拋磨工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響研究

李 堅(jiān)，王 兵，陳浩文

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

目前采用機(jī)器人進(jìn)行拋磨作業(yè)受到了廣泛的關(guān)注和研究[1，2]，其中拋磨后工件表面的質(zhì)量即表面粗糙度是極為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，因其除了影響工件表面光潔度之外，還會(huì)影響工件的性能甚至是裝備的使用壽命[3]。在拋磨工藝參數(shù)規(guī)劃中，如能獲知采用的參數(shù)對(duì)拋磨后表面粗糙度的影響程度，則可根據(jù)具體工藝需求對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整[4]。近年來(lái)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)的方法被引入到拋磨工藝參數(shù)與表面粗糙度關(guān)系的探究之中[5，6]，但這些方法需要較多的數(shù)據(jù)，訓(xùn)練耗時(shí)，使用中存在一定的困難[7，8]。

極差分析法簡(jiǎn)單易懂，計(jì)算量少，能直觀地獲知各參數(shù)的優(yōu)選條件，所以被廣泛使用[9]。為此本文基于拋磨末端執(zhí)行器構(gòu)建了機(jī)器人拋磨系統(tǒng)，通過(guò)機(jī)器人拋磨系統(tǒng)的接觸力、旋轉(zhuǎn)速度和進(jìn)給速度3個(gè)工藝參數(shù)一系列不同的參數(shù)組合進(jìn)行拋磨實(shí)驗(yàn)，利用極差分析法對(duì)這3個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行分析，以獲知各參數(shù)對(duì)拋磨后工件表面粗糙度的影響程度。

1 機(jī)器人拋磨系統(tǒng)

本文采用本課題組研制的主動(dòng)力控制末端執(zhí)行器和那智工業(yè)機(jī)器人構(gòu)建了接觸力、旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)給速度可實(shí)時(shí)控制的機(jī)器人拋磨平臺(tái)，如圖1所示。該拋磨系統(tǒng)采用音圈電機(jī)(HVCM，型號(hào)Akribis AVM80-12-C8-0.5)作為力驅(qū)動(dòng)電機(jī)，結(jié)合六維力傳感器(型號(hào)SRI M3813E)構(gòu)建了恒力控制模塊；采用安川伺服電機(jī)(型號(hào)SGM7A-06AFA61)作為拋磨旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行單元；拋磨進(jìn)給速度則由工業(yè)機(jī)器人的控制柜實(shí)現(xiàn)控制。該機(jī)器人拋磨系統(tǒng)的接觸力、旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)給速度參數(shù)范圍如表1所示。在拋磨過(guò)程中這3個(gè)工藝參數(shù)將被提前設(shè)定，并在單次實(shí)驗(yàn)中保持恒定。

圖1 機(jī)器人拋磨裝置及場(chǎng)景

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 工件類型選擇

在機(jī)械加工中，鋼材質(zhì)的工件是較為常見(jiàn)的，本文采用304不銹鋼工件作為研究對(duì)象。為使所研究的內(nèi)容聚焦在拋磨工藝參數(shù)與拋磨后工件表面粗糙度關(guān)系上，實(shí)驗(yàn)中銑削加工了兩塊平面型304不銹鋼工件，其中之一如圖2所示。

表1 機(jī)器人拋磨系統(tǒng)工藝參數(shù)

為更好地對(duì)比拋磨前、后工件的表面粗糙度，將定制的兩塊鋼板正、反兩面通過(guò)銑削加工成有4個(gè)明顯可見(jiàn)刀紋的表面(如圖2的局部放大圖)。在實(shí)驗(yàn)開始前，按照拋磨盤直徑50 mm的寬度將每一個(gè)工件表面劃分為12個(gè)子區(qū)域，采用粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)每個(gè)子區(qū)域中間部分進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)量，取其平均值作為該子區(qū)域的初始粗糙度值。拋磨前4個(gè)表面各子區(qū)域的Ra測(cè)量結(jié)果如圖3所示，每個(gè)鋼板工件表面的粗糙度均較為穩(wěn)定，為方便后續(xù)分析，將其大致劃分成低粗糙度面(圖3(a))和高粗糙度面(圖3(b))兩個(gè)不同的類型。

圖2 實(shí)驗(yàn)用平面鋼板工件(其中一個(gè)面)

圖3 拋磨前4個(gè)表面各子區(qū)域的Ra測(cè)量結(jié)果

2.2 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

機(jī)器人拋磨系統(tǒng)的接觸力、旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)給速度分別設(shè)計(jì)為3水平(20 N、30 N、40 N)、2水平(1 000 r/min、3 000 r/min)、2水平(5 mm/s、10 mm/s)，組成12組不同的工藝參數(shù)，如表2所示。將這12組工藝參數(shù)與工件表面所劃分的12個(gè)子區(qū)域一一對(duì)應(yīng)開展拋磨實(shí)驗(yàn)。在所有實(shí)驗(yàn)中均采用320目的砂紙，暫不考慮砂紙目數(shù)對(duì)拋磨后工件表面粗糙度帶來(lái)的影響。

表2 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)表

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)

表面粗糙度指的是工件表面經(jīng)過(guò)加工后所殘留的微小峰谷不平整程度。由于輪廓算術(shù)平均誤差(簡(jiǎn)稱Ra)除了能反映工件表面加工后的微觀幾何形狀特征外，還能體現(xiàn)微觀凸峰高度，并且具有測(cè)量效率高和數(shù)據(jù)處理方便的特征，因此被推薦為優(yōu)先使用[10]。Ra被定義為取樣長(zhǎng)度內(nèi)零件表面輪廓各點(diǎn)到輪廓基線距離絕對(duì)值的平均值，其計(jì)算方法如下：

