SiC材料機器人砂帶磨削系統(tǒng)設(shè)計及試驗研究

張志剛， 江希龍， 李 星

（1.北京市航空智能遙感裝備工程技術(shù)研究中心，北京100094；2.北京空間機電研究所，北京100094）

0 引言

SiC有著非常優(yōu)異的性能，如硬度高、耐磨損性能好、耐高溫、熱導(dǎo)率大、熱穩(wěn)定性能好、抗熱震性能好、抗氧化性強、耐化學(xué)腐蝕等，因而在航空航天、國防、冶金、機械、能源和建材化工等熱門領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景［1］。

作為新型的陶瓷基硬脆材料，SiC材料制作的零件受成型和燒結(jié)工藝的限制，成型后還需要進行加工，保證最終尺寸和精度。SiC材料由于高硬度、高脆性、低斷裂韌性等性能，常規(guī)手段無法完成，加工以砂輪磨削為主，磨削加工中極易出現(xiàn)崩邊、開裂等問題，加工效率低。本文通過對大尺寸SiC材料零件加工特點和難點的分析，基于解決材料加工難題，設(shè)計一套機器人砂帶磨削的柔性加工系統(tǒng)，并進行系統(tǒng)可加工性試驗。

1 SiC材料的加工特點及難點

SiC材料在加工過程中容易產(chǎn)生脆性斷裂，從而在材料表面留下破碎層，因而極易引起崩邊甚至開裂等災(zāi)難性質(zhì)量問題［2］。SiC加工過程中主要存在以下問題：SiC的硬度僅次于金剛石，不能用常規(guī)的金屬刀具加工；材料高硬度、高脆性，加工手段匱乏，目前的方法主要集中在砂輪磨削、超聲振動銑磨加工、電火花加工等。

1）采用砂輪磨削，金剛石砂輪與工件硬接觸，如參數(shù)選擇不當，砂輪磨損嚴重且易損傷工件。

2）采用超聲振動銑磨加工，PCD刀具在超聲振動和旋轉(zhuǎn)運動的共同作用下撞擊工件、去除材料，可獲得高精度的加工表面，但是該方法加工效率很低，大型結(jié)構(gòu)件加工仍存在刀具磨損問題。

3）采用電火花放電加工，存在工具磨損太快、工件表面燒蝕、加工精度不高、效率低下等問題。對于常壓燒結(jié)法制備的SiC毛坯，由于基體中游離硅含量很少，導(dǎo)致材料導(dǎo)電性極差，甚至無法進行放電加工。

SiC零件加工效率低，尤其是大型零件受設(shè)備機床限制，加工過程必須非常謹慎，極易出現(xiàn)裂紋或應(yīng)力破損，材料去除的機理研究與仿真基礎(chǔ)薄弱，在線檢測技術(shù)缺乏。SiC大型零件加工，需要帶有特殊防護的專用加工設(shè)備，對設(shè)備性能要求極高。

因此，SiC由于其材料的特殊性，加工效率低下、成本高昂、加工質(zhì)量難以控制，在很大程度上限制了材料的推廣使用。為解決以上的加工問題，有必要尋找新的加工方法和加工設(shè)備，開展SiC材料機器人砂帶磨削系統(tǒng)設(shè)計與搭建，是探索加工可能性的一個新方向。

2 砂帶磨削技術(shù)簡介

磨削加工作為現(xiàn)代機械制造領(lǐng)域中實現(xiàn)精密與超精密加工最有效、應(yīng)用最廣泛的基本工藝技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于金屬及其他材料的精加工［2］，也是SiC材料主要的切削加工方式。

