田鳳杰，車長林，李孝輝，李 論

（1. 沈陽理工大學(xué)，沈陽 110159；2. 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110016）

民用飛機蒙皮一般厚度為2～ 4 mm，常采用鋁合金或鋁鋰合金材料[1]。鋁合金在運輸和貯藏過程中通常會發(fā)生氧化反應(yīng)，一般采用在鋁合金板材表面包一層厚度約為65～75 μm 純鋁 （通常稱包鋁）。包鋁與空氣中氧氣反應(yīng)在表面生成一層致密氧化膜，對里面的鋁合金有耐腐蝕和抗氧化的保護(hù)作用，但其質(zhì)軟、機械強度低[2]。飛機蒙皮在使用中需要實現(xiàn)包鋁的部分去除，以保證飛機蒙皮的使用性能，再涂覆性能良好的環(huán)氧樹脂底漆，中涂聚氨酯漆、聚氨酯面漆最終達(dá)到保護(hù)和優(yōu)良裝飾性的目的[3]。為了使底漆涂層更好地附著于蒙皮表面層上，對于噴涂前包鋁的厚度和表面粗糙度有嚴(yán)格的要求，因此需要實現(xiàn)噴涂前的蒙皮包鋁微量去除。

隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)外研究人員相繼開展了對飛機零部件機器人磨拋技術(shù)的相關(guān)研究，但針對飛機蒙皮包鋁的磨拋工藝研究極少[4]。高度機械化的尖端航空工業(yè)中，飛機蒙皮包鋁目前還主要靠人工磨拋，加工過程很難保證材料去除的一致性和穩(wěn)定性，去除量難以控制，且工作環(huán)境差，工作效率低，急需較成熟的裝備和工藝手段代替手工磨拋[5–6]。而機床磨拋加工范圍有限，且飛機蒙皮尺寸較大，加工空間不足，若生產(chǎn)專用機床成本價格昂貴。針對以上問題，本文進(jìn)行了機器人磨拋微量去除民用飛機蒙皮包鋁的工藝研究，并通過ABAQUS 軟件進(jìn)行仿真模擬，分析比較各工藝參數(shù)對去除量的影響。利用搭建的機器人磨拋加工系統(tǒng)平臺，采用單因素試驗，研究主要磨拋工藝參數(shù)對去除量的影響規(guī)律，通過正交試驗優(yōu)化工藝參數(shù)，實現(xiàn)了飛機蒙皮包鋁的微量去除磨拋加工。

1 機器人磨拋微量去除系統(tǒng)平臺搭建

機器人磨拋系統(tǒng)平臺主要由庫卡機器人、控制柜、配電柜、ACF 恒力執(zhí)行器、計算機、偏心振動磨拋機和工作臺等組成，平臺裝備如圖1所示。磨拋工具選用費斯托氣動圓形偏心振動磨機 （磨拋盤直徑150 mm），通過夾具連接到ACF 恒力執(zhí)行器，恒力執(zhí)行器通過法蘭盤安裝到機器人末端執(zhí)行器，植絨砂紙和磨拋盤之間通過海綿軟墊進(jìn)行振動緩沖，如圖2所示。恒力執(zhí)行器是基于氣動原理的接觸力調(diào)整補償裝置，該裝置將氣動執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、采樣控制電路和機械結(jié)構(gòu)幾部分高度集成，時刻測量、調(diào)整補償、反饋位置信息和實際接觸力大小，使磨拋接觸力大小保持一致，實現(xiàn)恒力加工。試驗材料為2024–3鋁合金蒙皮，尺寸300 mm×300 mm×3 mm。測量儀器為Axio Vert A1 金相顯微鏡。

圖1 機器人磨拋系統(tǒng)平臺Fig.1 Robot grinding and polishing system platform

圖2 磨拋工具三維圖及實物圖Fig.2 3D drawing and structure of grinding tool

2 磨拋去除模型建立與仿真分析

2.1 去除深度模型建立

磨拋過程可以被描述為材料去除量變化與時間變化量之間的線性關(guān)系。目前，對于彈性磨拋材料去除模型Preston 經(jīng)驗公式應(yīng)用廣泛，其標(biāo)準(zhǔn)方程式為[7]

式中，dt為磨拋的駐留時間；dh為dt單位時間內(nèi)材料去除深度；kp是修正系數(shù)，與工件材料、磨料類型、磨拋因素、機器人因素等相關(guān)；p為磨拋接觸的壓強；vm為工件與磨拋盤相對線速度。

