機(jī)床與機(jī)器人旋轉(zhuǎn)超聲銑邊對(duì)比試驗(yàn)研究

孫紅偉，祝景萍，鄭 侃，孫連軍，薛 楓，束 靜

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094;2.中國(guó)航空工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon fiber reinforced composite material，CFRP)因其優(yōu)異的材料屬性被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。對(duì)于大尺寸類零件而言，加工完成后通常需要沿其外形輪廓進(jìn)行銑邊以滿足高精度的裝配需求。針對(duì)CFRP銑邊工藝而言，普通機(jī)床難以滿足加工行程要求，且開(kāi)發(fā)專用的機(jī)床成本過(guò)高。近年來(lái)，具備低成本、高靈活性等特點(diǎn)的工業(yè)機(jī)器人成為傳統(tǒng)機(jī)床的有效替代品[2，3]。

然而，機(jī)器人弱剛度特性引起的加工顫振問(wèn)題是制約其應(yīng)用的最主要障礙[4]，嚴(yán)重的顫振現(xiàn)象不可避免地加劇刀具損傷、降低銑邊質(zhì)量。旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)作為近年來(lái)一種興起的特種加工方法，可以顯著降低銑削力、改善加工質(zhì)量[5，6]，因此得到了眾多學(xué)者的關(guān)注。Dong等[7]采用旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合的方法，抑制機(jī)器人鉆削橫向顫振。結(jié)果表明，超聲能量的攝入可以有效提高機(jī)器人鉆削穩(wěn)定性。胡力闖等[8]通過(guò)建立機(jī)器人旋轉(zhuǎn)超聲制孔毛刺高度理論計(jì)算模型，分析了超聲振動(dòng)及鉆削位置剛性對(duì)機(jī)器人鉆削鋁合金疊層板毛刺形成的影響機(jī)制。針對(duì)機(jī)器人鉆削CFRP/鋁合金疊層材料中，因鉆削力過(guò)大引起的加工孔精度難以保證的問(wèn)題，郭偉華等[9]將旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)拓展至機(jī)器人銑削加工領(lǐng)域，通過(guò)開(kāi)展機(jī)器人銑削鋁合金有無(wú)超聲對(duì)比試驗(yàn)，證明了旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人銑削工藝的可行性。Sun等[10]運(yùn)用機(jī)器人旋轉(zhuǎn)超聲銑削技術(shù)解決加工振動(dòng)問(wèn)題，結(jié)果表明，機(jī)器人旋轉(zhuǎn)超聲銑削相比普通銑削穩(wěn)定域提升133%。文獻(xiàn)[11]提出了機(jī)器人縱扭超聲銑削新工藝，結(jié)果表明，機(jī)器人縱扭超聲銑削穩(wěn)定域較機(jī)器人一維縱向超聲銑削提升了 46.7%，表面接刀痕高度差降低了48.7%，各種工況下的銑削力平均降幅達(dá)到了 24.7%。

目前有關(guān)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)的文獻(xiàn)主要集中于金屬材料的穩(wěn)定性建模與加工質(zhì)量研究，針對(duì)機(jī)床與工業(yè)機(jī)器人因剛度差異引發(fā)的加工顫振對(duì)CFRP銑邊質(zhì)量和刀具損傷的影響規(guī)律及作用機(jī)制鮮有報(bào)道。為此，本文開(kāi)展了機(jī)床與機(jī)器人銑邊對(duì)比試驗(yàn)研究，分析了超聲振動(dòng)攝入后對(duì)不同加工方式下銑削力波動(dòng)性、刀具損傷和銑邊質(zhì)量的改善效果。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料與刀具

工件材料采用的CFRP層合板為雙向交織鋪層結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)方向?yàn)?°和90°，基體材料為T300環(huán)氧樹(shù)脂。工件尺寸為332 mm×182 mm×2 mm。

銑邊試驗(yàn)所用刀具為直柄聚晶金剛石(Polycrystalline diamond，PCD)立銑刀，刀具前角為0°，軸向前角為5°。其他具體參數(shù)如表1所示。

