飛機蒙皮切邊的螺旋銑削方法

董輝躍，朱靈盛，章 明，李少波，羅水均

（1.浙江大學 機械工程學院，浙江省先進制造技術重點研究實驗室，浙江 杭州310027；2.中航成飛民用飛機有限責任公司，四川 成都610073）

蒙皮是構成飛機氣動外形的關鍵零件，它的精度對飛機的飛行穩定性有重要影響.蒙皮切邊是在壁板成形后，將多余的蒙皮切割掉并進行修邊的工藝過程.大型客機對蒙皮切邊精度要求為±0.8 mm［1］.現代飛機制造中蒙皮切邊方式主要有：手工切邊、可重構柔性工裝等，但是手工切邊效率低下，勞動強度大并且精度難以保障；可重構柔性工裝價格昂貴，我國在可重構柔性工裝的研制方面起步較晚，應用并不廣泛［2-3］.

近年來，隨著工業機器人技術的迅速發展及成本的不斷降低，機器人加工系統已經在航空制造領域得到了廣泛應用［4-5］，然而機器人和工件相對較低的機械剛度［6］，使得機器人在蒙皮切邊中的研究及應用很少，其中難度之一是對銑削振動的控制.劉楚輝等［7］提出了一種工業機器人輕切削作業的微機編程原理及其實現方法.Jason等［8］建立了大型塑料零件的機器人銑削加工系統，基于CAM 方式進行加工路徑規劃編程，完成了零件的銑削加工，輪廓精度達到±0.7mm.Matsuoka等［9］指出通過減小銑削力抑制機器人銑削加工過程中刀具與工件之間的銑削振動，可以有效地提高加工表面質量與輪廓精度，延長刀具壽命.

本文以某型飛機壁板裝配項目為背景，構建了工業機器人銑削蒙皮試驗系統，提出了一種螺旋銑削方法.針對螺旋銑削加工參數進行正交試驗研究，建立了周向銑削力和表面粗糙度的經驗模型，并對各加工參數進行極差分析，確定了每公轉進給量是影響加工質量最為顯著的因素.綜合考慮加工質量與效率要求，優選加工參數并進行試驗驗證.試驗表明：基于工業機器人的螺旋銑削方法可有效抑制蒙皮切邊的銑削振動，加工質量高，加工系統性能穩定，實現了高效精確的蒙皮自動化切邊.

1 螺旋銑削原理

如圖1所示，螺旋銑削是一種特殊的銑削加工方式，由3個運動疊加而成，即刀具繞自身軸線的自轉運動，刀具繞公轉中心的公轉運動以及刀具沿刀軌的進給運動.圖中D 為刀具直徑，nz為刀具自轉轉速，ng為刀具公轉轉速，vf為刀具進給速度，ap為軸向銑削深度，e為偏心距（刀具中心O1與公轉中心O 的距離），f 為刀具每公轉進給量，h為相鄰2次公轉造成的加工表面最大殘留高度，R 為銑削半徑.

由圖1可知，以x，y 為坐標軸，則刀具切削刃的軌跡可用式（1）表示：

式中：θ為刀具中心OI繞公轉中心O 的旋轉角度.

圖1 螺旋銑削加工示意圖Fig.1 Orbital milling process

在螺旋銑削加工過程中，刀具自轉轉速nz遠大于公轉轉速ng，刀具每公轉進給量f 較小.根據式（1）由Matlab得出2個公轉周期內銑削軌跡如圖2所示，其中D＝6mm，e＝1mm，f＝0.5mm／r，nz＝6 000r／min，ng＝180r／min.圖中線I為第1個公轉周期的銑削軌跡，線II為第2個公轉周期的銑削軌跡，線III表示半徑為4mm 的圓.由于刀具刀齒在開始切入時具有相同的每公轉進給量f，所以加工表面上殘留的痕跡是以f 為節距的凹凸不平的波形.銑削軌跡包絡線切入部分曲率半徑較大，切出部分曲率半徑較小，因此切入部分的最大殘留高度h小于切出部分的最大殘留高度.當f 較小時，總體上包絡線與圓非常接近，為了計算方便，近似地將一個公轉周期內刀具的銑削軌跡包絡線看作半徑為R 的圓形曲線.由此可得加工表面的最大殘留高度h為

式中：銑削半徑R ＝e＋0.5D.

在螺旋銑削加工過程中，刀具只有側刃參與了銑削加工，工件表面質量即表面粗糙度值的大小與最大殘留高度h有直接關系.在理想狀態下，加工表面銑削痕跡的形狀和大小僅由銑削半徑R 和每公轉進給量f 的大小按幾何關系來確定.在實際試驗中，由于存在銑削振動，一般用表面粗糙度Ra來表征加工表面質量.

