CC BY
50
Оригинальная статья / Original article УДК 621.95.025.7
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-6-39-48
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ОТВЕРСТИЙ МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ В ПОЛИМЕРНОМ КОМПОЗИЦИОННОМ МАТЕРИАЛЕ НА РОБОТОТЕХНИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ
© Н.С. Чащин1, Ю.Н. Иванов2, А.В. Сидорова3, Е.Н. Семенов4, А.А. Стуров5
Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬЮ является исследование технологии обработки отверстий в композиционном материале, армированном углеродным волокном, на робототехническом комплексе с использованием твердосплавного инструмента. МЕТОДЫ. В рамках испытаний была выбрана область значений режимов резания, включающая режимы, рекомендованные производителем инструмента. В процессе обработки контролировались силы резания. По окончании работ измерены диаметры отверстий в трех сечениях и шероховатости. РЕЗУЛЬТАТЫ. Выявлены зависимости сил резания от режимов обработки. Определены основные недостатки сверления отверстий на ро-бототехнических комплексах. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Даны рекомендации по применению технологии обработки отверстий на промышленном роботе.
Ключевые слова: сверление, углепластик, полимерный композиционный материал, промышленный робот, автоматизация, авиационная техника.
Формат цитирования: Чащин Н.С, Иванов Ю.Н., Сидорова А.В., Семенов Е.Н., Стуров А.А. Исследование технологии обработки отверстий малых диаметров в полимерном композиционном материале на робототехническом комплексе // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 6. С. 39-48. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-6-39-48
STUDYING THE TECHNOLOGY OF SMALL DIAMETER HOLE-MAKING IN POLYMER COMPOSITES BY A ROBOTIC SYSTEM
N.S. Chashchin, Yu.N. Ivanov, A.V. Sidorova, E.N. Semenov, A.A. Sturov
Irkutsk National Research Technical University,
83, Lermontov St., 664074, Irkutsk, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the study is to investigate the technology of hole-making in carbon fiber composites used by a robotic system with a carbide tool. METHODS. To perform tests the range of values of the cutting modes has been selected including the modes recommended by the tool manufacturer. Cutting forces were controlled during the machining process. The diameters of holes in three sections and roughness have been measured on the completion of works. RESULTS. The cutting force dependence on the processing regimes have been revealed. The main shortcomings of hole drilling by a robotic system have been determined. CONCLUSION. The recommendations are given on the application of the hole-making technology for an industrial robot.
Keywords: drilling, carbon fiber reinforced plastic (CFRP), polymer composite material, industrial robot, automation, aviation equipment
For citation: Chashin N.S., Ivanov Yu.N, Sidorova A.V., Semenov E.N., Sturov A.A. Studying the technology of small diameter hole-making in polymer composites by a robotic system. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 6, pp. 39-48. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-6-39-48
©
Чащин Николай Сергеевич, аспирант, младший научный сотрудник, e-mail: [email protected] Nikolay S. Chashchin, Postgraduate, Junior Researcher, e-mail: [email protected]
2Иванов Юрий Николаевич, заместитель начальника управления научной деятельностью, e-mail: [email protected]
Yuriy N. Ivanov, Deputy Head of the Department of Scientific Activities, e-mail: [email protected]
3Сидорова Алена Владимировна, магистрант, младший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Alena V. Sidorova, Master's Degree Student, Junior Researcher, e-mail: [email protected]
4Семенов Евгений Николаевич, аспирант, младший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Evgeniy N. Semenov, Postgraduate, Junior Researcher, e-mail: [email protected]
5Стуров Антон Андреевич, магистрант, e-mail: [email protected]
Anton A. Sturov, Master's Degree Student, e-mail: [email protected]
Введение
В настоящие время доля распространения композиционных материалов в авиационной промышленности неуклонно растет. Совместно развиваются методы моделирования процесса механообработки. В работе [1] представлена термомеханическая модель сверления композиционного материала для прогнозирования критических осевых сил и скоростей подачи, которые являются главными факторами, вызывающими расслоение. Разработанная модель эффективно решает поставленные задачи, но не учитывает всех факторов, воздействующих на процесс механообработки и оказывающих значительное влияние на качество отверстий (жесткость си-
стемы, эвакуация стружки, скорость резания). Следовательно, невозможно полностью отказаться от экспериментальных исследований в пользу моделирования, поскольку постоянно увеличиваются требования к качеству и производительности механообработки композиционных материалов.
