石 峰, 徐雅麗, 孫年俊, 杜兆才*, 劉李明

(1.中國航空制造技術研究院,北京 100024; 2.中國船舶集團有限公司綜合技術經(jīng)濟研究院,北京 100081)

薄壁筒段件是一類典型的結構件,因具有結構緊湊、質(zhì)量輕、耐高溫等優(yōu)點而被廣泛應用于航空航天領域[1],如航空發(fā)動機、蒙皮板、導彈外殼、魚雷外殼、衛(wèi)星等。成形后的薄壁筒通常需要經(jīng)過車削、銑削、制孔、打磨、焊接等加工工藝來滿足使用需求,然而這類結構件屬于難加工件,主要體現(xiàn)在以下4個方面:① 大直徑小壁厚的結構導致其剛度較差,在受到切削力、切削熱及殘余應力的影響時極易產(chǎn)生變形[2-3];② 切削過程中刀具與工件之間產(chǎn)生的相對振動易引發(fā)顫振,在工件表面產(chǎn)生振紋,嚴重影響加工質(zhì)量[4];③ 普通的工裝無法滿足生產(chǎn)加工要求,裝夾方式及夾緊力設置若不合理則導致加工前便產(chǎn)生較大變形[5],因此需要設計專用夾具用來安裝固定,安裝步驟煩瑣、效率低;④ 適用于許多其他CNC(Compnter Numerical Control,電腦數(shù)值控制)制造工藝的切削參數(shù)和刀具無法作為參照,需要重新驗證刀具及工藝參數(shù)的可行性。

目前大型薄壁筒鍛件如航空發(fā)動機外殼主要采用大型五軸數(shù)控機床、龍門銑床等設備來執(zhí)行銑削工作,國內(nèi)外的研究主要集中于動力學模型的分析計算、顫振和自激的產(chǎn)生原理及抑制、薄壁變形的有限元建模、殘余應力分布、柔性工裝夾持方案以及工藝參數(shù)優(yōu)化等[6],而對于銑削設備的研制和工程應用解決方案的研究較少。數(shù)控機床的優(yōu)勢在于精度高、剛度好、技術成熟、加工經(jīng)驗豐富,然而其也存在價格昂貴、占用空間大、工作空間有限、可重構性差等缺陷。相比于大型數(shù)控機床,機器人具有加工靈活、操作空間大、易于擴展、成本低、占用空間小的優(yōu)點[7],并可實現(xiàn)多機器人多設備協(xié)同加工,便于構建和形成測量、加工、監(jiān)控一體化智能系統(tǒng)[8]。此外可將機器人直接布置在裝配現(xiàn)場進行加工,避免了運輸過程中可能造成的損傷,極大程度地提高了效率,縮短了生產(chǎn)周期。因此機器人非常適合作為大型薄壁筒段件的銑削加工設備。

銑削末端執(zhí)行器的研制是機器人加工系統(tǒng)開發(fā)的首要任務[9]。Fraunhofer IFAM為空客復合材料翼板加工開發(fā)了具有視覺測量和機器人銑削的柔性機器人加工系統(tǒng);謝菲爾德大學AMRC利用KUKA Titan系列手臂機器人為宇航公司和汽車公司開發(fā)了靈活的機器人工具;華中科技大學開發(fā)了基于雙目視覺測量、力傳感測量和機器人銑削的復雜航空零部件智能銑削系統(tǒng)[8];浙江大學Liu等[10]開發(fā)了一種集鉆孔、螺旋銑削和橢圓锪孔于一體的新型多功能端部執(zhí)行器,位置精度可控制在±0.5 mm以內(nèi),法線方向精度可控制。國外機器人末端執(zhí)行器的設計制造技術已經(jīng)比較成熟并已投入實際生產(chǎn),但關鍵技術對我國處于封鎖狀態(tài)。國內(nèi)的研究起步較晚,大多仍處于理論研究和實驗測試階段,存在很大的不足。本文提出了一種基于機器人的薄壁筒銑削設備,旨在將其應用于實際的生產(chǎn)實踐中,并為后續(xù)末端執(zhí)行器的研制提供借鑒與參考,如圖1所示。以鋁合金薄壁筒外表面銑圓弧槽為應用背景,設計工藝試驗驗證該設備的銑削性能并研究切削參數(shù)對銑削質(zhì)量的影響。