從圖1與2可知，當刀具切入工件時，銑削方式為逆銑，每齒銑削厚度逐漸變大；當切出工件時，每齒銑削厚度逐漸變小，刀具進給速度為vf，由于刀具做公轉運動，同時存在沿x 軸負方向的回轉速度vr.vf與vr分別為

圖2 銑削軌跡曲線Fig.2 Curve of milling path

當f 較小時，vr大于vf，即當切出工件時，刀具整體上沿x 軸負方向運動，銑削方式也為逆銑.

刀具切削刃上各點的銑削速度v為

近似地將銑削軌跡視為圓時，每齒進給量ft可用式（6）表示：

式中：N 為刀具齒數.

2 系統構建與試驗

2.1 系統構建

機器人銑削蒙皮試驗系統如圖3所示，主要由工業機器人、螺旋銑執行器、激光跟蹤儀、機器人離線編程及仿真系統、機器人自動控制系統組成.

根據蒙皮切邊要求，首先通過激光跟蹤儀建站測量，得到機器人與工件的坐標系關系并建立仿真模型.再利用DELMIA 軟件對機器人銑削加工進行路徑規劃，提取刀具軌跡離散點位坐標，采用SPLINE指令進行離線編程，生成銑削加工SRC程序.機器人自動控制系統加載SRC 程序對機器人進行運動控制，最終完成機器人銑削蒙皮加工.

圖3 機器人銑削蒙皮試驗系統Fig.3 Experiment system of robot milling skin

2.2 試驗條件

試驗采用的機器人銑削蒙皮試驗系統如圖4所示，主要構成包括KUKA KR360-2機器人、安裝在機器人法蘭上的螺旋銑執行器、刀具、工件及Kistler 9257B測力儀.試驗工件為7050-T7451鋁合金薄板，試驗刀具為整體硬質合金4齒立銑刀，直徑D＝6mm，螺旋角為30°.加工過程中采用油霧潤滑冷卻.

圖4 機器人銑削蒙皮試驗現場Fig.4 Experiment setup for skin milling

2.3 螺旋銑削與圓周銑削的對比

如圖5所示為螺旋銑削與圓周銑削進行溝槽加工的對比.相較于圓周銑削法，螺旋銑削方法將全徑向銑削變為小余量側面銑削，排屑方便.

圖5 螺旋銑削與圓周銑削的對比Fig.5 Comparison of orbital milling and peripheral milling

采用同一刀具分別進行螺旋銑削與圓周銑削加工試驗，刀具均沿x 軸正方向進給運動，進給速度相同.加工過程中利用Kistler 9257B 測力儀測量銑削力大小.x 向銑削力Fx與進給方向相同，y 向銑削力Fy與進給方向垂直，z 向銑削力Fz與刀具軸向相同.如圖6（a）與6（b）所示分別為螺旋銑削與圓周銑削加工的銑削力曲線.其中螺旋銑削加工參數：nz＝5 000 r／min，ng＝210 r／min，f＝0.4mm／r，ft＝0.05mm／z，ap＝3mm.圓周銑削加工參數：nz＝5 000r／min，vf＝0.84mm／s，ap＝3mm.由圖6可知螺旋銑削加工過程中銑削力大小穩定，振動較小；圓周銑削加工中有明顯顫振，從而導致銑削力較大并且不穩定.加工過程中三向力的最大值Fmax與平均值Fav如表1所示.對比圓周銑削加工，螺旋銑削加工中銑削力的最大值降幅較大，其中X 方向的最大值Fx降低了50%，y 方向最大值Fy降低了37%，z方向最大值Fz降低了27%；而銑削力的平均值變化很小，降幅在5%以內.說明螺旋銑削加工可以有效降低銑削力最大值，對銑削力平均值影響很小.

表1 銑削力對比Tab.1 Comparison of milling force

如圖7所示為螺旋銑削與圓周銑削加工表面對比，加工表面利用Dino-lite Digital Microscope超景深顯微鏡觀察.從圖7（a）中可以看出螺旋銑削加工表面切邊無明顯毛刺，沿進給方向分布著以f 為節距的銑削紋理，切出部分比切入部分表面紋理更為明顯，沿刀具軸向加工表面無明顯痕跡，可知切入部分表面質量較好，Fz對加工表面質量影響較小.圖7（b）所示的圓周銑削加工表面質量較差，銑削振動導致加工表面粗糙，切邊毛刺較多.

通過銑削力與加工表面的對比可知，采用圓周銑削法進行溝槽加工時，銑削力大，刀具與工件很容易發生顫振，加工質量較差.而螺旋銑削法的銑削振動小，加工穩定，加工表面質量高，該方法具有明顯的優越性.