表1 刀具參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)使用的機(jī)床型號(hào)為MCV-L850，工作時(shí)的最大轉(zhuǎn)速和最大進(jìn)給速度分別為8 000 r/min與15 000 mm/min，工作臺(tái)大小為500 mm×1 150 mm。試驗(yàn)使用的機(jī)器人型號(hào)為KUKA-KR500-R2830。機(jī)械手的剛度為1.6×10-6N/m，機(jī)器人的連桿參數(shù)如表2所示。CFRP銑邊試驗(yàn)分別在機(jī)床與KUKA機(jī)器人上開(kāi)展，并采用干切加工方式，其中機(jī)器人的工件裝夾方式如圖1所示。旋轉(zhuǎn)超聲加工系統(tǒng)由銑刀、變幅桿、壓電陶瓷換能器和超聲發(fā)生器組成。加工時(shí)，超聲發(fā)生器發(fā)出電信號(hào)，然后由壓電陶瓷換能器轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，再經(jīng)變幅桿放大后傳輸?shù)姐姷赌┒诵纬沙掷m(xù)穩(wěn)定的高頻(20 kHz)軸向振動(dòng)。試驗(yàn)所用超聲裝置的超聲振幅通過(guò)超聲電流控制。采用激光測(cè)振儀(Polytech，CLV2534)對(duì)刀尖振幅進(jìn)行標(biāo)定，在刀尖三坐標(biāo)方向測(cè)量的結(jié)果表明，當(dāng)超聲電流等于150 mA時(shí)，超聲振幅為10 μm。

表2 機(jī)器人連桿參數(shù)

圖1 機(jī)器人銑邊現(xiàn)場(chǎng)

1.3 試驗(yàn)方案

銑削力由瑞士Kistler 9257B三分量測(cè)力儀測(cè)量，采樣頻率設(shè)置為10 kHz，每次走刀行程設(shè)置為182 mm。采集第一次走刀時(shí)的銑削力信號(hào)后，將該信號(hào)進(jìn)行平滑與補(bǔ)償處理，最終利用MATLAB編程得到第一次走刀下的銑削力瞬時(shí)值。每三次走刀之后，切割CFRP樣件(10 mm×15 mm)。采用基恩士激光顯微鏡(KEYENCE，VK-X 100 series)分別對(duì)各加工階段刀具宏觀形貌及樣件表面進(jìn)行離線觀測(cè)。選取樣件中的9個(gè)小區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，然后取其平均值作為該加工方式下的表面粗糙度數(shù)值。機(jī)床與機(jī)器人銑邊的加工距離均為1 092 mm。為使機(jī)床與機(jī)器人在加工穩(wěn)定性方面得到對(duì)比，兩者的超聲銑邊工藝參數(shù)保持一致，如表3所示。

表3 機(jī)床與機(jī)器人的CFRP銑邊加工參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 機(jī)器人CFPR銑邊銑削力研究

2.1.1 銑削力波動(dòng)性分析

采集機(jī)床與機(jī)器人兩種加工方式下有無(wú)超聲銑邊X、Y、Z3個(gè)方向的銑削力Fx、Fy、Fz。其中Fx為垂直于進(jìn)給方向的銑削力，F(xiàn)y為進(jìn)給方向的銑削力，F(xiàn)z為垂直于加工平臺(tái)的銑削力。對(duì)試驗(yàn)采集的銑削力實(shí)測(cè)圖進(jìn)行信號(hào)漂零補(bǔ)償和平滑處理后，通過(guò)MATLAB程序計(jì)算切削穩(wěn)定階段的前20 s瞬時(shí)銑削力。

圖2給出了機(jī)床與機(jī)器人普通銑邊瞬時(shí)銑削力的變化規(guī)律。

圖2 機(jī)床與機(jī)器人普通銑邊瞬時(shí)銑削力對(duì)比

本文將銑削力波動(dòng)性定義為采樣時(shí)間內(nèi)銑削力極大值和極小值間差值與極小值的比值。其中機(jī)器人的瞬時(shí)銑削力最大值為65.19 N，最小值為53.35 N，由此可知其波動(dòng)達(dá)到了22.19%。機(jī)床的瞬時(shí)銑削力最大值為60.31 N，最小值為52.80 N，變化幅度為14.22%。對(duì)比結(jié)果顯示:機(jī)器人銑邊銑削力的波動(dòng)是機(jī)床銑邊銑削力波動(dòng)的1.57倍，機(jī)器人與機(jī)床剛度的差異性對(duì)銑削力的波動(dòng)性產(chǎn)生了較大影響。這是因?yàn)闄C(jī)器人的弱剛度特性使得CFRP銑邊環(huán)境更加惡劣，銑邊過(guò)程中徑向切深處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，容易引起明顯的加工顫振現(xiàn)象，導(dǎo)致銑削力波動(dòng)加劇。這將加劇刀具損傷，降低銑邊質(zhì)量。

2.1.2 超聲振動(dòng)對(duì)銑削力波動(dòng)性的抑制分析

旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)通過(guò)改變外激勵(lì)形式實(shí)現(xiàn)加工振動(dòng)的抑制[10]。圖3(a)和(b)所示分別為超聲能量攝入后機(jī)床和機(jī)器人銑邊的銑削力變化規(guī)律?？梢园l(fā)現(xiàn)在機(jī)床銑邊過(guò)程中，瞬時(shí)銑削力最大值和最小值分別為52.63 N和48.22 N。超聲振動(dòng)的引入使得銑削力波動(dòng)性僅降低了5.07%。在機(jī)器人銑邊的峰值和谷值分別為54.16 N為48.95 N，超聲振動(dòng)的引入使得銑削力波動(dòng)性降低了11.55%。這是由于機(jī)床剛性較好，超聲能量對(duì)CFRP銑邊的銑削力波動(dòng)性改善能力不顯著。而機(jī)器人剛性較弱受動(dòng)態(tài)銑削力影響較大，徑向切深波動(dòng)性大。超聲振動(dòng)的輔助使得刀具處于相對(duì)“穩(wěn)定”狀態(tài)。