上述Preston 經(jīng)驗公式適用于定點駐留磨拋材料去除。本試驗采用的是移動式磨拋加工，因此需要對式（1）變形修正。設(shè)在dt這段時間內(nèi)，磨拋工具沿著運動軌跡方向走過的長度為dl，則有

式中，vf為磨拋工具的進(jìn)給速度。將式（2）帶入式（1）中可得

海綿軟墊的材質(zhì)為彈性體，其彈性模量及硬度遠(yuǎn)小于被磨拋工件材料。磨拋時磨拋盤與工件垂直接觸，海綿軟墊在法向磨拋力的作用下與工件接觸產(chǎn)生彈性變形，砂紙磨拋區(qū)域形成近似為圓形的接觸區(qū)，材料去除便發(fā)生在此區(qū)域內(nèi)，接觸面間壓力服從圓形赫茲分布[8]，如圖3所示。設(shè)接觸區(qū)域的半徑為R，接觸區(qū)域可以表示為

圖3 磨拋接觸區(qū)形狀Fig.3 Shape of grinding contact area

式中，F(xiàn)n為磨拋壓力；E*為相對彈性模量。

式中，E1、E2分別為海綿軟墊、工件的彈性模量；μ1、μ2為海綿軟墊、工件的泊松比。由壓強公式

式中，S表示接觸面積。則

材料去除過程是每個微元處所產(chǎn)生的材料去除量的總和，以圓形區(qū)域內(nèi)的任一點作為對象研究其材料去除量[9]。在接觸區(qū)域處，工件與磨拋盤間相對速度vm與磨拋盤的進(jìn)給速度vf、磨拋盤的轉(zhuǎn)速n相關(guān)。在磨拋過程中，由于轉(zhuǎn)速n>>vf，則任意一點的相對線速度vm可近似表示為

式中，d=5 mm，為偏心振動直徑。

磨拋盤的進(jìn)給運動相當(dāng)于接觸區(qū)域a′（r，y）點向b′（–r，y）點運動的過程。該接觸區(qū)域內(nèi)Q微元上的材料去除量可以表示為

最終去除深度函數(shù)為

由式 （11）可知，材料去除量與kp、n、vf和Fn有關(guān)。因此可將磨拋盤轉(zhuǎn)速n、磨拋盤進(jìn)給速度vf、磨拋壓力Fn和磨料粒度作為磨拋微量去除的主要磨拋用量參數(shù)。

2.2 磨拋去除仿真和試驗驗證

通過仿真分析與試驗驗證來確定合理的磨拋去除的工藝參數(shù)范圍。機器人磨拋使用的砂紙屬于涂附磨具，其磨削性能由磨具各個部分共同決定，材料去除過程是多顆磨粒共同作用產(chǎn)生的效果。建立模型中，簡化工件尺寸為10 mm×10 mm×0.5 mm，磨拋盤為φ4×0.5 mm，錐形磨粒大小根據(jù)不同粒度號砂紙計算得出，三維模型導(dǎo)出為.igs 格式。磨拋工具選用含陶瓷氧化鋁磨料的砂紙，磨料和工件的力學(xué)性能如表1所示，并定義了工件材料屬性，Johnson–Cook 本構(gòu)模型參數(shù)如表2所示（其中，a、b、c、N、M分別為初始屈服強度、材料應(yīng)變強化參數(shù)、材料應(yīng)變率強化系數(shù)、初始強度指數(shù)及材料斷裂強度指數(shù)；Tr、Tm分別為室溫和材料的熔化溫度）。工件采用固定約束；磨粒自右向左勻速移動，移動速度即為實際磨削速度；磨粒與工件采用Face to face 顯式接觸定義接觸對，切向和法向的接觸形式分別采用罰函數(shù)接觸和硬接觸；摩擦系數(shù)為0.2；分析步類型為動力、溫度–位移、顯式。應(yīng)用ABAQUS 進(jìn)行仿真時，網(wǎng)格的數(shù)量決定了仿真精度，并設(shè)定了合理的步長，模擬了仿真結(jié)果。應(yīng)用仿真軟件ABAQUS 建立多顆磨粒隨機分布的磨拋微量去除的仿真模型[10]，如圖4所示。根據(jù)仿真結(jié)果，在不同接觸區(qū)域選取工件表面高度值，對各表面進(jìn)行去除深度計算，并且以飛機蒙皮包鋁作為加工對象進(jìn)行磨拋微量去除工藝試驗，規(guī)劃多組單因素試驗研究各工藝參數(shù)對材料去除深度的影響，繪制仿真和試驗去除深度變化趨勢圖。