砂帶磨削就是根據(jù)工件形狀，以相應(yīng)的接觸方式，利用高速運動著的砂帶，對工件表面進行磨削、研磨和拋光的一種新型高效磨拋工藝［3］。砂帶是砂帶磨削的主體，它是一種特殊的、多刀多刃的切削工具，主要由基體、結(jié)合劑和磨粒3部分組成，即在具有可撓性且極為平坦的布料、紙料等基體表面上，整齊地排列著尖角朝外的磨粒，依靠黏結(jié)劑和基體材料來保持可撓性和彈性，屬于單層磨粒磨具。

砂帶磨削時，磨粒在一定壓力作用下做切削運動，與工件表面相互作用，實現(xiàn)對工件表面磨削和拋光等。按照磨粒與工件表面接觸時干涉程度的不同，可以分為3個不同階段，如圖1所示。

1）滑擦：磨粒與工件表面相互接觸，干涉少，工件表面發(fā)生彈塑性變形，磨粒只摩擦工件表面，不切除材料。

2）耕犁：隨著磨削用量的增加，磨粒與工件表面干涉增大，表面材料發(fā)生塑性流動，材料產(chǎn)生擠壓式運動，從磨粒的下方和兩側(cè)擠出，磨粒在工件表面犁出刻線，切除少量材料。

3）切削：在一定壓力作用和溫度條件下，磨粒與工件表面間產(chǎn)生足夠的干涉，開始真正的切削，材料在磨粒的前方產(chǎn)生斷裂，形成切屑，有較大的材料去除率。

砂帶磨削與傳統(tǒng)磨削、車削、銑削相比，具有許多加工優(yōu)越性。由于靜電植砂技術(shù)的應(yīng)用以及新型砂帶的不斷推出，使得當今的砂帶磨削技術(shù)已經(jīng)成為國外應(yīng)用非常普遍的先進機械加工方法之一［4-5］。其主要特點有：

1）有 “快削法”之稱。砂帶磨削效率高，已達到銑削的10倍，普通砂輪磨削的5倍。

2）有 “冷態(tài)”磨削之稱。由于摩擦生熱少，磨粒散熱時間間隔長，可以有效地減少工件變形、燒傷，保證加工表面質(zhì)量。

3）有 “彈性”磨削之稱。由于砂帶自身有很好的繞性和柔性，與工件是柔性接觸，具有較好的跑合和拋光作用，工件的表面粗糙度可達Ra0.8～Ra0.2。

4）有 “萬能”磨削之稱，可以加工幾乎所有的工程材料。

5）生產(chǎn)成本低，經(jīng)濟效益好。砂帶磨床結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉；輔助時間少，工件一次定位后，可多次更換砂帶完成全部加工；操作簡單，安全可靠［6］。

3 機器人砂帶磨削柔性系統(tǒng)設(shè)計及工藝路線

3.1 機器人砂帶磨削柔性系統(tǒng)設(shè)計

本文利用機器人系統(tǒng)的靈活性和砂帶的柔性，針對SiC材料結(jié)構(gòu)件高硬度、高脆性材料特點，設(shè)計研究了一套機器人砂帶磨削柔性加工系統(tǒng)。

典型的機器人砂帶磨削系統(tǒng)由機器人系統(tǒng)作為執(zhí)行工具，砂帶磨削機等子系統(tǒng)作為執(zhí)行工具組成，砂帶磨削機固定轉(zhuǎn)動，機器人抓持零件進行復(fù)雜空間運動。本系統(tǒng)由于SiC材料零件的特殊性，加工過程需盡量減少移動，避免移動過程產(chǎn)生不必要的磕碰，所以采用機器人抓持末端執(zhí)行器砂帶驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

系統(tǒng)由機器人、末端執(zhí)行器砂帶驅(qū)動系統(tǒng)、砂帶、力控裝置、在線檢測裝置、除塵裝置、電氣控制系統(tǒng)、離線編程軟件、在線控制模塊等軟硬件組成。

機器人：機器人作為加工執(zhí)行機構(gòu)，選用6軸機器人。機器人的臂展能夠覆蓋結(jié)構(gòu)件的最大外形，尤其對大尺寸的 SiC材料結(jié)構(gòu)件（大于1000mm），在結(jié)構(gòu)件加工過程不動的情況下，機器人能驅(qū)動末端執(zhí)行器完成外形加工。

