个小时和十一个小时操作之后的表面。
比较图5f和5g，看到了表面特别是在照片的右手侧处的表面的显著变化。该变化是由于调节操作引起的，并且是对丸粒的表面进行光滑化处理，使得金刚石颗粒采取的形状允许实现塑性磨削。通过比较图5h至5k，可以看到，在接下来的11个小时的过程中，丸粒的表面结构保持基本稳定，且金刚石研磨颗粒的磨损非常缓慢。图中的箭头表示三个具体金刚石颗粒，比较它们的外观，可以看到这些金刚石颗粒的暴露区域保持稳定，表明磨料的磨损非常缓慢。
一旦已经调节完刀具，则该刀具就准备好在成形操作中使用以将工件成形。
成形操作
为了在工件上执行成形操作，将工件安装在成形机器的Z滑动机构上。在所示的示例中，工件为通过铣削过程首先粗成形并且随后具有沉积在待处理表面上的碳化硅涂层的石墨块。工件的实际表面轮廓可以通过现场测量工件来确定，并且将该实际表面轮廓与期望表面轮廓相比较以产生工件表面图，该工件表面图表示在每个位置需要去除多少材料。
然后，在控制处理器9中计算并存储在工件上移动刀具的刀具路径，其中在该刀具路径上的每个点处具有所需的材料去除量。控制处理器9然后控制工件和刀具的运动，从而刀具在工件表面上移动并去除多余材料，留下具有期望光洁度的工件表面。
图6是在工具与自由形式工件表面接触地移动时该刀具的示意性侧视图。刀具81的本体朝向工件表面S移动，直到丸粒84接触工件表面并且弹性82变形，从而将丸粒84平坦地挤压在工件表面S上。刀具本体81然后围绕心轴轴线H旋转，从而使得刀具的环状区域中的丸粒84在工件表面的大体环状区域中接触工件表面S，并且跨越工件表面移动。如将从图6认识到的，将刀具本体81(在图中看到时)竖直地抬离将减小杯部82的变形，并且将减小工件表面S上的圆形接触区域的直径。
将刀具相对于工件保持在相同位置并且增加刀具内的流体压力导致丸粒84以增加的力压靠在工件表面S上，但是不增加刀具和工件之间的接触面积。
在成形操作过程中，刀具以10到1000mm/分钟，优选大约150mm/分钟的受控速度在工件表面上平移地移动。刀具以大约50到1500rpm围绕心轴轴线H旋转。
在刀具在工件上移动的过程中，刀具和工件之间的接触面积通过调节工件的表面和刀具的部分球形表面的中心之间的距离来改变。刀具压靠在工件上的力通过控制刀具的杯部内的流体压力来控制，并且控制刀具旋转速度和进动轴线方向，以确定在沿着刀具路径的任一点处从工件去除材料的速率。
进动轴线的方向控制确定了在刀具路径的每个点处刀具相对于工件的相对运动方向。丸粒在表面上的方向控制可以以抛光矫正物(artefact)不离开工件表面为目的来进行。另选地，丸粒在表面上的运动方向可以被控制成使得在表面上留下的任何抛光标记都在特定方向或多个方向上排列。刀具沿着刀具路径移动的速度也被控制，以确保实现所需的表面光洁度。
在示例性过程中，在两个步骤中磨削涂覆有CVD SiC的石墨的样品，第一步骤使用粘结在镍丸粒中的9μm金刚石，而其次在最后一遍磨削中使用粘结在树脂丸粒中的3μm金刚石。在最后一遍中，在刀具的杯部中使用0.5巴的低流体压力。随后测量工件的表面微观形貌，并且显示出在0.3和0.5nmRa之间的低水平的微观粗糙度。在工件表面上还清晰可见塑性磨削标记，表明已经实现了塑性磨削。本发明的重要特征在于，使用小金刚石晶粒尺寸特别是低于9μm的晶粒尺寸能够实现纯塑性模式磨削。
刀具的杯部中的更高流体压力以及刀具和工件之间的更小接触区域致使在小区域上以更大速率从工件去除材料，且降低完工表面的光滑度。使用刀具和工件之间的大接触面积和刀具内的更低流体压力来使工件成形将致使从工件去除材料的速率较低，但是可在更大面积上进行，并且将增加完工表面的光滑度。
为了通过形状自适应磨削过程实现最佳结果，调整机器参数从而实现工件材料的塑形模式去除。在以上示例中，在工件表面材料为SiC然后使用粒径为9μm或更小的金刚石磨料以及设置有由树脂或镍形成的丸粒的刀具的情况下，可以调整机器参数以提供刀具和工件之间的从10到100mm2的接触面积，正交于工件表面的大约0.5N/mm2的压力。旋转刀具，使得磨料在工件表面上以从20,000到80,000mm/分钟的速度移动，并且该旋转产生了每平方毫米接触面积约0.3N的相切于工件表面的力。可以使用水或任何其它合适的流体作为磨削过程期间的冷却剂，这是因为研磨颗粒粘结至丸粒。