圖4 多磨粒磨拋過程仿真圖Fig.4 Simulation diagram of multi-abrasive grinding process

表1 磨料和工件的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of abrasive and workpiece

表2 Johnson–Cook 本構(gòu)模型參數(shù)Table 2 Johnson–Cook constitutive model parameters

2.2.1 磨拋壓力對去除深度的影響

使用P80的砂紙，工具進(jìn)給速度13 mm/s，工具轉(zhuǎn)速10000 r/min，磨拋壓力為3～20 N。仿真和試驗驗證結(jié)果如圖5所示。

圖5 磨拋壓力對去除深度的影響Fig.5 Effect of grinding pressure on removal depth

隨著磨拋壓力的增加，其材料去除深度呈遞增的趨勢，工件表面去除最大深度差值約為7.9 μm。由于隨著磨拋壓力的增大，磨拋區(qū)域單位面積所受力增大，工件表面材料去除深度也隨之增加，材料去除效果較為明顯，說明磨拋壓力對于磨拋去除深度的影響較大。

2.2.2 進(jìn)給速度對去除深度的影響

使用P80 的砂紙、工具進(jìn)給速度5～25 mm/s、工具轉(zhuǎn)速10000 r/min、磨拋壓力10 N。磨拋仿真和試驗驗證結(jié)果如圖6所示。

圖6 進(jìn)給速度對去除深度的影響Fig.6 Effect of feed speed on removal depth

隨著磨拋盤進(jìn)給速度的增大，材料去除深度呈下降的趨勢，工件表面去除最大深度差值約為6.7 μm。由于進(jìn)給速度的增大，磨拋盤在單位長度上的磨拋次數(shù)減少，使得切削作用減弱，滑擦、耕犁作用增強，去除能力下降。

2.2.3 磨料粒度對去除深度的影響

使用P80～P320的砂紙、工具進(jìn)給速度13 mm/s、工具轉(zhuǎn)速10000 r/min、磨拋壓力10 N。磨拋仿真和試驗驗證結(jié)果如圖7所示。

圖7 磨料粒度對去除深度的影響Fig.7 Effect of abrasive particle size on removal depth

隨著磨料粒度的增加，材料去除深度呈下降的趨勢，工件表面去除最大深度差值約為4.2 μm。磨料粒度較小的砂紙相比粒度大的，在單位接觸面積上的磨粒較少，所承受的平均壓強較大，處于切削階段的磨粒數(shù)目較多，故材料去除量高于磨料粒度較大的砂紙。

2.2.4 工具轉(zhuǎn)速對去除深度的影響

使用P80 的砂紙，工具進(jìn)給速度13 mm/s，工具轉(zhuǎn)速7000～10000 r/min，磨拋壓力為10 N。磨拋仿真和試驗驗證結(jié)果如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)速對去除深度的影響Fig.8 Effect of rotating speed on removal depth

隨著磨拋轉(zhuǎn)速的增大，材料去除深度也隨之增大，工件表面去除最大深度差值約為4.3 μm。因為隨著磨拋轉(zhuǎn)速的增大，單位時間參與磨拋的磨粒數(shù)目增加，去除量隨之增多，因此磨拋去除深度隨之變大。

試驗驗證結(jié)果如表3所示。根據(jù)上述的仿真與試驗驗證，分析了各工藝參數(shù)對材料去除深度的最大差值，得到了各工藝參數(shù)對材料去除深度影響從大到小依次為：磨拋壓力>進(jìn)給速度>工具轉(zhuǎn)速>磨料粒度。運用ABAQUS 軟件對磨拋去除深度模型進(jìn)行了模擬仿真，分析了工藝參數(shù)對工件材料去除深度的影響規(guī)律，并進(jìn)行單因素試驗驗證了理論分析的正確性，發(fā)現(xiàn)試驗結(jié)果與通過仿真模擬得到的影響規(guī)律大致相同。以上結(jié)果證明所建立的磨拋去除深度函數(shù)模型是可靠的。

