曲面鋁合金錘擊平整技術(shù)研究*

楊 帆 杜曼殊 林曉輝

(廈門(mén)理工學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361024)

鋁合金材料因其具有密度小、質(zhì)量輕、延展性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)輕量化制造、列車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)制造、航空航天等領(lǐng)域[1-2]，然而普通鋁合金材料表面硬度遠(yuǎn)低于鋼、鐵等金屬材料，在一定程度上限制了其應(yīng)用。為了提高鋁合金表面的硬度，噴丸及陽(yáng)極氧化是較為常見(jiàn)的工藝方式，表面噴丸處理雖能提高表面硬度，但噴丸后會(huì)使零件表面的粗糙度增大，陽(yáng)極氧化雖能在零件表面生成一層氧化膜提高零件表面硬度及耐腐蝕性，但難以控制零件面形精度[3-6]，另一方面拋光雖然可以較好地控制加工后零件表面的面形精度，但是卻難以改變零件表面的硬度，同時(shí)由于鋁合金易氧化、硬度低等特點(diǎn)導(dǎo)致其拋光性也較差，拋光加工較為困難[7]。

機(jī)械錘擊是一種機(jī)械式的通過(guò)不去除零件表面材料的方式來(lái)提高零件表面硬度、降低表面粗糙度的加工方法，最早由德國(guó)KWL公司提出[8]，其基本原理是利用錘擊工具頭以一定的頻率往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的方式撞擊零件表面以達(dá)到對(duì)零件表面的平整作用。Bleicher F通過(guò)對(duì)鋼材料表面進(jìn)行錘擊加工,研究了主要錘擊參數(shù)對(duì)表面性能的作用效果，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)機(jī)械錘擊的方式將碳化鎢顆粒附著到鋼材料表面使其摩擦性能得到提高[9-10]。Mannens R研究了機(jī)械錘擊的錘擊力，錘擊角度及錘擊行程對(duì)X3CrNiMo13-4表面完整性的影響，認(rèn)為與噴丸技術(shù)相比，機(jī)械錘擊加工技術(shù)可獲得表面更光滑、殘余應(yīng)力更高的加工表面[11]。Schulze V將機(jī)械錘擊用于對(duì)材料表面的改性處理，分析了對(duì)材料表面錘擊壓模后的殘余應(yīng)力，討論了機(jī)械錘擊在材料表面改性處理方面的應(yīng)用[12]。S Krall將機(jī)械錘擊技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了錘擊的自動(dòng)化加工，并對(duì)鋼材料表面進(jìn)行了錘擊加工,研究了錘擊過(guò)程中對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑的確定性及穩(wěn)定性的影響[13]。

由上述研究可知，機(jī)械錘擊可以用于提升零件表面的平順性及力學(xué)性能，是一種有效的零件表面平整方式。但是其研究的對(duì)象多是平面鋼材料，而對(duì)于鋁合金材料，尤其是曲面鋁合金材料表面的錘擊平整加工，未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。因此本文將機(jī)械錘擊平整技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人上，對(duì)凸形曲面鋁合金材料表面進(jìn)行錘擊平整，并對(duì)錘擊后零件表面的粗糙度、表面硬度及表面形貌進(jìn)行了測(cè)量觀察，探究各錘擊工藝參數(shù)對(duì)曲面鋁合金表面平整質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)環(huán)境主要包括實(shí)驗(yàn)加工樣品，錘擊裝置，工業(yè)機(jī)器人IRB6700。實(shí)驗(yàn)加工樣品為牌號(hào)6061銑削加工后的凸形曲面鋁合金，曲面半徑R=25 mm，表面經(jīng)過(guò)銑削加工可見(jiàn)明顯刀痕，并對(duì)樣品表面粗糙度、硬度及初始表面形貌進(jìn)行了測(cè)量觀察便于后期加工結(jié)果的對(duì)比分析。錘擊裝置主要由音圈電機(jī)及其控制軟件，碳化鎢球形錘頭，重力平衡裝置及其用于將裝置安裝到機(jī)器人法蘭上的附屬結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中音圈電機(jī)的型號(hào)為XVLC180-005-00N，其主要性能參數(shù)如表1所示。重力平衡裝置用于平衡錘頭在未使能狀態(tài)下的自身重力，保證錘擊過(guò)程中錘頭與工件之間的加工間距。

表1 音圈電機(jī)主要參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中采用的工業(yè)機(jī)器人型號(hào)為IRB6700，其最大負(fù)載為200 kg,重復(fù)定位精度為0.05 mm,工作的最大范圍為2.6 m。錘擊裝置通過(guò)螺栓固定連接到機(jī)器人法蘭盤(pán)上，可隨機(jī)器人一起運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)工件裝夾在試驗(yàn)臺(tái)上，并對(duì)工件進(jìn)行標(biāo)定，由電腦端控制機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)路徑，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人對(duì)實(shí)驗(yàn)工件表面的錘擊加工。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

