復合材料蒙皮的打磨工藝技術研究

摘 要：為研究復合材料飛機蒙皮機器人恒力打磨過程中工藝參數對材料去除和表面質量的影響規(guī)律，搭建基于視覺引導的飛機蒙皮機器人恒力打磨系統(tǒng)，通過打磨實驗結合有限元方法進行研究，分析不同打磨參數下的材料損傷機制。結果表明：影響加工表面質量的主要因素是磨粒尺寸，其次是打磨壓力。在一定范圍內，材料去除量跟打磨壓力、磨具轉速成正相關。建立CFRP材料去除模型，確定最優(yōu)參數組合，通過實驗擬合出面向CFRP的材料去除系數，設計實驗對材料去除模型進行驗證，在保證Ralt;0.6 μm的基礎上實現了蒙皮材料的快速均勻去除。

關鍵詞：CFRP；飛機蒙皮；恒力打磨；去除機制

中圖分類號：TH161+.1" 文獻標志碼：B" 文章編號：1671-5276（2024）05-0062-06

Research on Grinding Technology of CFRP Composite Aircraft Skin

Abstract：In order to study the influence of process parameters over material removal and surface quality in the process of robot constant force grinding of composite aircraft skin， a robot constant force grinding system of aircraft skin based on visual guidance was built， and with grinding experiments and by finite element method， the material damage mechanism under different grinding parameters was analyzed. The results show that gain size is the main factor affecting the quality of machined surface， followed by grinding pressure as the secondary factor， and in a certain range， material removal is positively correlated with grinding pressure and grinding speed. Thus， the CFRP material removal model was established， the optimal parameter combination was determined， the CFRP-oriented material removal coefficient was fitted through experiments， the material removal model was verified by design experiments， and the fast and uniform removal of skin materials was realized on the basis of machining roughnesslt;0.6 μm.

Keywords：CFRP；aircraft skin；constant force grinding；removal mechanism

0 引言

CFRP因為優(yōu)良的力學性能更適合作為飛機蒙皮等大尺寸結構的材料［1］。CFRP屬于難加工材料，在加工過程中容易產生加工缺陷等問題。因在飛機蒙皮裝配階段，飛機結構和裝配工藝復雜［2］，裝配過程中變形明顯易產生累積誤差［3］。為了確保裝配滿足要求并保證良好的氣動外形，需要對蒙皮進行修磨。在飛機復合材料結構件的損傷中，蒙皮結構的損傷數量占所有損傷復合材料結構數量的75%［4］，所以對蒙皮修磨后的表面質量都有較高要求。目前對于蒙皮的修磨主要依靠人工打磨。傳統(tǒng)的人工打磨加工結果主要取決于技工的經驗與技術。如果僅僅依靠人工進行修磨［5］，不僅加工精度無法保障，其加工過程的穩(wěn)定性也無法控制，并且修磨效率低，難以保證飛機裝配進度，且加工過程中粉塵污染嚴重，對人體傷害大，而傳統(tǒng)磨床無法對蒙皮等大尺寸［6］工件進行加工。機器人因其控制靈活、工作范圍大等優(yōu)點在打磨行業(yè)被廣泛應用。但是針對飛機蒙皮的機器人打磨工藝，在國內研究較少［7-8］。本文提出并設計了一種使用機器人恒力打磨飛機蒙皮的方法，使用ABAQUS軟件對所搭建的打磨平臺進行仿真，分析了加工參數對材料表面質量和材料損傷的影響。在保證表面質量的前提下（Ralt;0.6μm），通過正交試驗確定最優(yōu)的打磨參數組合。擬合材料去除系數，實現更加精準的材料去除。

1 蒙皮打磨系統(tǒng)搭建

本文設計并搭建了基于視覺引導的飛機蒙皮的機器人恒力打磨系統(tǒng)。該系統(tǒng)由KUKA KR210 R170機器人、CAS-500恒力浮動打磨裝置、三維掃描儀和工作臺組成，如圖1所示。

其中恒力裝置通過控制氣缸內部壓強保持恒定，在裝置浮動范圍內控制氣缸輸出力大小。對掃描儀與機器人進行手眼標定，確定掃描儀坐標系和機器人末端坐標系之間的旋轉和平移關系。