表3 磨拋試驗方案及試驗結(jié)果Table 3 Grinding experimental scheme and results

3 磨拋工藝參數(shù)優(yōu)化

進(jìn)行了機器人磨拋飛機蒙皮包鋁正交試驗，以確定最優(yōu)的磨拋加工參數(shù)組合。通過單因素試驗確定磨拋試驗中4 個主要工藝參數(shù)的變化范圍：磨拋壓力為3～20 N，工具進(jìn)給速度為5～25 mm/s，磨料粒度為P80～P320，工具轉(zhuǎn)速為7000～10000 r/min。采用田口法設(shè)計一個L9（34）的正交試驗，建立因素水平表如表4所示，通過分析試驗數(shù)據(jù)確定系統(tǒng)中所有工藝參數(shù)的最佳組合[11]。

采用表4中的參數(shù)水平進(jìn)行試驗，正交試驗結(jié)果如表5所示。

表4 磨拋因素水平設(shè)計Table 4 Design of grinding factors level

表5 正交試驗結(jié)果Table 5 Orthogonal experimental results

采用方差分析法評估各因素對試驗結(jié)果影響的重要程度，取顯著水平α=0.05，查F分布表可得臨界值Fα=3.46。去除深度方差分析結(jié)果如表6所示。通過極差分析可以看出，試驗中對材料去除率影響從大到小依次為：磨拋壓力>進(jìn)給速度>工具轉(zhuǎn)速>磨料粒度。即磨拋壓力對去除深度有顯著的影響，進(jìn)給速度對去除深度的影響要大于工具轉(zhuǎn)速，磨料粒度影響較小。正交試驗與單因素試驗中得出的結(jié)論是相同的，證明了單因素試驗結(jié)果的正確性。材料去除厚度的均值與各因素關(guān)系如圖9所示，可以看出，最優(yōu)的磨拋工藝參數(shù)組合為A3B1C1D2，即在磨拋壓力為20 N，進(jìn)給速度為7 mm/s，工具轉(zhuǎn)速為10000 r/min，磨料粒度為P120。

圖9 去除厚度與因素關(guān)系Fig.9 Relationship between removal thickness and factors

表6 去除深度方差分析Table 6 Variance analysis of grinding depth

4 磨拋加工試驗

在磨拋系統(tǒng)平臺上采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行 5 次磨拋加工試驗，磨拋過程如圖10 所示。磨拋前取工件樣本，用金相顯微鏡均勻測量6 個樣本點包鋁的初始厚度后計算均值，如圖11 所示；磨拋后用金相顯微鏡同樣均勻測量6 個樣本點包鋁的剩余厚度，如圖12 所示。將第3 次試驗?zāi)伹昂蟀X厚度記錄并計算繪制成表7。計算磨拋去除深度并取平均值，重復(fù)試驗5 次得到結(jié)果如表8所示?？梢钥闯?，包鋁去除深度的平均變化值在13.2～13.6 μm 之間。在單次磨拋試驗中，磨拋前后飛機蒙皮包鋁厚度平均值由69.1 μm 下降至55.5 μm，極差由最初5.4 μm 下降至4.1 μm，方差由最初3.00 μm2下降至1.89 μm2，提高了表面一致性和穩(wěn)定性（表7）。因此，通過選擇合理的工藝參數(shù)可以控制磨拋微量去除深度的大小，達(dá)到了飛機蒙皮包鋁去除深度均勻可控的工藝要求，實現(xiàn)了機器人磨拋微量去除。

表8 去除深度平均變化值Table 8 Average change value of removal depth μm

圖10 包鋁磨拋過程Fig.10 Aluminum clad grinding process

圖11 磨拋前包鋁厚度Fig.11 Thickness of aluminum clad before grinding

圖12 磨拋后包鋁厚度Fig.12 Thickness of aluminum clad after grinding

表7 單次磨拋前后包鋁厚度Table 7 Aluminum clad thickness before and after grinding μm

5 結(jié)論

（1）基于Preston 經(jīng)驗公式建立了磨拋微量去除函數(shù)模型，通過仿真和單因素試驗驗證了該磨拋微量去除深度函數(shù)模型具有一定的可靠性，為實際的磨拋加工提供了理論依據(jù)。

（2）機器人磨拋加工中飛機蒙皮包鋁微量去除可控性良好，去除量一致性和穩(wěn)定性達(dá)到了工藝要求，可以實現(xiàn)替代人工磨拋加工。

（3）在磨拋過程中，磨拋壓力和進(jìn)給速度為材料去除深度的主要影響參數(shù)，磨拋壓力越大材料去除深度越大；進(jìn)給速度增大材料去除深度降低，而加工效率提高。因此，通過合理選取磨拋工藝參數(shù)可以實現(xiàn)機器人磨拋微量去除的控制，提高加工效率。