圖1 基于工業(yè)機器人和末端執(zhí)行器的薄壁筒銑削解決方案

1 薄壁筒段件的銑削特點和設備方案

銑削運動由主運動和進給運動組成,主運動為銑刀的旋轉(zhuǎn)運動,進給運動為工件或刀具的直線或曲線運動。薄壁筒段件由于具有大直徑小壁厚、多成直筒型或帶臺階筒形的結構特點,通常需要專用夾具夾持。如果令工件執(zhí)行進給運動,則在啟動和停止瞬時產(chǎn)生的沖擊易使工件產(chǎn)生變形,影響定位精度和加工質(zhì)量,因此選擇由刀具執(zhí)行進給運動可以避免此類情況的發(fā)生。大型薄壁筒段件的體積大、長度長,銑削范圍大,要求加工設備具備較大的行程和工作空間。此外,該類工件待加工表面為圓弧曲面,要求銑削設備具備多自由度。綜上所述,六自由度工業(yè)機器人能夠很好地滿足加工所需的進給、自由度及和工作空間要求。當薄壁筒段件很長時,還可以通過安裝導軌或多機器人協(xié)同加工的方法擴大工作范圍。相比于機床,機器人絕對定位精度低、剛度差,更容易受過程力的影響[11],銑削開始前,刀具在對刀點的實到位姿與理論位姿間通常有較大偏差,銑削過程中刀具-工件的作用力及其產(chǎn)生的自激振動也可能使機器人的實際軌跡與指令軌跡產(chǎn)生偏差[7]。因此末端執(zhí)行器除具備銑削功能外,還應具備精準定位功能、位姿準確度補償功能和閉環(huán)控制功能等來提高機器人的精度,從而提高加工質(zhì)量。加工完成后,需要檢測銑削精度及表面質(zhì)量,并清理殘留的切屑、毛刺,這些工作通常由人工完成,效率低下且存在安全隱患,因此可根據(jù)實際需求集成質(zhì)量檢測模塊和清理單元,實時或階段性檢測、反饋加工質(zhì)量并清理已加工表面。

本文提出的銑削設備由六自由度工業(yè)機器人和末端執(zhí)行器兩部分組成。工業(yè)機器人型號為KUKA KR500L340,工作空間如圖2所示,最大運動范圍為3 326 mm,額定負載為340 kg,位置重復性為0.08 mm。

圖2 KUKA KR500L340機器人工作空間示意圖

末端執(zhí)行器的組成如圖3所示。其上集成的多個單元根據(jù)實現(xiàn)功能可劃分為框架單元、銑削單元、檢測單元、運動單元和清理單元。

1—法蘭盤;2—交流伺服電機;3—基座;4—加強框 5—質(zhì)量檢測元件;6—位姿測量傳感器;7—電主軸;8—排屑管;9—測距傳感器;10—加強板;11—工業(yè)相機。

框架單元為執(zhí)行器的基本構架,包括法蘭盤、基座、加強框和加強板。法蘭盤位于執(zhí)行器上部,用于連接機器人和執(zhí)行器?；糜诎惭b其他單元部件。加強板安裝于基座前部,主要用于安裝測距傳感器、開排屑口。加強框安裝在側(cè)面,對主軸起到支撐保護作用,并在其上安裝電氣和氣動元件。

銑削單元用于執(zhí)行銑削的主運動,由電主軸、刀柄和刀具組成。電主軸選用數(shù)格EBS-120 g/30 000 r型電主軸,最高轉(zhuǎn)速達到30 000 r/min,最大扭矩為6 N·m,能夠滿足銑削加工所需的轉(zhuǎn)速及扭矩要求。刀具和刀柄則根據(jù)實際的加工任務選取。

(1)

式中:R為薄壁筒待加工弧面半徑。坐標系OA-XAYAZA到坐標系OB-XBYBZB的轉(zhuǎn)換關系為

(2)

F(xA,yA,zA)=(nxxA+oxyA+axzA+px)2+

(nyxA+oyyA+ayzA+py)2-R2

=0

(3)