圖6 銑削力對比Fig.6 Comparison of milling force

圖7 加工表面對比Fig.7 Comparison of machined surface

2.4 螺旋銑削正交試驗設計

螺旋銑削試驗采用正交試驗方案［10］，設計為四水平五因素，即L16（45）.五因素分別為刀具自轉轉速nz、公轉轉速ng、每公轉進給量f、每齒進給量ft和銑削深度ap.考慮到蒙皮銑削的加工特性及螺旋銑執行器的可加工范圍，確定螺旋銑削各加工參數的因素水平如表2所示.

表2 加工參數及其因素水平Tab.2 Process parameters and their levels

加工表面粗糙、切邊毛刺等是蒙皮切邊常見的加工缺陷，其大小可用于評價蒙皮切邊的加工質量.對于剛性較弱的機器人加工系統，加工過程中銑削力越大，銑削振動越大，銑削振動是導致加工表面粗糙、切邊毛刺等加工缺陷的重要因素.因此，將周向銑削力的最大值Fc及切入部分表面粗糙度Ra作為試驗分析對象.表面粗糙度Ra采用接觸式TR240表面粗糙度儀測量.周向銑削力F 表示為

3 試驗分析與加工參數優選

3.1 周向銑削力與表面粗糙度

通過測量和數據處理獲得正交試驗各組加工參數下的周向銑削力Fc與表面粗糙度Ra，試驗結果如表3所示.根據表3中的加工參數和試驗數據，通過線性回歸分析方法，分別建立螺旋銑削周向銑削力Fc和表面粗糙度Ra的經驗模型為

表3 正交試驗結果Tab.3 Orthogonal test plan and results

根據式（8）和式（9）可確定周向銑削力Fc和表面粗糙度Ra對各加工參數的相對靈敏度［11］，相對靈敏度為各變量的指數，它從整體上綜合反映試驗結果對各加工參數的敏感程度（或變化率），相對靈敏度值越大，說明試驗結果對該加工參數變化越敏感.因此，在螺旋銑削條件下，周向銑削力Fc和表面粗糙度Ra對各加工參數變化的敏感程度從大到小依次為：每公轉進給量f，銑削深度ap，自轉轉速nz，每齒進給量ft和公轉轉速ng.可見每公轉進給量f 的變化對表面粗糙度的影響最為顯著，而在低速或者常規銑削條件下，普遍認為每齒進給量對表面粗糙度的影響最為顯著.

采用三次多項式對正交試驗的周向銑削力Fc與表面粗糙度Ra進行數值擬合，擬合公式及曲線分別如式（10）及圖8 所示，其中擬合度R2＝0.969，對式（10）進行2次求導，計算得到當Fc＝148N 時，R″a＝0.因此，隨著Fc的增大，Ra將逐漸增大，當Fc大小超過148N 后，Ra的增長速度加快.

對正交試驗結果進行極差分析，得到如圖9所示的螺旋銑削加工參數對周向銑削力Fc及表面粗糙度Ra的影響趨勢圖.由圖9可知，加工參數nz、ng、f、ft與ap對Fc與Ra均有顯著的影響，且影響趨勢基本一致.由圖9（a）可知，隨著nz的提高，Fc與Ra逐漸減小，減小趨勢逐漸變緩；由圖9（b）可知，隨著ng的提高，Fc與Ra先減小后增大，變化趨勢較小，ng＝180r／min時Fc與Ra最小；由圖9（c）、圖9（d）及圖9（e）可知，隨著f、ft和ap的增大，Fc與Ra逐漸增大，并呈近似線性變化趨勢.

圖8 表面粗糙度與周向銑削力的關系Fig.8 Correlation of surface roughness and circumferential milling force

3.2 加工參數優選

圖9 加工參數對周向銑削力與表面粗糙度的影響Fig.9 Impacts of parameters on circumferential milling force and surface roughness

螺旋銑削試驗結果表明，周向銑削力Fc越大，導致表面粗糙度Ra變大.因此，要抑制或減少加工表面粗糙、切邊毛刺等加工缺陷，就必須要控制周向銑削力的大小.根據螺旋銑削加工參數對周向銑削力的影響規律，對于厚度一定的工件，螺旋銑削加工參數為nz＝8 000r／min、ng＝180r／min、f＝0.2mm／r、ft＝0.04mm／z時銑削力相對最小，此時進給速度vf＝36mm／min，加工效率較低.由式（3）可知，決定螺旋銑削加工效率的因素包括公轉速度ng和每公轉進給量f.而f 的變化對Fc與Ra的影響最為顯著，隨著f 的增大，Fc急劇增大，Ra也相應增大，并且會大幅縮短刀具壽命，故選取f＝0.2mm／r.ng對Fc與Ra的影響程度最小，可選取ng＝240r／min；據此優選螺旋銑削加工參數如表4所示，此時蒙皮銑削加工效率達到48mm／min，偏心距e＝0.637mm.