通過三維掃描儀獲取蒙皮表面形貌的點云數據，使用開發(fā)的點云處理算法自動對打磨區(qū)域進行提取，結合本文研究的CFRP材料去除模型規(guī)劃打磨軌跡。通過機器人仿真平臺生成機器人各關節(jié)控制代碼，發(fā)送給機器人控制柜，實現機器人恒力打磨。

2 打磨實驗和仿真分析

2.1 打磨參數對表面質量的影響分析

因飛機蒙皮對打磨后的表面質量有一定要求，所以需要研究恒力打磨過程中的復合材料去除機制和材料損傷機制。

根據實際打磨過程中的加工參數范圍，對打磨壓力、磨具轉速、進給速度和磨具粒度進行單因素打磨實驗。其中打磨壓力Fc取20N、30N、40N，磨具轉速ωr取2 000r/min、3 000r/min、4 000r/min，磨具粒度選取80#、150#、240#，進給速度選取10mm/s、13mm/s、15mm/s。打磨實驗設計如表1所示。其中實驗1、2、3組為磨具粒度的對比實驗，實驗2、4、5組為進給速度的對比實驗，實驗2、6、7組為磨具轉速的對比實驗，實驗2、8、9組為打磨壓力的對比實驗。表2為各組實驗打磨后材料表面粗糙度。

用HIROX RH-2000超景深三維顯微鏡對各組打磨后材料表面進行觀察，其結果如圖2所示?？梢园l(fā)現，磨粒尺寸即磨具粒度的變化對于材料表面質量影響較大，其次是打磨壓力，而進給速度和磨具轉速對于表面質量影響較小。

因為磨具粒度對于表面質量影響較大，對實驗1和實驗3兩組表面粗糙度相差較大的打磨表面進行觀察，結果如圖3所示。

可以觀察到實驗1中碳纖維表面損傷較大、纖維產生較大翹曲，部分纖維根部壓入基體，尾部向上彎曲凸起，導致表面粗糙度較大，纖維走向產生較大變化?；w表面呈現碎屑狀，去除不均勻并且基體出現較大凹坑。使用尺寸較大的磨粒會導致纖維和基體產生較大損傷，并且表面粗糙度也不符合需求。實驗3的加工纖維表面光滑、沒有大面積凹坑。纖維僅從中部斷裂，并未與基體分離，纖維走向一致，表面質量較好。

2.2 有限元建模過程

為研究打磨過程中材料損傷的機制，選取對表面質量影響較大的因素即磨具粒度進行有限元仿真。所以對上節(jié)實驗1和實驗3的打磨過程進行了單磨粒磨削仿真，對復合材料采用跨尺度建模方式，對復合材料的纖維、基體、界面相分別進行三維建模。李娜娜等［9］使用ANSYS對打磨過程進行仿真，研究了應力對表面質量的影響規(guī)律。

本文采用復合材料模型尺寸60μm×40μm×24μm，纖維直徑7μm，纖維含量60%。對纖維和基體使用實體建模，界面相使用ABAQUS內的cohesive單元進行建模。采用線彈性模型來表示纖維的本構模型，單元失效采用最大主應力失效準則。當纖維的最大主應力達到材料的抗拉極限強度或者纖維的最小主應力達到材料的抗壓極限強度時，在ABAQUS中表現為纖維的網格單元無法繼續(xù)受力，隨之失效刪除。

當最大主應力達到基體強度極限時，基體開始損傷，伴隨基體的剛度退化，隨著應變增大，剛度逐漸退化為0，無法繼續(xù)承載，單元刪除。

模型采用六面體單元進行網格劃分，單元類型為C3D8R，有限元區(qū)域劃分示意圖如圖4所示。

2.3 有限元仿真過程

1）實驗1打磨仿真過程

仿真中選用粒度為240#的磨粒，磨粒直徑為50μm。徑向截面的仿真結果如圖5所示。

在磨粒進入材料過程中，當碳纖維沒有裸露在表面的情況下，基體在受磨粒表面正向壓力作用下，發(fā)生常規(guī)彈塑性材料切削過程，即材料受到應力產生應變，其過程遵循胡克定律。應力逐漸增大，材料發(fā)生屈服，產生不可復原的塑性應變，最終達到材料的抗壓極限，材料的剛度下降為0，無法承受載荷，單元失效。由于界面相的厚度很薄，體積很小，讓其失效的斷裂能較小，所以在與界面相相鄰的基體失效前界面相會提前失效。