運動單元由機械傳動機構和驅(qū)動器組成,主要功能是實現(xiàn)執(zhí)行器上各單元相對于機器人末端的運動。當銑削的材料層較厚時,需進行多次走刀以切出完整表面,每次走刀時刀具的位置會產(chǎn)生微小變動。由于機器人的剛度和絕對定位精度低,如果令機器人執(zhí)行該變動,則在無位置準確度補償?shù)那闆r下可能會產(chǎn)生較大的誤差,引入位置準確度補償又會增加加工時間、降低加工效率。機器人的重復定位精度高,可達到0.08 mm,因此保持每次走刀的機器人運動軌跡不變、采用更高精度的傳動機構使主軸做微小運動的方法是更加高效合理的。滾珠絲杠機構具有運動平穩(wěn)、傳動效率高、同步性好、可靠性高等優(yōu)點,在300 mm行程內(nèi)行程變動量為0.023 mm,能夠滿足機器人銑削的精度要求。本設備采用2個交流伺服電機作為驅(qū)動器,分別控制2個滾珠絲杠實現(xiàn)基座相對于法蘭盤沿主軸軸線方向的運動以及電主軸相對于基座沿軸線方向的運動。使用直線導軌作為導向裝置,使用光柵尺作為位置檢測裝置實現(xiàn)伺服電機的閉環(huán)控制。為了擴大質(zhì)量檢測元件的測量范圍,增設了一個氣缸用以實現(xiàn)質(zhì)量檢測元件和電主軸的位置切換。

清理單元由加強板、排屑管和真空吸塵器組成。真空吸塵器在刀具銑削過程中提供負壓力,切屑經(jīng)由加強板圓孔形成的空腔通過排屑管排出。

機器人銑削設備的實物圖如圖4所示。

圖4 機器人銑削設備實物圖

2 試驗驗證

采用在薄壁圓筒上銑圓弧槽的試驗作為該設備的加工性能驗證試驗,選用的刀具為二刃直柄球頭立銑刀,刀具直徑為8 mm。由于球面輪廓表面的法線方向指向全空間,因此該銑刀對表面加工具有良好的適應性,廣泛應用于航空航天、汽車、模具等復雜曲面零件的銑削[12-13]。對于同種銑刀和工件,機床適用的切削參數(shù)未必適用于機器人,因此需研究機器人在不同參數(shù)下的加工性能。在切削過程中,切削力直接影響切削熱、刀具磨損與耐用度、加工精度和已加工表面質(zhì)量;在生產(chǎn)過程中,切削力又是計算切削功率,設計機床、刀具夾具,以及監(jiān)控切削過程和刀具工作狀態(tài)的重要依據(jù)。研究切削力規(guī)律對于分析切削過程和指導現(xiàn)實生產(chǎn)都有重要意義。銑削過程是一個斷續(xù)切削過程,刀齒切入和切出工件的瞬間由于同時工作的刀齒數(shù)目的增減,將產(chǎn)生沖擊和振動。當振動頻率與機器人系統(tǒng)固有頻率一致時會引發(fā)共振[14]。因此以銑削過程中的切削力、力最大波動值和銑削完成后的槽深一致性、槽表面粗糙度、刀具排屑槽粘屑情況作為銑削性能研究依據(jù)。其中力的波動值用于反映銑削過程中的振動情況。采用Kistler 9119AA2型六分量力傳感器測量銑削過程中銑削力的3個分量和力波動信號,采用基恩士LJ-V7060輪廓測量儀測量圓弧槽不同位置的槽深,采用粗糙度測量儀測量槽表面粗糙度。

2.1 模擬件銑槽試驗

首先在矩形鋁合金模擬件上進行試驗。模擬件尺寸為210 mm×100 mm×40 mm,為使末端執(zhí)行器以較好的剛度姿態(tài)執(zhí)行銑削作業(yè),將試件安裝于試刀臺,待加工表面與地面垂直,在試件與試刀臺之間安裝測力計,如圖5所示。其中O-XYZ為工件坐標系,Y方向為銑削進給方向。

圖5 模擬件和力傳感器的安裝示意圖

當主軸轉(zhuǎn)速較高時,可相應提高進給速度,從而達到較高的材料去除率,提高加工效率。較高的切削速度可以使得切屑流出加快,減小切削力的同時降低工件熱變形。此外,相比于主軸轉(zhuǎn)速,進給速度和切削深度對切削力及切削質(zhì)量的作用更加明顯。因此本試驗中將主軸轉(zhuǎn)速固定為10 000 r/min,組合不同的進給速度和切削深度,如表1所示。

表1 切削參數(shù)