В сфере обработки крупногабаритных деталей активно внедряются промышленные роботы [2]. Они позволяют значительно увеличить производительность в сравнении с ручной обработкой, а также позволяют осуществлять работы в опасных средах или с опасными для здоровья человека материалами.
Методы формирования отверстий на промышленных роботах
Одним из видов механообработки является формирование отверстий [3].
Для обработки отверстий на робото-технических комплексах существуют следующие основные методы:
1. Обработка с использованием простого шпиндельного узла, обеспечивающего только вращательное движение инструмента (рис. 1). Подача осуществляется
звеньями робота. При таком способе шпиндельный узел имеет минимальные габариты и вес, что способствует работе в труднодоступных местах и допускает использование робота с низкой грузоподъемностью. Но в таком случае точность получаемых отверстий значительно зависит от точности робота, а нагрузки, связанные с процессом резания, приходятся на узлы робота.
Рис. 1. Сверление отверстий Fig. 1. Hole drilling
2. Применение специального шпиндельного узла, обеспечивающего как вращение инструмента, так и его подачу (рис. 2). В таком случае звенья робота выполняют только позиционирование рабочего органа над деталью. Процесс обработки контролируется самим рабочим органом. Таким образом, точность обработки возрастает [4, 5], но нагрузки, связанные с процессом резания, приходятся на узлы робота. Для решения этой задачи используют различные способы крепления шпинделя к изделию.
3. Замена технологии классического сверления на орбитальное (рис. 3). В качестве режущего инструмента используется специальная фреза [6], диаметр которой
составляет 60-80% от диаметра получаемого отверстия. Использование подобной технологии позволяет значительно снизить силы резания в направлении подачи инструмента.
Существующие подходы к технологии формирования отверстий на промышленных роботах могут увеличить производительность сверления отверстий в различных отраслях. Но так как каждая из предлагаемых технологий имеет свои преимущества и недостатки, требуется отработка применимости методов для различных задач. В частности, при обработке отверстий в композиционных материалах, как правило, предъявляются повышенные требования к качеству отверстий.
т
Рис. 2. Робот с блоком автоматической подачи инструмента Fig. 2. Robot with an automatic tool feed
Рис. 3. Робот с шпинделем для орбитального сверления Fig. 3. Robot with a spindle for orbital drilling
Методика исследования
При исследовании технологии обработки отверстий малых диаметров в полимерных композиционных материалах первоначально необходимо выбрать метод обработки отверстий на робототехническом комплексе. Так как процесс формирования отверстия диметром менее 8 мм характеризуется низкими силами резания, то использование специальных шпинделей (метод 2) может привести к удорожанию системы. Необходимо как приобрести сам шпиндель, цена которого превосходит более простые аналоги, так и использовать робот высокой грузоподъемности для осуществления манипуляций со шпинделем, имеющим, в силу своей кинематики, большой вес. Таким образом, повышается себестоимость получаемых отверстий.
Возможности использования шпинделя с орбитальным сверлением (метод 3) для сверления малых диаметров также ограничены. Диаметр режущего инструмента выбирается в размере 60-80% от получаемого отверстия. При таких малых диаметрах уменьшается сопротивление инструмента к отжиму, что приводит к ухудшению качества получаемых отверстий и может способствовать быстрой поломке инструмента.
Метод 1 обработки отверстий явля-
ется предпочтительным для работы с малыми диаметрами. Основной задачей данного экспериментального исследования было определение применимости представленной технологии сверления отверстий на промышленном роботе для получения высокоточных отверстий [7, 8]. Для достижения этой цели проведены испытания, направленные на выявление зависимостей качества [9, 10] получаемых отверстий от режимов резания и контроль возникающих сил резания.
Стенд для отработки технологии представлен на рис. 4.
Пластина из композиционного материала выполнена из углепластика марки IMS 24K/PRISM EP 2400RS и имеет толщину 16 мм.
Сверло CoroDrill 856 (рис. 5) производства компании Sandvik Coromant, цельное твердосплавное с алмазным покрытием N20C [11], позиционируется как инструмент для сверления отверстий высокого качества в композиционных материалах.
Основные параметры инструмента, мм, следующие: Dc - 6,35; dmm - 8; l2 - 91; I4 - 39; 1б - 53.
Рекомендуемые производителем режимы резания для инструмента CoroDrill 856 указаны в табл. 1.
