孫紅偉，祝景萍，鄭 侃，孫連軍，薛 楓，束 靜

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

碳纖維增強復(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行銑邊以滿足高精度的裝配需求。針對CFRP銑邊工藝而言，普通機床難以滿足加工行程要求，且開發(fā)專用的機床成本過高。近年來，具備低成本、高靈活性等特點的工業(yè)機器人成為傳統(tǒng)機床的有效替代品[2，3]。

然而，機器人弱剛度特性引起的加工顫振問題是制約其應(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)機器人相結(jié)合的方法，抑制機器人鉆削橫向顫振。結(jié)果表明，超聲能量的攝入可以有效提高機器人鉆削穩(wěn)定性。胡力闖等[8]通過建立機器人旋轉(zhuǎn)超聲制孔毛刺高度理論計算模型，分析了超聲振動及鉆削位置剛性對機器人鉆削鋁合金疊層板毛刺形成的影響機制。針對機器人鉆削CFRP/鋁合金疊層材料中，因鉆削力過大引起的加工孔精度難以保證的問題，郭偉華等[9]將旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)拓展至機器人銑削加工領(lǐng)域，通過開展機器人銑削鋁合金有無超聲對比試驗，證明了旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)應(yīng)用于機器人銑削工藝的可行性。Sun等[10]運用機器人旋轉(zhuǎn)超聲銑削技術(shù)解決加工振動問題，結(jié)果表明，機器人旋轉(zhuǎn)超聲銑削相比普通銑削穩(wěn)定域提升133%。文獻[11]提出了機器人縱扭超聲銑削新工藝，結(jié)果表明，機器人縱扭超聲銑削穩(wěn)定域較機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到了 24.7%。

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

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料與刀具

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)方向為0°和90°，基體材料為T300環(huán)氧樹脂。工件尺寸為332 mm×182 mm×2 mm。

銑邊試驗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 試驗設(shè)備

試驗使用的機床型號為MCV-L850，工作時的最大轉(zhuǎn)速和最大進給速度分別為8 000 r/min與15 000 mm/min，工作臺大小為500 mm×1 150 mm。試驗使用的機器人型號為KUKA-KR500-R2830。機械手的剛度為1.6×10-6N/m，機器人的連桿參數(shù)如表2所示。CFRP銑邊試驗分別在機床與KUKA機器人上開展，并采用干切加工方式，其中機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，超聲發(fā)生器發(fā)出電信號，然后由壓電陶瓷換能器轉(zhuǎn)換成機械振動，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。試驗所用超聲裝置的超聲振幅通過超聲電流控制。采用激光測振儀(Polytech，CLV2534)對刀尖振幅進行標(biāo)定，在刀尖三坐標(biāo)方向測量的結(jié)果表明，當(dāng)超聲電流等于150 mA時，超聲振幅為10 μm。

表2 機器人連桿參數(shù)

圖1 機器人銑邊現(xiàn)場

1.3 試驗方案

銑削力由瑞士Kistler 9257B三分量測力儀測量，采樣頻率設(shè)置為10 kHz，每次走刀行程設(shè)置為182 mm。采集第一次走刀時的銑削力信號后，將該信號進行平滑與補償處理，最終利用MATLAB編程得到第一次走刀下的銑削力瞬時值。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)分別對各加工階段刀具宏觀形貌及樣件表面進行離線觀測。選取樣件中的9個小區(qū)域進行觀測，然后取其平均值作為該加工方式下的表面粗糙度數(shù)值。機床與機器人銑邊的加工距離均為1 092 mm。為使機床與機器人在加工穩(wěn)定性方面得到對比，兩者的超聲銑邊工藝參數(shù)保持一致，如表3所示。

表3 機床與機器人的CFRP銑邊加工參數(shù)

2 試驗結(jié)果分析

2.1 機器人CFPR銑邊銑削力研究

2.1.1 銑削力波動性分析

采集機床與機器人兩種加工方式下有無超聲銑邊X、Y、Z3個方向的銑削力Fx、Fy、Fz。其中Fx為垂直于進給方向的銑削力，F(xiàn)y為進給方向的銑削力，F(xiàn)z為垂直于加工平臺的銑削力。對試驗采集的銑削力實測圖進行信號漂零補償和平滑處理后，通過MATLAB程序計算切削穩(wěn)定階段的前20 s瞬時銑削力。

圖2給出了機床與機器人普通銑邊瞬時銑削力的變化規(guī)律。

圖2 機床與機器人普通銑邊瞬時銑削力對比

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

2.1.2 超聲振動對銑削力波動性的抑制分析

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

圖3 機床與機器人超聲銑邊銑削力對比

2.2 機器人CFPR銑邊刀具損傷研究

2.2.1 刀口損傷分析

銑邊過程中刀具損傷主要源于兩個方面:(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所示的銑邊試驗檢測結(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)，由于機床銑邊過程中較為穩(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，相比于機床銑邊，機器人銑邊出現(xiàn)非常明顯的崩刃情況，這是因為機器人加工過程中容易發(fā)生顫振導(dǎo)致刀具受交變載荷沖擊。圖4(d)的觀測結(jié)果表明機器人超聲銑邊刀具損傷顯著降低。主要是因為超聲能量攝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。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量結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)機床銑邊工況下，超聲場能效應(yīng)使得后刀面磨損量最大可降低14.86%，而機器人銑邊與超聲振動相結(jié)合可降低27.43%。說明超聲振動對弱剛性加工系統(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。機床和機器人加工的CFRP表面二維輪廓曲線及粗糙度對比如圖6～10所示。兩種加工方式下超聲銑邊對CFRP表面粗糙度均有一定的改善效果，機床與機器人的銑邊質(zhì)量分別提高15.13%和23.77%。其原因為不同纖維切削角下纖維的斷裂程度不一，超聲振動使得切削過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 機床普通銑邊輪廓

圖7 機床超聲銑邊輪廓

圖8 機器人普通銑邊輪廓

圖9 機器人超聲銑邊輪廓

圖10 兩種加工方式下表面粗糙度對比

3 結(jié)論

本文重點開展了機床與機器人在超聲振動作用下CFRP銑邊對比試驗。得到如下結(jié)論:

(1)機器人銑邊相比機床銑邊銑削力波動性較大，超聲振動對機器人銑削力的波動抑制效果顯著。

(2)超聲振動對機器人銑邊CFRP的刀具損傷改善作用優(yōu)于機床銑邊。

(3)超聲振動改變了碳纖維的斷裂方式，對機床和機器人銑邊質(zhì)量均有一定程度的改善。