末端執(zhí)行器：即砂帶加工驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動砂帶轉(zhuǎn)動的同時，系統(tǒng)按加工軌跡進行移動，實現(xiàn)磨削加工。其中，驅(qū)動砂帶與零件直接接觸的接觸輪采用金屬+非金屬結(jié)合的輪系：基體一般由鋼、鋁合金制作，外包一層橡膠或塑料等軟彈性材料。

砂帶：根據(jù)SiC材料特性，選用金剛石砂帶，為方便散熱，采用干式冷態(tài)磨削方式。

力控裝置：磨削加工過程中，通過專用力控設(shè)備，自動測量末端執(zhí)行器砂帶驅(qū)動系統(tǒng)與工件之間的接觸力，并實時調(diào)整，確保接觸力始終保持在給定值，確保加工過程對SiC材料的壓力在安全有效范圍內(nèi)。

除塵裝置：為避免砂帶磨削SiC加工去除掉的粉塵飛散，損害人體健康及廠房內(nèi)其余設(shè)備，在末端執(zhí)行器砂帶驅(qū)動系統(tǒng)附近及整個加工區(qū)域設(shè)計專用的除塵裝置，保證加工環(huán)境的綠色環(huán)保。

在線檢測裝置：通過選用點激光、三維激光掃描儀等裝置，可通過非接觸測量方式，對特定區(qū)域和特征點進行測量，快速準確地對零件原型進行高精度數(shù)字化復(fù)制。

3.2 加工工藝路線研究

工藝路線如圖3所示。

按加工工藝路線，系統(tǒng)主要完成以下工藝技術(shù)研究：

（1）零件加工磨削軌跡智能規(guī)劃

基于離線編程軟件及工件的數(shù)模，結(jié)合加工工藝，智能規(guī)劃加工路徑。路徑可實現(xiàn)對工件待加工部位的全覆蓋，并滿足如進出位置、進刀量、加工去除量等加工工藝要求，合理優(yōu)化加工路徑，最小化加工時間，提高作業(yè)效率。

（2）加工基準智能標定與特征智能識別

采用點激光與三維激光在線校準設(shè)備與算法，實現(xiàn)對工件的智能標定與校準。首先通過點激光對工件進行粗標定，初步建立工件坐標系。進一步通過三維掃描對工件進行精密標定，完成離線程序與實際工件位置間的匹配。加工過程中，還可通過點激光精密測量工件高度，以準確修正進刀量，提高加工精度。

（3）離線編程在線智能化加工

通過機器人三維掃描，精確測量工件位置后，機器人按工藝路線要求進行加工路徑離線編程，并比對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化程序；系統(tǒng)按優(yōu)化后的程序進行加工，同時進行在線檢測，直至完成全部磨削工作。

（4）磨削參數(shù)在線感知

磨削加工過程中，將精密測量設(shè)備耦合到系統(tǒng)控制中，將測量結(jié)果反饋給機器人控制器，并根據(jù)測量結(jié)果自動修正加工路徑（或重新生成加工路徑），從而實現(xiàn)閉環(huán)磨削，保證最終加工精度［7］。

4 砂帶磨削試驗

4.1 試驗條件

磨削試驗使用的砂帶長1500mm，寬120mm，布基橋接，磨料粒度80#，金剛石磨料，砂帶線速度為10m／s，機器人驅(qū)動末端執(zhí)行器的進給速度為5mm／s，磨削過程中不更換砂帶，磨削正壓力為0.6MPa，砂帶磨削按緩進給大切深的模式進行試切加工，每次切深0.03mm，多次反復(fù)。