表4 優選加工參數Tab.4 Optimum process parameters

追加優選加工參數下不同銑削深度的螺旋銑削試驗，Ra均在4μm 以內.表5為利用式（8）和（9）計算得到的Fc與Ra的預測值與試驗值的對比，證明了經驗模型的準確性，具有一定的參考意義.

表5 預測值和試驗值的對比Tab.5 Comparison of predicted value and trial value

4 試驗驗證

輪廓精度、表面粗糙度、切邊毛刺、加工效率及大范圍銑削蒙皮的加工穩定性是衡量機器人螺旋銑削蒙皮試驗系統加工性能的幾個重要指標.采用螺旋銑削方法與表4的優選加工參數，設計了輪廓精度試驗與飛機窗口切邊試驗，對機器人銑削蒙皮系統加工性能進行驗證.

4.1 輪廓精度試驗

輪廓精度由刀軌精度與加工質量決定.刀軌是由離散點位樣條擬合而成的曲線，因此離散點位的間距d 對刀軌精度有直接影響，若間距過大，擬合的刀軌精度相應較差，將難以滿足輪廓精度要求.本文采用的離線編程方法可以快速獲取所有點位坐標并能夠批量修改程序，當間距d 較小時，較多的點位坐標數量對離線編程的效率影響很小.試驗取離散間距d＝1mm.

輪廓精度試驗中工件厚度為3 mm，即ap＝3 mm.如圖10（a）所示為加工完成的4 個理論半徑Rthe＝30 mm 的圓孔，刀具銑削半徑R＝3.637 mm，因此規劃的刀軌為半徑等于26.363 mm 的圓.圖10（b）為第1個圓孔的銑削表面效果圖，4個圓孔的加工質量一致，銑削表面光滑，表面粗糙度Ra均在4μm 以內，切邊無毛刺（圖10（c））.圖10（d）為第1個圓孔測量點輪廓擬合得到的圖.利用三坐標測量機對4個圓孔進行測量，結果如表6所示，其中Rmea為圓孔測量半徑，Rfit為圓孔擬合半徑，ER為半徑誤差，Emax為測量點的切邊輪廓最大誤差.由表6 可知，輪廓精度均在±0.15 mm 以內，證明離散間距d 為1mm 時，采用優選加工參數進行螺旋銑削加工，工件的輪廓精度、表面粗糙度及切邊毛刺完全滿足蒙皮切邊精度要求.

表6 輪廓精度Tab.6 Contour accuracy

4.2 窗口切邊試驗

為了驗證機器人大范圍銑削蒙皮的加工穩定性，設計了空客A321飛機窗口切邊試驗.如圖11（a）所示蒙皮固定在工裝上，蒙皮形狀為圓柱型，厚度為3mm，曲率半徑為1 976mm，規劃的刀軌長度為1 050 mm.試驗結果顯示加工表面粗糙度Ra最大值為3.915μm，切邊無毛刺（圖11（c）），加工時間為21.9min.用三坐標測量機測量蒙皮窗口（圖11（b）），將測量獲得的窗口切邊測量點坐標值導入到CATIA 軟件中，得到窗口切邊的擬合曲線（圖11（d）），切邊輪廓最大誤差Emax＝0.145mm.證明采用螺旋銑削方法，機器人大范圍銑削蒙皮具有較好的加工穩定性.

圖10 輪廓精度試驗Fig.10 Experiment for contour accuracy

5 結 論

本文以螺旋銑執行器為加工單元，構建了工業機器人銑削蒙皮試驗系統，提出了一種螺旋銑削方法.針對螺旋銑削加工參數進行正交試驗研究，并對試驗結果進行極差分析，得到以下結論：

（1）建立了螺旋銑削周向銑削力Fc和表面粗糙度Ra的經驗模型，周向銑削力對表面粗糙度有顯著的影響，降低周向銑削力有利于減小表面粗糙度，提高加工質量.

（2）在螺旋銑削條件下，周向銑削力Fc和表面粗糙度Ra對各加工參數變化的敏感程度從大到小依次為：每公轉進給量f，銑削深度ap，自轉轉速nz，每齒進給量ft和公轉轉速ng.

圖11 飛機窗口蒙皮銑削試驗Fig.11 Experiment for milling plane window

（3）采用優選加工參數進行試驗驗證，結果表明：機器人銑削蒙皮試驗系統可有效抑制銑削振動，加工性能穩定，加工效率達48mm／min，輪廓精度達±0.15mm，表面粗糙度Ra在4μm 以內，切邊無毛刺.

（4）為飛機蒙皮切邊提供了一種新的思路和方法，基于工業機器人的螺旋銑削方法可實現高效精確的蒙皮自動化切邊.

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