表2 3個方向銑削力分量平均值及力最大波動值

圖6 4次走刀銑削力沿X、Y、Z這3個方向的分量信號

圖7 4次走刀X、Y、Z這3個方向的力波動信號

圖6(a)和圖6(b)中信號在30～40 s之間的突變是由于試件表面有一條槽與銑削方向垂直,用于定向和區(qū)分加工面,在統(tǒng)計數(shù)據(jù)時將這部分去除。由圖6和圖7可以看出,4次走刀的銑削力信號和力波動信號趨勢一致,X分量和Z分量的銑削力信號整體呈現(xiàn)升高-穩(wěn)定-下降趨勢,力波動信號呈現(xiàn)兩邊幅值高中間幅值低的啞鈴型。造成這種現(xiàn)象的原因與試件的安裝夾緊方式有關。試件和連接板通過12個螺釘安裝于測力計工作臺面,由于試件待加工表面的面積大于測力計工作臺面積,螺釘連接處位于試件中部,試件的兩端懸空,導致中間剛度好而兩端剛度差,使得刀具銑削兩端部分時振動明顯加劇。測力計在X、Z方向除了受到力的作用外還受到彎矩的作用,抵消了一部分力;銑削中間部位時彎矩作用減小,因此使得X、Z方向兩端的銑削力分量較低而中間分量較高。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出,第3次走刀和第4次走刀時的數(shù)據(jù)非常接近,可以認為當銑槽深度超過2 mm后,刀具的切削狀態(tài)是一致的。因此對于不同切削參數(shù)下的槽,取最后一次走刀的數(shù)據(jù)做橫向?qū)Ρ取?/p>

表3 6組槽沿3個方向銑削力分量平均值及力最大波動值

圖8 6組槽沿X、Y、Z這3個方向銑削力分量

圖9 6組槽沿X、Y、Z這3個方向的力波動信號

表4 中間部分沿X、Y、Z這3個方向力最大波動值

由表4可以看出試件裝夾方式對銑削加工過程中的振動有很大影響。當裝夾剛度高時,刀具-工件作用產(chǎn)生的力最大波動值較小,而剛度低則可能導致振動加劇,力的最大波動值呈倍數(shù)增長,本試驗中相差5倍之多,因此在銑削前需選擇合理的裝夾方式,保證工件的安裝剛度。較大的振幅不僅會降低加工精度和表面質(zhì)量,還有可能造成刀具的斷裂。銑削后的槽表面形貌如圖10所示。

圖10 6組槽表面形貌圖

從圖10中可以看出,槽1表面最為光潔、無明顯毛刺;槽2表面存在少量毛刺;槽3的毛刺是所有槽中最多的;槽4～槽6毛刺數(shù)量相當,多于槽1和槽2,但少于槽3。該結果表明進給速度和切削深度的變化均會對表面質(zhì)量造成影響,當進給速度和切削深度都較小時能夠獲得較好的表面質(zhì)量。增大進給速度或切削深度都會使毛刺增多,但二者的影響程度不同,當進給速度不變時,增大切削深度會使毛刺數(shù)量顯著增長;當切削深度較小且保持不變時,增大進給速度會使得毛刺數(shù)量小幅增長;當切削深度較大且保持不變時,增大進給速度則不會對毛刺產(chǎn)生明顯影響。因此從提高加工效率、縮短工序時長并保證一定的加工質(zhì)量角度考慮,加大進給速度比加大切削深度有利。此外同一條槽的上側(cè)和下側(cè)表面質(zhì)量差別較大,上側(cè)表面存在大量毛刺和不規(guī)則劃痕,下側(cè)表面卻十分光潔,這是由于銑槽同時包含順銑和逆銑過程。刀具由上側(cè)切入材料時,切削刃旋轉(zhuǎn)方向與刀具進給方向相同,為逆銑過程;刀具由下側(cè)切出材料時,切削刃旋轉(zhuǎn)方向與刀具進給方向相反,為順銑過程。由于逆銑時切削厚度由零增至最大,刀齒在剛接觸工件的一段距離內(nèi)不能切入工件,只是在加工表面上擠壓、滑行,刀具-工件界面主要為擠壓效應而非剪切效應,因此在工件表面產(chǎn)生嚴重冷硬層,降低了表面加工質(zhì)量。當進給速度和切削深度較大時,單位時間內(nèi)去除材料增多,刀具切削不充分,部分未被去除材料停留在表面形成毛刺。順銑時切削厚度由大到小,沒有逆銑的缺點,使得表面較為光潔。