如圖4所示，SiC材料選用直徑與砂帶寬度一致，常壓（無壓、S、SiC）燒結(jié)成型坯料。

4.2 試驗結(jié)果

在磨削正壓力不變的磨削模式下，機器人砂帶磨削柔性系統(tǒng)在克服砂帶、驅(qū)動輪彈性變形后，調(diào)整砂帶線速度或機器人進給速度，可具有規(guī)律的、穩(wěn)定的材料去除量。而且，柔性加工系統(tǒng)在一固定壓力值下，提高砂帶轉(zhuǎn)速或降低砂帶線速度，能有效提高材料去除量。

如圖5所示，在磨削正壓力不變的砂帶磨削效果下，通過高精度三維檢測儀器可以觀測到零件表面的微觀表面形貌［8］。如圖6所示，對所測得數(shù)據(jù)處理分析，可看出磨削加工區(qū)域的粗糙度、表面形貌中間部位比較一致。由于砂帶柔性磨削砂輪加工接觸區(qū)域的變化，入刀口和出刀口有一階段的尺寸 “變化”，其表面形貌與其余部位微觀下有一定差距，但整體去除量均勻，表面粗糙度較好。無論是通過目測還是利用高精度微觀表面形貌測量儀放大觀察，都沒有發(fā)現(xiàn)加工過程產(chǎn)生崩邊、破損及明顯裂紋缺陷。更換幾組參數(shù)試驗后，得出以下規(guī)律：表面粗糙度和表面形貌深度隨工藝參數(shù)改變而變化的趨勢一致，當磨削深度和進給速度增大、機器人進給速度減小時，表面粗糙度和表面形貌深度增大［9］。

5 結(jié)論

通過對機器人砂帶磨削柔性加工系統(tǒng)的設(shè)計，利用一定工藝參數(shù)對試件加工和檢測，砂帶加工可以有效避免加工中易出現(xiàn)崩邊、開裂等問題，與同類的砂輪磨削相比，加工效率高，加工安全性較好。

［1］黃云，黃智.現(xiàn)代砂帶磨削技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2009.HUANG Yun，HUANG Zhi.Modernabrasivebelt grinding technology and its engineering application ［M］.Chongqing： Chongqing University Press， 2009.

［2］Faragoh F T.美國磨削技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1991.Faragoh F T.Grinding technology in the United States［M］.Beijing： China Machine Press， 1991.

［3］SunY Q.Development of aunified flexiblegrinding process［D］.The University of Connecticut， 2004.

［4］ 楊力.先進光學(xué)制造技術(shù)［M］. 北京： 科學(xué)出版社，2001.YANG Li.Advanced optical manufacturing technology［M］.Beijing ： Science Press， 2001.

［5］韓榮第，王楊，張文生.現(xiàn)代機械加工新技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.HAN Rong-di， WANG Yang， ZHANG Wen-sheng.New technology of modern mechanical processing ［M］.Beijing： Electronics Industry Press， 2003.

［6］張云龍.反應(yīng)燒結(jié)碳化硅磨削機理研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.ZHANG Yun-long.Study on mechanism of reaction sintering SiC grinding［D］.Harbin Institute of Technology， 2005.

［7］王偉，贠超.砂帶磨削機器人的靈活性分析與優(yōu)化［J］.機器人， 2010， 32（1）： 48-54.WANG Wei.YUN Chao.Flexibility analysis and optimization of abrasive belt grinding robot［J］.Robot， 2010，32（1）： 48-54.

［8］張銀霞.單晶硅片超精密磨削加工表面／亞表面損傷檢測技術(shù)［J］.電子質(zhì)量， 2004（7）： 72-75.ZHANG Yin-xia.Surface／subsurface damage detection technology for ultra precision grinding of monocrystalline silicon wafer［J］.Electronics Quality， 2004（7）： 72-75.

［9］Robichaud J， Guregian J J， Schwalm M.SiC optics for earth observing applications［C］.Proceedings of the SPIE，2003， 5151： 53-62.