Рис. 4. Схема проведения испытаний: 1 - композит; 2 - сверло; 3 - динамометр; 4 - робот Fig. 4. Scheme of testing: 1 - composite; 2 - drill; 3 - dynamometer; 4 - robot
Рис. 5. Схема инструмента Fig. 5. Tool design
Таблица 1
Рекомендуемые режимы резания
Table 1
Recommended cutting modes
Область применения/ Материал / Скорость резания / Подача /
Application area Material Cutting speed Feed
Углепластик/
Сверление / Drilling Carbon fiber 60-120 м/мин 0,02-0,15 мм/об
reinforced plastic m/min 0.02 - 0.15 mm/rev
(CFRP)
Производитель инструмента также рекомендует использовать минимальную подачу для снижения деламинации на выходе из отверстия, а также уведомляет, что покрытия из алмаза позволяют повышать режимы резания выше указанных диапазонов.
Согласно рекомендациям производителя выбраны следующие режимы для испытаний (табл. 2).
Испытания заключались в последовательной обработке отверстий на разных режимах резания. Для каждой скорости резания, начиная с минимальной, проводилась обработка отверстий на всем диапазоне подач перед тем, как осуществлялось увеличение скорости.
Динамометрический комплекс Kistler предназначен для многокомпонентного измерения сил резания и моментов с использованием пьезоэлектрических датчиков. Силы воздействия на датчики пропорциональны электрическим зарядам.
Промышленный робот KUKA серии QUANTEC KR 210 R2700 extra имеет 6 степеней свободы и оснащен электрическим шпинделем, который осуществляет только вращение инструмента. Дополнительно робот оснащен силомоментным датчиком, который прерывает работу при достижении критических нагрузок.
Основные технические характеристики робота Kistler KUKA KR 210 R2700 extra указаны в табл. 3.
Таблица 2 Table 2
Режимы резания Cutting modes
Параметры / Parameters Диапазон / Range Шаг / Step
Скорость резания, м/мин / Cutting speed, m/min 60-140 20
Подача, мм/об / Feed, mm/rev 0,03-0,06 0,01
Технические характеристики KUKA KR 210 R2700 extra KUKA KR 210 R2700 extra Specifications
Таблица 3 Table 3
Характеристики / Specification Значение / Value
Допустимая нагрузка, кг / Load rating, kg 210
Макс. радиус действия, мм / Max working radius, mm 2700
Точность повторения, мм / Repeatability accuracy, mm (ISO 9283) ±0,06
Масса манипулятора, кг / Manipulator weight, kg 1068
Результаты и их обсуждение
Диаметры отверстий. Точность отверстий в авиастроении является одним из основных параметров, характеризующих их качество. Контроль диаметров осуществлялся с помощью координатно измерительной машины (КИМ) Carl Zeiss CONTURA G2.
График, отражающий зависимость диаметров отверстий от режимов обработки, показан на рис. 6.
График, отражающий зависимость шероховатости отверстий от режимов обработки, показан на рис. 7.
Изучение графиков позволяет сделать вывод: наиболее производительными режимами резания, обеспечивающими минимальное машинное время для испытываемого инструмента в условиях исследования, является скорость резания 140 м/мин и подача в 0,06 мм/об. На этом режиме диаметры отверстий входят в пределы допуска, но шероховатость получаемых отверстий выходит за пределы допуска Ра 6,3. Следовательно, ближайший режим, который удовлетворяет требованиям качества поверхности, является режим резания 120 м/мин и подача в 0,06 мм/об.
Рис. 6. График зависимости диаметров отверстий от режимов обработки Fig. 6. Diagram of hole diameter dependence on machining modes
Рис. 7. График зависимости шероховатости отверстий от режимов обработки. График 80 м/мин
построен по вспомогательной оси Fig. 7. Diagram of hole roughness dependence on machining modes. The graph of 80 m/min
is constructed along the auxiliary axis
При таком режиме получаемые диаметры отверстий находятся в пределах квалитета точности 1Т9 (допуск - 36 микрон) от заявленного производителем диаметра инструмента 6,35 мм и шероховатость поверхности не превышает Ра 6,3.
При использовании других режимов обработки получаемые диаметры находятся в допуске 1Т10 (допуск - 58 микрон), что является достаточно высоким показателем, так как сам промышленный робот имеет погрешность позиционирования ±60 микрон. Это объясняется тем, что в процессе резания сверло самоцентрируется в обработанном отверстии, поэтому воздействие погрешности звеньев робота, имеющее место в процессе подачи инструмента в глубь заготовки, уменьшается.