錘擊后的曲面鋁合金表面粗糙度采用Mitutoyo手持式粗糙度檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量，分別沿著錘擊進(jìn)給方向和垂直錘擊進(jìn)給方向進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量3次后取平均值，取粗糙度數(shù)值較大的作為測(cè)量結(jié)果。表面形貌采用基恩士3D激光共聚焦顯微鏡VK-X100K/X200K進(jìn)行觀測(cè)(分辨率：5 nm,放大倍數(shù)：100～24 000倍)，主要觀測(cè)錘擊前后工件表面的形貌及完整性。表面硬度采用顯微硬度計(jì)HX-1000TMC(測(cè)量范圍：5～3 000 HV，硬度示值誤差：小于3%)進(jìn)行測(cè)量，加載力為5 N，保荷時(shí)間為15 s，通過(guò)顯微觀察和測(cè)量棱形壓痕的對(duì)角線長(zhǎng)度計(jì)算出測(cè)量的硬度值。

2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

本次實(shí)驗(yàn)研究的主要參數(shù)包括錘擊的電流、錘擊頻率、錘擊節(jié)距以及進(jìn)給速度，錘擊移動(dòng)路徑采用經(jīng)典的矩形光柵式路徑，錘擊電流及錘擊頻率通過(guò)錘擊裝置中的音圈電機(jī)系統(tǒng)來(lái)控制，進(jìn)給速度及錘擊節(jié)距通過(guò)控制機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)速度及矩形式光柵路徑間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)。各參數(shù)具體數(shù)值的設(shè)定如表2所示。

表2 錘擊實(shí)驗(yàn)參數(shù)

采用單因素實(shí)驗(yàn)，分別研究各個(gè)單錘擊參數(shù)對(duì)錘擊后的鋁合金表面粗糙度、硬度及表面形貌的影響，根據(jù)參數(shù)設(shè)定分為4組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)參數(shù)梯度，每個(gè)參數(shù)梯度下的錘擊區(qū)域?yàn)?0 mm×10 mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 表面粗糙度

對(duì)實(shí)驗(yàn)工件進(jìn)行單一影響因素實(shí)驗(yàn)，得到各錘擊工藝參數(shù)下的鋁合金表面粗糙度值。圖2為不同錘擊節(jié)距及錘擊頻率下的鋁合金表面粗糙度測(cè)量值。由圖2可以看出，錘擊后鋁合金表面粗糙度受錘擊加工節(jié)距的影響較大，其測(cè)量值隨著錘擊節(jié)距的增大而急劇增大。錘擊頻率對(duì)其表面粗糙度的影響較為有限，增大錘擊頻率可降低錘擊后鋁合金表面的粗糙度值。

圖3為不同錘擊電流及錘擊進(jìn)給速度下的鋁合金表面粗糙度測(cè)量值，由圖可知相比于錘擊節(jié)距，錘擊電流及錘擊進(jìn)給速度對(duì)粗糙度影響較小。隨著錘擊進(jìn)給速度的增大，表面粗糙度值會(huì)出現(xiàn)較大幅度的增加。而增大錘擊電流雖可在一定程度下減小表面粗糙度值，但是影響較為有限。因此可知采用小錘擊節(jié)距、高錘擊頻率及低的錘擊進(jìn)給速度可有效減小錘擊后鋁合金表面的粗糙度。

3.2 表面形貌

如圖4所示，為曲面鋁合金經(jīng)銑削加工后的表面形貌，可見(jiàn)上面分布有較為明顯的銑削刀痕。

由圖5可知，當(dāng)錘擊節(jié)距d=0.1 mm，錘擊頻率f=25 Hz時(shí)，鋁合金表面的銑削刀痕被消除，但表面上留下了明顯的錘擊痕跡及小凹坑，錘擊痕跡的方向與機(jī)器人錘擊進(jìn)給方向一致。與圖5相比，圖6為增大錘擊節(jié)距至d=0.2 mm時(shí)，錘擊后的鋁合金表面形貌圖，圖中可見(jiàn)沿錘擊進(jìn)給方向分布的錘擊痕跡加深，錘痕兩側(cè)區(qū)域被進(jìn)一步平整。與圖5相比，圖7為增大錘擊頻率至f=30 Hz錘擊后的鋁合金表面形貌圖，可以看出由于錘擊節(jié)距影響而產(chǎn)生的錘擊痕跡被明顯消除，同時(shí)在圖5中表面形貌所呈現(xiàn)出的小凹坑缺陷也被平整，由此可以看出錘擊后表面形貌的平整性很大程度上受到錘擊節(jié)距及錘擊頻率的影響。與圖5相比，圖8為在保證錘擊電流I、錘擊頻率f及錘擊節(jié)距d不變的情況下，加快錘擊進(jìn)給速度至Vd=4 mm/s,錘擊后的鋁合金表面形貌圖，由圖可知，加快錘擊進(jìn)給速度后，表面被進(jìn)一步平整，錘擊痕跡變淺。圖9及圖10分別為錘擊電流I=1.5 A及I=2.5 A時(shí)錘擊后的鋁合金表面形貌圖，通過(guò)對(duì)比圖5可知當(dāng)錘擊電流I=2.5 A時(shí)可獲得平整性較好、表面缺陷較少的錘擊表面,當(dāng)錘擊電流I=3 A時(shí)錘擊后的表面出現(xiàn)較為明顯的缺陷，因此增大錘擊電流并不能提升表面平整性。從整個(gè)觀測(cè)的形貌圖來(lái)看，錘擊后鋁合金表面形貌除會(huì)產(chǎn)生錘擊痕跡之外，還會(huì)偶爾伴隨出現(xiàn)錘擊痕跡彎曲，有可能是在錘擊過(guò)程中錘擊裝置的高頻振動(dòng)引起機(jī)器人末端抖動(dòng)及機(jī)器人工件坐標(biāo)建立存在誤差等原因產(chǎn)生的，通過(guò)選擇合理的錘擊參數(shù)，可以修正上述影響獲得如圖10所示的平整效果較好的錘擊加工表面。