观察到了切向力和法向力都随着刀具的杯部内的流体压力而线性增加，而心轴旋转速度对切向力的大小影响很小或没有影响。根据该结果，可以通过流体压力和心轴旋转速度调节的组合来彼此独立地控制磨削力和去除速率。流体压力的增加将增加磨削力，而增加心轴旋转速度将增加材料去除速率。
在切向力和与刀具接触的工件表面区域的表面粗糙度的Ra值之间存在相关性。认为这可能是由于刀具和工具表面之间的摩擦力随着粗糙度变高而增加的缘故。因而可以预见到，通过监测施加至刀具旋转所围绕的心轴的驱动力矩并将结果转发给处理器9，可以在成形操作过程中实现实时表面粗糙度评估。处理器9然后可以根据该力矩测量结果而在显示器显示输出，示出通过磨削过程当前获得的表面光洁度。
根据这些磨削力测量结果，可以计算SAG过程的比能量。
从如下公式推导出比能量Kz[J/mm3]：
Kz＝(Ft x Vx)/Q’
其中Ft为切向力[N]，Vs为切削速度(m/s)，Q’为体积去除速率[mm3/s]。
针对各种丸粒材料和金刚石砂砾尺寸比较SAG过程的平均比能量与其它传统切削过程的实验显示，SAG过程的平均比能量比传统精细磨削高一阶大小。该较高平均比能量表明，在材料去除过程中切削厚度减小，因而与所观察到的工件塑性模式材料去除相关。
刀具的另选形状
在以上描述的示例中，刀具具有部分球形表面。在其它实施方式中，刀具可以具有采取旋转球体形式的加工表面，其中带有丸粒的织物覆盖该球体的表面。在又一个另选方案中，带有丸粒的织物可以采取在球形带轮上运行的带的形式，其中该带轮用来推动该带与工件表面接触。在由一个另选方案中，带有丸粒的织物可以附装至圆盘，或者附装至该圆盘的圆周柱状边缘或者附装至该圆盘的端面。
在以上所有示例中，将带丸粒织物压靠在工件上的表面都将是可变形表面，从而带丸粒织物可以在该织物与工件之间的接触区域上与该工件的形状一致。
在以上描述的示例中，刀具可通过流体压力而膨胀以改变施加在丸粒和工件之间的力。作为流体压力的替换方案，刀具的中心可以由弹性材料如天然橡胶或人造橡胶或弹性塑料形成。该弹性材料可以是实心的，或者可以具有发泡结构。这种实心或发泡芯体优选具有30到60之间的邵氏A级硬度。尽管这将防止对刀具内的内部压力的主动控制，但是在将丸粒压靠在工件上的力与通过将其压靠在工件上而施加至刀具的变形量之间将存在相关性。
对于具有部分球形加工表面和弹性材料芯体的刀具来说，丸粒被推靠至工件上的力将因而是但丸粒和工件之间的接触面积的函数。在另一个替换实施方式中，刀具的中心可以由具有开孔泡沫结构的弹性材料形成，并且可以使用与该开孔结构连通的加压流体的可控供应来改变刀具的内部压力。如果不供应流体压力，则刀具将像仅仅具有实心弹性中心那样作用。
在用于刀具结构的另一个可选实施方式中，膜片82和柔性织物层83可以至少部分地限定刀具的内部空腔，而该空腔可以填充有其粘性响应于流体中施加的剪切力而改变的非牛顿流体。一般来说，当流体经受高剪切力时粘性将增加，诸如当流体本体快速变形时发生的。通过提供其柔性表面至少部分地限定填充有这种流体的空腔的刀具，该刀具的柔性表面将强烈抵抗刀具形状的突然变化，但是能够适应形状的缓慢变化。一种这样的非牛顿流体材料通俗来说被称为“弹性橡皮泥”，并且通常由大约65％的二甲基硅氧烷(具有硼酸的端羟基聚合物)、大约17％的二氧化硅(晶状石英)、大约9％的改性氢化蓖麻油(蓖麻油衍生物)、大约4％的聚二甲基硅氧烷、大约1％的十甲基环五硅氧烷、大约1％的丙三醇以及大约1％的二氧化钛构成。这种材料的另一个示例是用最少量的水组成的淀粉溶液。
通过在刀具寿命的各个阶段在显微镜下观察丸粒，可以确定研磨颗粒的数量和形状对于10小时以上的磨削都保持稳定。在金刚石研磨颗粒中发现了负的平均刀具前角，这说明了与该磨削过程有关的切削边缘的长寿命和精细塑性区域。
