CN112157484A

CN112157484A - 一种树脂基复合材料的磨削方法

Info

Publication number: CN112157484A
Application number: CN202010938707.2A
Authority: CN
Inventors: 张小俭; 时强胜; 严思杰; 陈巍; 丁汉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2021-01-01
Anticipated expiration: 2040-09-09
Also published as: CN112157484B

Abstract

本发明属于复合材料磨削加工的技术领域，公开了一种树脂基复合材料的磨削方法，包括以下步骤：(1)将待加工的树脂基复合材料作为工件固定在工作台上；(2)根据工件与磨头的物理参数，以及预先设定的加工工艺参数对应表，确定加工工艺参数；(3)设定加工路径，确定路径参数；(4)开启机器人磨削系统进行加工，利用热成像仪获取磨削过程中产生的温度场分布，并根据温度分布对路径参数进行调整，最后完成加工。本发明通过间歇磨削方式对末端装夹的加工磨头进行路径规划，让加工磨头以间歇磨削方式对树脂基复合材料进行加工，在切割界面处的温度积聚较低，解决了刀具温度过高的问题。

Description

一种树脂基复合材料的磨削方法

技术领域

本发明属于复合材料磨削加工的技术领域，更具体地，一种树脂基复合材料的磨削方法。

背景技术

纤维增强塑料具有高强度、轻重量、抗疲劳性能等优点，广泛应用于航空航天、交通运输、机械、工业等领域。当前树脂基复合材料的主要加工方式有车削与钻削，相对于金属材料，树脂基复合材料本身导热性差，热膨胀系数低，热量无法通过切屑传导，将会积聚在刀具上，从而降低刀具的使用寿命，常常也会导致磨削过程中工件表面烧伤，尺寸精度与表面质量难以得到保证。树脂基复合材料在磨削过程中若使用冷却液进行降温，会导致工件表面吸收膨胀，使得表面质量变差，因此需要采取其他方式进行散热。

CN210879104U公开了一种树脂基复合材料加工用修磨装置，包括底架、转台、XY轴移动架、转动电机、打磨电机、磨砂轮、倒U型架、工作平台、两个升降机构及两个拉线电机，两个拉线电机均水平固定在转台的台面上，所述两个拉线电机通过拉线控制工作平台的倾斜角度。该技术方案使用了两个拉线电机通过拉线控制工作平台的倾斜角度，能够进行多角度打磨，提高了打磨速率，但是该技术方案没有解决刀具加工存在的散热问题。

综上所述，现有技术仍缺少一种能够解决刀具散热问题的树脂基复合材料的磨削方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种树脂基复合材料的磨削方法，运用工业机器人的灵活性，对末端装夹的加工磨头进行路径规划，让加工磨头以间歇磨削方式对树脂基复合材料进行加工，由此解决了刀具散热的技术问题。本发明的详细技术方案如下所述。

一种树脂基复合材料的磨削方法，包括以下步骤：

(1)将待加工的树脂基复合材料作为工件固定在工作台上，建立机器人磨削系统与工件的坐标系，在工件前侧安装热成像仪并调整好镜头角度，利用热成像仪实时监控工件加工位置的温度；

(2)根据工件与磨头的技术参数，以及预先设定的加工工艺参数对应表，确定加工工艺参数；

(3)设定加工路径和路径参数，所述加工路径是加工磨头的磨削轨迹，将加工磨头沿着进给方向在工件表面前进指定的行进长度后，加工磨头脱离工件表面进行圆周运动，圆周运动结束后加工磨头回到工件表面，不断重复形成周期性的磨削轨迹，所述路径参数包括圆周运动的半径以及行进长度；

(4)开启机器人磨削系统进行加工，利用热成像仪获取磨削过程中产生的温度场分布，并根据温度分布对路径参数进行调整，最后完成加工。

作为优选，所述步骤(4)中调整方式为，热成像仪监测的温度升高时，增大圆周运动的半径，并缩小行进长度,具体为温度每升高100-150℃，圆周半径增加Δr，行进长度的缩小Δl，所述Δr为2-10mm，所述Δl为2-8mm。