3.3 表面硬度

如圖11所示，為機(jī)器人錘擊后曲面鋁合金表面硬度值，經(jīng)銑削加工后的曲面鋁合金表面硬度值為89 HV,由圖可知，經(jīng)機(jī)器人錘擊加工后，曲面鋁合金表面的硬度值有明顯提升。

由圖11a可知錘擊加工后鋁合金表面的硬度受錘擊加工節(jié)距影響較大，錘擊加工節(jié)距的小幅增加，表面硬度值呈現(xiàn)出急劇下降趨勢(shì)。同時(shí)隨著錘擊頻率的提高，表面硬度值呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)。由圖11b可知，錘擊電流I在1～1.5 A變化時(shí)，表面硬度測(cè)量值呈上升趨勢(shì)。在1.5～2 A變化時(shí)，表面硬度測(cè)量值呈下降趨勢(shì)，但是相對(duì)于錘擊頻率及錘擊進(jìn)給速度而言，錘擊電流對(duì)表面硬度的提升更為明顯。表面硬度測(cè)量值隨錘擊進(jìn)給速度的變化趨勢(shì)相對(duì)較為平緩，小錘擊進(jìn)給速度、表面硬度測(cè)量值相對(duì)較高。

綜上分析可知，提高錘擊頻率、減小錘擊進(jìn)給速度及錘擊節(jié)距可提升表面硬度，但受到音圈電機(jī)的峰值推力的限制。實(shí)驗(yàn)時(shí)所采用的頻率大小及工業(yè)機(jī)器人末端剛度等因素的影響，限制了錘擊電流對(duì)錘擊后表面硬度的進(jìn)一步提升。

3.4 錘擊參數(shù)影響規(guī)律

綜上分析可知，錘擊節(jié)距d=0.3～0.5 mm,錘擊頻率f=15～25 Hz，錘擊電流I=1～2 A,錘擊進(jìn)給速度Vd=3～5 mm/s的實(shí)驗(yàn)數(shù)值范圍內(nèi)，表面粗糙度值隨著錘擊頻率及錘擊電流的增大而減小，隨著錘擊節(jié)距及錘擊進(jìn)給速度的增大而減小，表面硬度的測(cè)量值隨著錘擊節(jié)距及錘擊進(jìn)給速度的增大而減小 、隨著頻率的增大而增大。采用小的錘擊節(jié)距、低錘擊進(jìn)給速度和高錘擊頻率可減小表面粗糙度值的同時(shí)提高表面硬度，但是低錘擊進(jìn)給速度及小的錘擊節(jié)距會(huì)導(dǎo)致錘擊效率較低，所以應(yīng)合理安排錘擊參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

利用工業(yè)機(jī)器人對(duì)曲面鋁合金表面進(jìn)行了錘擊平整，并討論了主要錘擊參數(shù)對(duì)錘擊后曲面鋁合金表面粗糙度，表面形貌及表面硬度的影響，探究了該方法在減小零件表面粗糙度的同時(shí)提升其表面強(qiáng)度的可行性?？梢缘玫饺缦陆Y(jié)論：

(1) 工業(yè)機(jī)器人錘擊平整技術(shù)對(duì)曲面零件表面具有明顯的平整效果，錘擊后的曲面鋁合金表面粗糙度值可達(dá)0.5 μm，表面硬度可提升約91%。

(2) 通過(guò)對(duì)錘擊后曲面鋁合金表面形貌的觀察，鋁合金表面的銑削刀痕被完全消除，且采用小錘擊節(jié)距、低錘擊進(jìn)給速度及高錘擊頻率進(jìn)行錘擊平整，可獲得平整質(zhì)量較好的錘擊表面。

(3) 錘擊后的鋁合金表面粗糙度及表面硬度對(duì)錘擊節(jié)距較為敏感，小錘擊節(jié)距錘擊平整后的鋁合金表面粗糙度低、硬度高。表面粗糙度隨著錘擊頻率及錘擊進(jìn)給速度的增大而減小。表面硬度隨著錘擊頻率的增大而增大，隨著錘擊進(jìn)給速度的提高而減小。