由于碳纖維材料強度優(yōu)于基體，在基體受擠壓失效刪除前，碳纖維會產生應力集中以及輕微形變。當碳纖維與磨粒之間的基體與界面相失效刪除后，碳纖維直接與磨粒接觸，由于碳纖維的軸向強度較高，而徑向強度低，所以在磨粒沿著徑向擠壓，碳纖維容易產生纖維破碎失效，即纖維依舊連接但是表面受損，如圖5（b）接觸階段1所示。由于界面相性能較低，在加工過程會發(fā)生纖維某段的界面相完全失效，即纖維和基體產生裂紋并脫出，與基體不再連接。隨著其余磨粒繼續(xù)磨削，由于纖維失去基體的包裹直接與磨粒接觸，纖維會發(fā)生斷裂，成為磨屑，被帶出材料。

2）實驗2打磨仿真過程

仿真中選用粒度為80#的磨粒，磨粒直徑為180μm。軸向截面的仿真結果如圖6所示。

與上文材料去除量低的過程類似，軸向磨削過程中，3種結果的損傷也存在相同的順序。首先當纖維或基體受力發(fā)生變形時，界面相會受到纖維和基體的壓縮或拉伸，界面相因為形狀等原因導致其斷裂能低，相較于其余兩種材料，會更早失效；其次是基體失效，因為基體材料彈性模量和強度低于碳纖維，會早于碳纖維發(fā)生破壞。其中基體破壞的原因有兩種：分別是磨粒擠壓基體以及碳纖維擠壓基體；最后是碳纖維損傷破壞。

當基體和界面相失效刪除后磨粒擠壓纖維，碳纖維中軸以上產生拉應力，另一部分產生壓應力。當磨粒繼續(xù)進給，碳纖維所受拉應力達到材料的抗拉極限強度或壓應力達到抗壓極限強度，開始失效，形變進一步增大，纖維斷裂破壞。

此外伴隨著上層纖維的變形，上層纖維與下層纖維之間的基體受擠壓失效，上下層纖維相互擠壓產生損傷，可見當材料去除率高的情況下，材料出現深層損傷，會對加工表面質量產生影響。

2.4 加工表面質量分析

通過2.1節(jié)打磨實驗和2.3節(jié)對部分打磨過程的有限元仿真可以發(fā)現當磨粒較大時，去除形式為纖維變形斷裂，基體擠壓破壞。纖維產生較大彎曲，并且伴隨上層纖維斷裂后擠壓下層，導致材料由于上層擠壓產生凹坑的最終結果。去除量小時，去除形式為纖維碎裂、基體擠壓破壞以及界面相破壞去除等，結果表面質量較好，纖維無明顯變形，僅表面損傷。打磨壓力相同時磨粒尺寸能夠決定磨粒壓入材料深度，而磨粒尺寸較小時，壓力增大，會因磨粒尺寸限制導致磨粒壓入材料深度無法繼續(xù)增加。

通過實驗與仿真結果進行對比，驗證了仿真的準確性，且發(fā)現了磨粒尺寸是影響工件表面質量的主要因素。

要達到打磨后表面粗糙度Ralt;0.6μm，需要選用磨粒尺寸較小的240#砂輪進行打磨，在此基礎上才可以進一步改變其他加工參數以提升材料去除量和加工效率。

3 材料去除模型及實驗驗證

3.1 材料去除模型建立

恒力打磨的材料去除模型的建立主要基于一種需要通過實驗確定具體參數的PRESTON［10］經驗方程，其表示形式為

dH（x，y）=kwvr（x，y）Pc（x，y）dt（1）

式中：kw為材料去除系數；dH（x，y）為單位時間內磨具和工件接觸點（x，y）的材料去除量；vr（x，y）為磨具和工件接觸點（x，y）的相對速度；Pc（x，y）為磨具和工件接觸點（x，y）的壓強。