SAG过程中使用的磨削力的测量结果已经揭示出，可以通过空气压力和心轴旋转速度控制的组合彼此独立地控制磨削力和去除速率。还建立了切向力和表面粗糙度之间的相关性，其启示可通过监测加工心轴力矩来进行实时表面状况评估。通过该过程可以实现0.3和0.5nmRa之间的表面微观粗糙度。在使用SAG过程磨削工件的过程中，针对工件表面上的各种位置测量并监控施加至加工心轴以保持刀具的期望旋转速率的力矩。通过控制操作的处理器9将所测量的力矩与预设参考值进行比较，当该力矩达到或低于该参考值时，处理器可以给出已经达到所需表面粗糙度的指示。当对刀具在工件表面上的所有位置来说该力矩都达到预定值时，处理器可以给出已经达到所需表面粗糙度的指示。另选地，当在工件表面上的一个或多个预定位置处该力矩已经到达预定值时可以给出该指示。可以将该预设参考值输入到处理器，并且该预设参考值可以根据刀具的特性和工件表面的材料而改变。
图7是示出了对于各种磨削过程来说材料去除速率和表面光洁度之间的关系的图。尽管可以使用传统的超精度磨削来获得小于0.1nmRa的表面光洁度，但是从该图将看到，这能够以非常低的材料去除速率实现，从而这些磨削操作花费较长时间将材料从工件去除。使用砂轮的传统固定磨料磨削能够实现高达500mm3/分钟的非常高的去除速率，但是在这些去除速率时，可获得的表面粗糙度超过1000nmRa。使用SAG过程，能够通过1mm3/分钟和大约500mm3/分钟之间的相当大的去除速率实现粗糙度为1Ra或更小的表面光洁度。通过使用SAG技术，能够快速生成需要光滑表面光洁度的工件，由于该技术允许从工件表面快速去除材料，而对光洁度没有不利影响。
图8是示出了使用本发明的成形过程生产模具零件和弯曲屏产品时的各个阶段的一系列图。在步骤801中，即在该过程的第一阶段中，使用传统技术加工石墨块，使其大致达到用于弯曲玻璃显示屏的模具部件的形状。在步骤802中，在成形石墨块的表面上沉积碳化硅层，该碳化硅层将形成模具表面。在步骤803中，使用SAG过程将碳化硅涂层磨削并抛光至所需表面光洁度以形成一个模具零件，该模具零件将与第二模具零件相配合而形成模具空腔，玻璃可以在该模具空间中成型以生产具有光滑表面的玻璃部件。在步骤804中，将已经通过加热而软化的一片玻璃804a放置在两个模具部件之间，然后将这两个模具部件合在一起而使玻璃形成模具空腔的形状。在该示例中，模具零件被合在一起而将片材形成为弯曲玻璃部件。当玻璃充分冷却时，将完整玻璃部件从模具移除。然后，在最终制造过程中将弯曲玻璃部件结合到显示屏或其它产品诸如透镜、可佩带计算机显示器806、移动电话807等中。

Claims (25)

1.一种用于成形和修整工件表面(S)的机器，该机器包括：
刀具(8)，该刀具包括：柔性支撑表面(83)；安装至所述柔性支撑表面(83)并承载研磨材料(G)的多个刚性丸粒(84)，每个丸粒(84)具有背离所述柔性支撑表面的表面，所述刚性丸粒的所述表面形成所述刀具的部分球形的或柱状的加工表面；以及支架，所述柔性支撑表面安装在该支架上；
致动器装置(2,3,4,6a,6b,7)，该致动器装置用于相对于所述工件表面移动所述刀具；以及
控制装置(9)，该控制装置用于自动地控制所述致动器装置以在所述刀具的加工表面的一部分与所述工件的表面的一部分之间形成接触区域，并且使所述接触区域相对于所述工件的所述表面移动，以通过塑性磨削过程从所述工件表面上的相应位置选择性地去除确定量的材料来改变所述工件表面的形状。
2.根据权利要求1所述的机器，其中，所述刀具(8)包括部分球形的加工表面，并且其中所述部分球形的加工表面的中心位于所述刀具的旋转轴线(H)上。
3.根据权利要求1或2所述的机器，其中，所述致动器装置包括用于使所述刀具围绕轴线旋转从而使安装至所述刀具的所述柔性支撑表面的各个丸粒跨越所述接触区域而移动的装置。
4.根据权利要求1或2所述的机器，其中，所述刀具的所述柔性支撑表面(83)包括纺织织物。
5.根据权利要求4所述的机器，其中，所述纺织织物至少部分地由金属丝线形成，并且所述刚性丸粒通过电镀由金属材料形成。
6.根据权利要求2所述的机器，其中，所述刀具的所述柔性支撑表面限定中空的内部空腔(85)，并且所述机器进一步包括向所述内部空腔供应加压流体(F)的装置(86)和控制所述内部空腔内的流体压力的控制装置。
7.根据权利要求1或2所述的机器，其中，所述研磨材料(G)的颗粒被成形为具有平坦暴露表面和略微倾斜的姿势，具有位于前部的碎屑袋以及位于后部的粘合剂竖直部。