圖3 機(jī)床與機(jī)器人超聲銑邊銑削力對(duì)比

2.2 機(jī)器人CFPR銑邊刀具損傷研究

2.2.1 刀口損傷分析

銑邊過(guò)程中刀具損傷主要源于兩個(gè)方面:(1)刃口切削的沖擊力產(chǎn)生的刀口損傷;(2)刀面與加工表面之間的摩擦力產(chǎn)生的刀面磨損。根據(jù)如圖4所示的銑邊試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果可知，CFRP銑邊PCD刀具損傷的主要形式為崩刃、前后刀面磨損、切削刃磨損等。從圖4(a)和(b)可以明顯發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)床銑邊過(guò)程中較為穩(wěn)定，超聲銑邊相比普通銑邊前后刀面微崩刃有一定的改善效果。由圖4(c)可知，相比于機(jī)床銑邊，機(jī)器人銑邊出現(xiàn)非常明顯的崩刃情況，這是因?yàn)闄C(jī)器人加工過(guò)程中容易發(fā)生顫振導(dǎo)致刀具受交變載荷沖擊。圖4(d)的觀測(cè)結(jié)果表明機(jī)器人超聲銑邊刀具損傷顯著降低。主要是因?yàn)槌暷芰繑z入后顯著抑制了交變載荷的沖擊作用，弱化了刀具與工件之間的擠壓與刮擦作用，僅發(fā)生微崩刃現(xiàn)象。

圖4 加工過(guò)程的刀具崩刃現(xiàn)象

2.2.2 刀面磨損分析

刀具切削刃處的應(yīng)力集中導(dǎo)致其前后刀面的磨損量呈現(xiàn)由刀尖向刀軸心處逐漸減小的趨勢(shì)。采用后刀面最大磨損寬度表征刀具磨損[12]。圖5為刀具后刀面的磨損測(cè)量結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)機(jī)床銑邊工況下，超聲場(chǎng)能效應(yīng)使得后刀面磨損量最大可降低14.86%，而機(jī)器人銑邊與超聲振動(dòng)相結(jié)合可降低27.43%。說(shuō)明超聲振動(dòng)對(duì)弱剛性加工系統(tǒng)的刀具磨損具有延緩作用。

圖5 刀具后刀面最大磨損寬度

2.3 機(jī)器人CFPR銑邊質(zhì)量

CFRP的銑邊質(zhì)量是航空制造企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。機(jī)床和機(jī)器人加工的CFRP表面二維輪廓曲線及粗糙度對(duì)比如圖6～10所示。兩種加工方式下超聲銑邊對(duì)CFRP表面粗糙度均有一定的改善效果，機(jī)床與機(jī)器人的銑邊質(zhì)量分別提高15.13%和23.77%。其原因?yàn)椴煌w維切削角下纖維的斷裂程度不一，超聲振動(dòng)使得切削過(guò)程中的摩擦力從纖維的軸向截面向徑向截面偏轉(zhuǎn)。由于碳纖維力學(xué)性能的各向異性，徑向截面的應(yīng)力集中促進(jìn)了纖維發(fā)生剪切斷裂。而剪切斷裂產(chǎn)生的纖維加工損傷較小，因此兩種加工方式下的超聲銑邊質(zhì)量得到提升。

圖6 機(jī)床普通銑邊輪廓

圖7 機(jī)床超聲銑邊輪廓

圖8 機(jī)器人普通銑邊輪廓

圖9 機(jī)器人超聲銑邊輪廓

圖10 兩種加工方式下表面粗糙度對(duì)比

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)開(kāi)展了機(jī)床與機(jī)器人在超聲振動(dòng)作用下CFRP銑邊對(duì)比試驗(yàn)。得到如下結(jié)論:

(1)機(jī)器人銑邊相比機(jī)床銑邊銑削力波動(dòng)性較大，超聲振動(dòng)對(duì)機(jī)器人銑削力的波動(dòng)抑制效果顯著。

(2)超聲振動(dòng)對(duì)機(jī)器人銑邊CFRP的刀具損傷改善作用優(yōu)于機(jī)床銑邊。

(3)超聲振動(dòng)改變了碳纖維的斷裂方式，對(duì)機(jī)床和機(jī)器人銑邊質(zhì)量均有一定程度的改善。