(1)

其中:n為取樣長(zhǎng)度內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)；yi為輪廓高度。

目前國(guó)標(biāo)根據(jù)不同的表面要求，將表面粗糙度從Ra0.012到Ra100劃分了14個(gè)不同等級(jí)的數(shù)值。分析這些Ra數(shù)值的劃分可知，其基本符合以2為底數(shù)的指數(shù)分布。因此，可將工件表面拋磨前、后的Ra值進(jìn)行以2為底的對(duì)數(shù)變換，并作差以獲取不同工藝參數(shù)對(duì)拋磨后工件表面粗糙度的提升效果。為此，可定義表面粗糙度的提升系數(shù)為：

(2)

其中：Rab和Raa分別為工件表面拋磨前、后的粗糙度測(cè)量值。可見(jiàn)，粗糙度的提升系數(shù)ΔRa每增加1，表面粗糙度Ra就提升了一個(gè)等級(jí)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將兩塊鋼板的4個(gè)面采用如表2所示工藝參數(shù)和320目砂紙進(jìn)行兩次重復(fù)的拋磨之后，利用粗糙度測(cè)量?jī)x在劃分的子區(qū)域相應(yīng)位置(即對(duì)應(yīng)圖3所示測(cè)量區(qū)域)進(jìn)行重復(fù)3次測(cè)量，并取其平均值作為拋磨后工件表面的粗糙度Ra，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 拋磨后4個(gè)表面各子區(qū)域的Ra測(cè)量結(jié)果

為分析不同工藝參數(shù)對(duì)拋磨后工件表面粗糙度的影響，結(jié)合圖3和圖4中各子區(qū)域拋磨前、后的粗糙度Ra值，利用式(2)計(jì)算其對(duì)應(yīng)的表面粗糙度提升系數(shù)ΔRa。工藝參數(shù)與拋磨后工件表面質(zhì)量的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知：ΔRa基本上與接觸力呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，隨著接觸力增大，拋磨后表面粗糙度值下降；隨著旋轉(zhuǎn)速度增大，拋磨后表面粗糙度值下降;進(jìn)給速度與拋磨后表面粗糙度之間呈現(xiàn)了負(fù)相關(guān)的關(guān)系，這意味著加快拋磨過(guò)程中的移動(dòng)速度，雖然會(huì)提升生產(chǎn)效率，但表面質(zhì)量提升效果會(huì)減緩。上述結(jié)果可解釋為：接觸力加大則拋磨盤與工件接觸更緊密，避免了拋磨過(guò)程中產(chǎn)生分離的情況，所以對(duì)拋磨質(zhì)量提升有正向作用；旋轉(zhuǎn)速度加大則意味著拋磨盤在同樣的時(shí)間內(nèi)對(duì)工件表面進(jìn)行了更多次數(shù)的拋磨作業(yè)，故也會(huì)呈現(xiàn)正相關(guān)；而進(jìn)給速度加大，則會(huì)導(dǎo)致工件表面同一個(gè)區(qū)域經(jīng)受拋磨作業(yè)的時(shí)間變短，因此拋磨效果會(huì)減弱。

為明確哪個(gè)工藝參數(shù)對(duì)ΔRa的影響更顯著，對(duì)拋磨后的4個(gè)表面粗糙度進(jìn)行統(tǒng)一分析。先計(jì)算4個(gè)表面中各子區(qū)域表面粗糙度提升系數(shù)的平均值，并按照進(jìn)給速度、旋轉(zhuǎn)速度、接觸力進(jìn)行歸類，最后求各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)4個(gè)表面的粗糙度提升系數(shù)的平均值極差，其結(jié)果如圖6所示。極差是該因子各水平均值最大值和最小值的差，即極差值越大則意味著該工藝參數(shù)對(duì)拋磨后工件表面質(zhì)量的提升效果越顯著。從圖6可知，旋轉(zhuǎn)速度在4個(gè)表面中的平均值極差最大(0.58)，進(jìn)給速度的平均值極差稍小(0.44)，而接觸力的平均值極差為最小(0.35)。由極差分析結(jié)果可知，在接觸力、進(jìn)給速度、旋轉(zhuǎn)速度這3個(gè)工藝參數(shù)中，對(duì)拋磨后工件表面粗糙度Ra值降低的顯著程度從大到小分別是：旋轉(zhuǎn)速度>進(jìn)給速度>接觸力。

l1—進(jìn)給速度5 mm/s、旋轉(zhuǎn)速度3 000 r/min；l2—進(jìn)給速度10 mm/s、旋轉(zhuǎn)速度3 000 r/min；l3—進(jìn)給速度5 mm/s、旋轉(zhuǎn)速度1 000 r/min；l4—進(jìn)給速度10 mm/s、旋轉(zhuǎn)速度1 000 r/min

圖6 不同工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響程度

4 結(jié)束語(yǔ)

本文為探究工藝參數(shù)對(duì)拋磨后表面粗糙度降低的影響程度，構(gòu)建了機(jī)器人拋磨系統(tǒng)，在一系列不同組合參數(shù)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用極差分析法獲得了對(duì)表面粗糙度影響最大的工藝參數(shù)為旋轉(zhuǎn)速度，次之為進(jìn)給速度，最次為接觸力。此結(jié)果可為具體拋磨需求的工藝參數(shù)規(guī)劃提供技術(shù)指導(dǎo)。