8.根据权利要求1或2所述的机器，其中，所述刀具的所述部分球形的加工表面具有设有丸粒的环状区域和没有丸粒的中央圆形区域。
9.根据权利要求1或2所述的机器，其中，所述刀具的所述部分球形的加工表面具有设有丸粒的外部环状区域、设有丸粒的中央圆形区域和位于所述中央圆形区域和所述外部环状区域之间的没有丸粒的中间环状区域。
10.一种用于成形机器的刀具，该刀具包括柔性支撑表面(83)，该柔性支撑表面具有附装至该柔性支撑表面并承载研磨材料(G)的多个刚性丸粒(84)，并且其中所述丸粒的背离所述支撑表面的表面形成了所述刀具的部分球形的或柱状的加工表面。
11.根据权利要求10所述的刀具，其中，所述刀具的所述柔性支撑表面包括纺织织物，所述纺织织物至少部分地由金属丝线形成，并且所述刚性丸粒通过电镀由金属材料形成。
12.根据权利要求11所述的刀具，其中，所述刚性丸粒由镍形成。
13.根据权利要求10所述的刀具，其中，所述刚性丸粒由树脂材料制成。
14.根据权利要求10至13中的任一项所述的刀具，其中，由所述刚性丸粒承载的所述研磨材料(G)选自具有从1到100μm的粒径的金刚石、立方氮化硼(CBN)、氧化铝或二氧化硅。
15.根据权利要求10至13中任一项所述的刀具，所述刀具的加工表面已经经过了调节步骤，所述调节步骤包括驱动所述刀具使之与调节表面接触：
a)达到预定时段；或
b)直到从所述调节表面去除材料的速率基本恒定；或
c)直到所述刀具的所述加工表面达到基本稳定状态。
16.根据权利要求10至13中的任一项所述的刀具，其中，所述研磨材料(G)的颗粒被成形为具有平坦暴露表面和略微倾斜的姿势，具有位于前部的碎屑袋以及位于后部的粘合剂竖直部。
17.根据权利要求10至13中的任一项所述的刀具，其中，所述刀具的所述部分球形的加工表面具有设有丸粒的环状区域和没有丸粒的中央圆形区域。
18.根据权利要求10至13中的任一项所述的刀具，其中，所述刀具的所述部分球形的加工表面具有设有丸粒的外部环状区域、设有丸粒的中央圆形区域和位于所述中央圆形区域和所述外部环状区域之间的没有丸粒的中间环状区域。
19.一种使用权利要求10至18中任一项的刀具将工件成形的方法，该方法包括如下步骤：
确定所述工件的表面轮廓；将所述工件的测量表面轮廓与期望表面轮廓相比较，以确定要从工件表面上的各个位置去除的材料的量；
确定所述刀具跨越所述工件所行进的路径；
确定刀具速度、所述刀具在所述工件上的压力和有效接触面积以便实现塑性模式材料去除；以及
在所述路径上驱动所述刀具同时动态地改变刀具速度、所施加的压力和有效接触面积，从而实现塑性磨削过程以从所述工件表面上的相应位置去除确定量的材料。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述刀具与所述工件之间的接触面积为10mm2和100mm2之间，并且以从50mm/分钟到500mm/分钟跨越所述工件而移动。
21.根据权利要求19或20所述的方法，该方法进一步包括调节步骤：在执行成形过程之前，驱动所述刀具以与调节表面接触预定时段。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，执行所述调节步骤，直到从所述调节表面去除材料的速率基本恒定或者直到所述刀具的加工表面达到基本稳定状态。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，在调节过程期间，监测施加至所述刀具的驱动力，并且继续该调节过程直到所监测的驱动力达到稳定值。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述调节表面是由碳化硅或钢形成的表面。
25.一种使用由本发明的方法成形的模具来生产弯曲玻璃部件的方法，该方法包括以下步骤：
将材料坯料加工成模具部件的近似形状；使用权利要求19到24中任一项的方法将模具部件成形以形成具有抛光的且弯曲的空腔表面的模具部件；
将一片玻璃软化成塑性状态；
将软化的玻璃片材按压到所述模具部件内以使玻璃成形为所述空腔表面的弯曲形式；以及
将弯曲玻璃部件从所述模具去除。
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