用輪廓儀獲取每組槽20個不同位置的截面數(shù)據(jù),如圖11所示。

圖11 槽截面示意圖

采集的數(shù)據(jù)分為3部分,其中第1、3部分是直線段數(shù)據(jù),第2部分是圓弧段數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)前段從前向后依次取m個點,從數(shù)據(jù)后段從后向前依次取n個點,采用最小二乘法擬合一條直線。直線的表達式為

(4)

其中,a、b的值為

(5)

(6)

由于前段、后段均位于一次加工完成的端面,凹槽兩側(cè)的直線段對整個直線段的貢獻相同,所以權重相同,取m=n。為提高計算精度,篩選參與擬合直線的點。第i個點到擬合出的直線的距離di為

(7)

(8)

將獲得的6組槽20個不同位置的槽深制成折線圖,如圖12所示。計算槽深均值、標準差、極差、槽深均值偏差,統(tǒng)計結果如表5所示。

表5 模擬件槽深統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖12 6組槽不同位置槽深統(tǒng)計數(shù)據(jù)

表5中槽深均值指測量的20個不同位置槽深的平均值,槽深均值偏差指槽深均值與目標槽深之間的偏差,這兩組數(shù)據(jù)反映銑槽精度;標準差和極差反映槽不同位置深度一致性。由圖12和表5可以看出,當進給速度和切削深度較小時,銑槽精度和一致性較好,能達到IT7級,隨著進給速度和切削深度的增加,精度有所降低,一致性變差。盡管如此,采用較高進給速度和較大切深時,槽深的加工精度也能達到IT10級。因此在實際加工中可以先采用大進給速度、大切削深度的切削參數(shù)去除大部分材料,在將要達到目標槽深時改用小進給速度、小切削深度銑出完整表面,這樣既能提高加工效率、縮短加工時間,同時也能保證加工質(zhì)量。

2.2 試驗件銑槽試驗

采用上文先大進給速度、大切削深度,后小進給速度、小切削深度方法在試驗件上進行試驗,保持主軸轉(zhuǎn)速為10 000 r/min不變。試驗件為弧形薄板,長度為200 mm,寬度為120 mm,厚度為8 mm,弧半徑為445 mm,與模擬件材料相同,與實際薄壁筒段件的結構相似,如圖13所示。采用的走刀方案如表6所示。

表6 試驗件銑削走刀方案

圖13 試驗件及其銑削區(qū)域示意圖

銑削后的槽表面形貌如圖14所示,槽表面無明顯毛刺,但受順銑和逆銑的影響,逆銑的一側(cè)表面質(zhì)量差,出現(xiàn)粗糙不均的冷硬層,順銑一側(cè)表面質(zhì)量良好。

圖14 試驗件槽表面形貌示意圖

用輪廓儀測得槽36個不同位置的截面數(shù)據(jù)并計算槽深,如圖15所示,并計算均值、標準差、極差,結果如表7所示;使用粗糙度儀分別測量逆銑側(cè)切入、切出和順銑側(cè)切入、切出4個區(qū)域的表面粗糙度,結果如表8所示。

表7 試驗件槽深統(tǒng)計數(shù)據(jù)

表8 試驗件表面粗糙度(Ra) 單位:μm

圖15 試驗件不同位置槽深

由圖15和表7可看出,使用該切削方案獲得的槽深精度良好,槽深均值偏差為0.014 mm,平均槽深精度能夠達到IT8級。由表8可看出,順銑側(cè)表面質(zhì)量較高,表面粗糙度可以達到1.038 μm,位于順銑側(cè)切出區(qū)域;逆銑側(cè)表面質(zhì)量相對較低,表面粗糙度最差為6.079 μm,位于逆銑側(cè)切出區(qū)域。盡管逆銑側(cè)表面質(zhì)量低于順銑側(cè)表面質(zhì)量,但仍能達到6.3 μm以內(nèi)的粗糙度水平,能夠滿足部分生產(chǎn)使用需求。上述測量結果證明了該方案的可行性,同時也證明了本設備具備銑削薄壁筒段件的能力。

3 結束語

模擬件的銑削結果表明,隨著進給速度和切削深度的增大,銑削力和振幅逐漸增大,槽深的均值偏差和標準差增大,槽深精度和一致性降低。切削深度對于表面質(zhì)量的影響比進給速度的影響更為顯著。試驗件的銑削結果表明,可以通過改變切削參數(shù)多次走刀來達到良好的銑削效果,槽深平均值的偏差為0.014 mm,能夠達到IT8精度等級,驗證了該設備用于薄壁筒段件銑削加工的可行性。