作为优选，所述Δr为2mm，5mm，10mm中的一种，所述Δl为2mm，4mm，6mm，8mm中的一种。

作为优选，所述圆周运动的半径为5-30mm；所述行进长度为20-60mm。

作为优选，所述步骤(3)中所述加工磨头圆周运动的圈数为1-3圈。

作为优选，所述步骤(2)中加工工艺参数包括磨头转速、加工压力、进给速度，所述磨头转速为15000-25000r/min，所述加工压力为30-80N，所述进给速度为5-30mm/s。

作为优选，加工磨头的材质为钎焊金刚石、棕刚玉、红刚玉、普通金刚砂中的一种。

作为优选，所述步骤(1)中的机器人磨削系统包括工业机器人、六维力矩传感器、电磨机、加工磨头，所述工业机器人与六维力矩传感器固定连接，所述六维力矩传感器通过夹具与电磨机固定连接，所述电磨机的末端装夹有加工磨头。

作为优选，六维力矩传感器通过螺栓与工业机器人末端固定连接。

作为优选，所述工件通过台口虎钳固定安装在工作台上。

本发明的有益效果有：

(1)本发明工业机器人通过间歇磨削方式对末端装夹的加工磨头进行路径规划，是运用工业机器人的灵活性，让磨头以间歇磨削方式对树脂基复合材料进行加工，由于工件与磨头之间的相互作用是间歇性的，因此在切割界面处的温度积聚较低，解决了刀具温度过高的问题；

(2)本发明通过对复合材料的逐步切割，最大程度减小磨削温度对表面质量的影响，解决了切削温度导致砂轮严重磨损和工件表面因为高温而烧伤等问题，提高了工件表面加工质量；

(3)本发明使用热成像仪实时监测磨削过程中产生的温度，并根据磨削温度对路径参数进行调整，进一步解决了工件表面温度过高的温度。

附图说明

图1是本发明机器人磨削系统结构示意图；

图2是本发明工作台结构示意图；

图3是本发明加工过程中磨削轨迹的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：加工磨头1、电磨机2、夹具3、六维力传感器4、工业机器人5、工件6、台口虎钳7、工作台8。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例

本发明机器人磨削系统，如图1所示，包括工业机器人5、六维力矩传感器4、电磨机2、加工磨头1，工业机器人5与六维力矩传感器4通过螺栓固定连接，所述六维力矩传感器通过夹具3与电磨机2固定连接，所述电磨机2的末端装夹有加工磨头1。本发明工作台，如图2所示，包括台口虎钳7、工作台8，工件6通过台口虎钳7固定在工作台8上。

本发明加工过程中磨削轨迹如图3所示，工业机器人带着加工磨头1在工件6的表面加工，从一个周期的起点沿着路径A进行运动，然后回到该周期的起点，再沿着路径B进行运动，直至下一个周期的起点。同理，沿着路径C和路径D进行下一个周期的运动。经过多个周期的循环，可以完成工业机器人对复合材料的间歇磨削加工。

本发明的预先设定的加工工艺参数对应表，是通过一系列的实验获得的。物理参数包括工件的材质和加工磨头的材质，加工工艺参数包括磨头转速、加工压力和进给速度。

首先，在选定了工件的材质和加工磨头的材质后，通过如下方式确定。

第一，确定加工压力。圆周运动的半径设为20mm，行进长度设为20mm，分别使用30N、40N、50N、60N、70N、80N的加工压力，采用相同进给速度、磨头转速，打磨方式均为直线线性打磨，进行多次试验。在完成打磨试验后，使用电子显微镜观测表面粗糙度以及表面组织，建立加工压力数据表。

第二，确定磨头转速。圆周运动的半径设为20mm，行进长度设为20mm，使用15000r/min,17000r/min,19000r/min,21000r/min,23000r/min,25000r/min的磨头转速，采用进给速度、相同加工压力，打磨方式均为直线线性打磨，进行多次试验。在完成打磨试验后，使用电子显微镜观测表面粗糙度以及表面组织，建立磨头转速数据表。

第三，确定进给速度。圆周运动的半径设为20mm，行进长度设为20mm，分别使用5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s、30mm/s的进给速度，采用相同加工压力、磨头转速，打磨方式均为直线线性打磨，进行多次试验。在完成打磨试验后，使用电子显微镜观测表面粗糙度以及表面组织，建立进给速度数据表。