本系統(tǒng)采用剛性的T型砂輪，其受力時彈性形變可忽略不計，對于CFRP復材蒙皮，由于恒力打磨工藝的磨削力較小，所以本文忽略加工過程中壓力作用導致的局部形變引起的壓強分布不均。即Pc（x，y）在接觸區(qū)域內為固定值，設定打磨壓力為F，則Pc可以表示為

式中A為接觸面積。由于砂輪的進給速度遠小于砂輪線速度，任意位置vr（x，y）可以用下式表示。

將式（2）和式（3）代入式（1），并對接觸區(qū)域和時間進行積分，可以得到接觸區(qū)域D在T時間內材料去除體積V為

將等式兩邊同乘CFRP復合材料蒙皮密度ρ，可以得到接觸區(qū)域D在時間T內材料去除質量ψ為

材料去除質量可以使用電子天平（精度0.001 g）稱重打磨前后工件質量差值求得。由于kw也可以表示為：除相對運動速度、接觸壓強和影響材料去除的一切因素統(tǒng)一表示的比例常數。所以可以把式（5）中常系數歸進kw，整理可得式（6）。

由此可以控制打磨時砂輪轉速ωr和打磨壓力，計算出ωrrFcρT，通過測量打磨前后工件質量擬合出CFRP的材料去除系數。

3.2 去除函數最優(yōu)組合確定

飛機蒙皮對加工表面質量有一定的要求。根據前文仿真和試驗證明影響恒力打磨后表面質量的主要因素是磨具表面的磨粒尺寸大小，所以選用240#較細的砂輪對材料進行打磨。想要在保證加工表面質量的前提下，使材料去除量提高，需要進行正交試驗，探究出磨粒尺寸外其他加工參數對材料去除量的影響作用，確定最佳參數組合。正交試驗方案及結果如表3所示。

通過對材料去除質量的信噪比進行分析，獲得各參數及水平的信噪比如圖7所示。

為使材料去除量最高，所以打磨的最佳參數選擇A2B1C3，即打磨力為40N，砂輪轉速為4 000r/min，進給速度為13mm/s。

3.3 材料去除系數確定

為了建立較為準確的復合材料磨削去除模型，需要求得PRESTON公式中該CFRP材料的材料去除系數，而該系數需要打磨實驗來確定。根據上節(jié)確定的最優(yōu)參數，設計材料去除系數實驗。實驗參數及結果如表4所示，擬合結果如圖8所示。在該實驗條件下kw的值為1.33×10-3。

3.4 實驗驗證

為了驗證材料去除深度模型的準確性和穩(wěn)定性，進行打磨實驗驗證，打磨前后分別用顯微鏡等間距測量樣本點周圍的平均高度，計算多個樣本點打磨前后厚度差，并取平均值，作為一次打磨的實際材料去除深度。

將使用的工藝參數通過材料去除模型計算出材料去除質量，計算出打磨區(qū)域材料深度，作為模型的理論值。

采用砂輪粒度為240#、打磨壓力40N、砂輪轉速4 000r/min、進給速度13mm/s作為工藝參數。該參數下理論去除深度為75.6μm。實驗結果如表5所示。

加工后表面粗糙度Ra=0.5μm，符合對打磨表面質量的要求。去除深度平均值為72.7μm，平均誤差為5.56%，驗證了該模型的有效性。

4 結語

1）通過CFRP恒力打磨實驗發(fā)現打磨表面質量主要受磨粒尺寸影響，其次是打磨轉速。使用復合材料跨尺度建模的方式，對磨粒磨削復合材料的過程進行細觀尺度上的有限元仿真，模擬了磨粒磨削工件材料過程中CFRP各部分材料變形、材料去除和切屑形成等過程。使用與實驗相同參數進行仿真，對打磨實驗得出的結論進行驗證。

2）建立了CFRP材料去除模型，通過正交試驗確定了各工藝參數對材料去除的影響，通過打磨實驗擬合出了材料去除系數，為實際打磨參數選取提供了理論基礎。

3）所設計的機器人恒力打磨系統(tǒng)穩(wěn)定性好，接觸力控制穩(wěn)定，能夠完成材料表面的均勻去除，并獲得較好的表面質量。

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