通过第一、第二和第三，能够获得一组工件材质和磨头材质，与磨头转速、加工压力和进给速度的对应数据表。

然后，使用不同磨头，分别使用钎焊金刚石、棕刚玉、红刚玉、普通金刚砂，重复上述实验步骤，建立磨头材质的数据表。

最后，改变工件的材质，重复确定加工压力、磨头转速、进给速度、磨头材质，建立不同工件材质的数据表。

综上所述，经过对实验数据进行分析，可以获得预先设定的加工工艺参数对应表，并且能够根据不同的磨头材质和工件材质，获得加工压力、磨头转速、进给速度的最优加工参数组合，指导具体的磨削加工。

本发明的初始路径参数，在选定了工件的材质和磨头材质后，使用最优加工参数组合，通过打磨过程中的磨削温度与路径参数之间的关系，确定最近的路径参数，具体如下。

使用最优加工参数组合，打磨方式均为直线线性打磨，调整路径参数，设定圆周运动的半径为5mm、10mm、15mm、20mm、30mm，行进长度为20mm、30mm、40mm、50mm、60mm，进行25次组合试验，在完成每次试验后观测表面粗糙度以及表面组织。在打磨过程中实时监控复材表面的温度，记录并计算出磨削温度与路径参数之间的关系。根据磨削温度与路径参数之间的关系，以及表面粗糙度以及表面组织的结果，获取圆周运动的半径和行进长度的最优组合，作为初始路径参数。

一种树脂基复合材料的磨削方法，包括以下步骤：

(1)将待加工的树脂基复合材料作为工件6固定在工作台8上，建立机器人磨削系统与工件6的坐标系，在工件6前侧安装热成像仪并调整好镜头角度，利用热成像仪实时监控工件6加工位置的温度；

(3)根据试验数据，将初始路径参数设定为初始加工路径，包括圆周运动的半径以及行进长度，加工磨头圆周运动的圈数为1圈；

作为优选的实施例，热成像仪监测的温度升高时，增大圆周运动的半径，并缩小行进长度,具体为温度每升高100-150℃，圆周半径增加Δr，行进长度的缩小Δl，所述Δr为2-10mm，所述Δl为2-8mm。优选的，所述Δr为2mm，5mm，10mm中的一种，所述Δl为2mm，4mm，6mm，8mm中的一种。

作为优选的实施例，当增大圆周运动的半径并缩小行进长度温度下降仍不满足要求时，调整加工磨头圆周运动的圈数，由原来的一圈变为2-3圈。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种树脂基复合材料的磨削方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的磨削方法，其特征在于，所述步骤(4)中调整方式为，热成像仪监测的温度升高时，增大圆周运动的半径，并缩小行进长度,具体为温度每升高100-150℃，圆周半径增加Δr，行进长度的缩小Δl，所述Δr为2-10mm，所述Δl为2-8mm。

3.根据权利要求2所述的磨削方法，其特征在于，所述Δr为2mm，5mm，10mm中的一种，所述Δl为2mm，4mm，6mm，8mm中的一种。

4.根据权利要求2所述的磨削方法，其特征在于，所述圆周运动的半径为5-30mm；所述行进长度为20-60mm。

5.根据权利要求2或3或4所述的磨削方法，其特征在于，所述步骤(3)中所述加工磨头圆周运动的圈数为1-3圈。

6.根据权利要求1所述的磨削方法，其特征在于，所述步骤(2)中加工工艺参数包括磨头转速、加工压力和进给速度，所述磨头转速为15000-25000r/min，所述加工压力为30-80N，所述进给速度为5-30mm/s。

7.根据权利要求6所述的磨削方法，其特征在于，加工磨头的材质为钎焊金刚石、棕刚玉、红刚玉、普通金刚砂中的一种。

8.根据权利要求1-7任一项所述的磨削方法，其特征在于，所述步骤(1)中的机器人磨削系统包括工业机器人、六维力矩传感器、电磨机、加工磨头，所述工业机器人与六维力矩传感器固定连接，所述六维力矩传感器通过夹具与电磨机固定连接，所述电磨机的末端装夹有加工磨头。

9.根据权利要求8所述的磨削方法，其特征在于，所述六维力矩传感器通过螺栓与所述工业机器人的末端固定连接。

10.根据权利要求1所述的磨削方法，其特征在于，所述工件通过台口虎钳固定安装在工作台上。