Силы резания. Актуальность контроля сил резания обусловлена ограничениями, накладываемыми при сверлении отверстий с помощью промышленного робота, когда подача инструмента осуществляется за счет движения звеньев робота. В таком случае большие значения сил реза-
ния могут способствовать отжиму робота от заготовки, что является причиной падения стабильности процесса резания и приводит к снижению качества получаемых отверстий.
Более того, промышленный робот KUKA KR210 R2700 EXTRA, используемый в исследовании, оснащен силомоментным датчиком, который в силу своей конструкции чувствителен к высоким нагрузкам. При фиксации критических нагрузок модуль способен прерывать работу оборудования, но при резких изменениях сил резания существует высокая вероятность необратимого повреждения дорогостоящего модуля.
Для контроля сил резания использовался динамометрический комплекс Kistler.
По окончании испытаний проведены повторные работы на режиме 60 м/мин, 0,03 мм/об для оценки влияния износа на силы резания.
График, отражающий изменение сил резания в зависимости от использованных режимов, показан на рис. 8.
Рис. 8. График зависимости сил резания Fz от режимов обработки Fig. 8. Diagram of cutting forces Fz dependence on machining modes
Анализ результатов измерений позволил сделать вывод о том, что возрастание сил резания в основном связанно с увеличением подачи. Изменение сил резания при увеличении скорости резания в большей степени связано с износом режущего инструмента. В начале испытаний об-
работка при режимах 60 м/мин, 0,03 мм/об привела к появлению действующей силы ре, равной 68 Н. При повторной обработке на этих режимах выявлено, что сила Рг возросла до 90 Н. Это свидетельствует о высоком износе инструмента.
Заключение
Таким образом, использование технологии сверления композиционного материала на промышленном роботе с использованием шпинделя, обеспечивающего только вращение инструмента, показывает оптимальные значения качества получаемых отверстий, но требует оптимизации
режимов резания под конкретный инструмент. В случае с инструментом производства Sandvik CoroDrill 856 определены наиболее производительные режимы, соответствующие скорости резания 120 м/мин и подачи 0,06 мм/об.
Библиографический список
1. Sikiru Oluwarotimi Ismail, Saheed Olalekan Ojo, Hom Nath Dhakal. Thermo-mechanical modelling of FRP cross-ply composite laminates drilling: Delamina-tion damage analysis // Composites Part B. 2017. Vol. 108. P. 45-52.
2. Семенов Е.Н., Беломестных А.С., Сидорова А.В. Исследование частотных характеристик робота KUKA KR210 R2700 Extra // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сборник статей Всероссийской молодежной научно-практической конференции
(г. Иркутск, 11 ноября 2016). Иркутск, 2016. С. 252-257.
3. Сидорова А.В. Исследование обработки ПКМ на РТК, дефект отклонения от круглости // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сборник статей Всероссийской молодежной научно-практической конференции (г. Иркутск, 11 ноября 2016). Иркутск, 2016. С. 258-262.
4. Иванова А.В., Пономарев Б.Б. Исследование точности воспроизведения пространственных кон-
туров промышленными роботами // Наука и образование. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. № 5. С. 5-11.
5. Чапышев А.П., Иванова А.В. Технологические возможности процессов механизированной финишной обработки деталей с применением автоматических стационарных установок // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16. № 1-5. С. 1627-1634.
6. Чащин Н.С., Иванов Ю.Н. Обработка отверстий в смешанных пакетах методом орбитального сверления // Вестник иркутского государственного технического университета 2015. № 11 (106). С. 44-49.
7. Савилов А.В., Пятых А.С., Влияние вибраций на точность и качество поверхности отверстий при сверлении // Вестник иркутского государственного технического университета. 2013. № 12 (83). С. 103-111.
8. Савилов А.В., Пятых А.С. Определение коэффициентов сил резания для моделирования про-
цессов механообработки // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2015. Т. 17. № 2-1. С. 211-216.
9. Савилов А.В., Пятых А.С., Определение коэффициентов сил резания для моделирования процесса сверления // Системы. Методы. Технологии. 2016. № 2 (30). С. 69-73.
10. Савилов А.В., Пятых А.С., Николаев А.Ю., Исследование зажимных патронов для сверления точных отверстий. // Системы. Методы. Технологии. 2016. № 4 (32). С. 70-74.
11. Чащин Н.С., Оценка точности обработки отверстий в углепластике на промышленном роботе KUKA KR210 R2700 Extra // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сборник статей Всероссийской молодежной научно-практической конференции (г. Иркутск, 11 ноября 2016. Иркутск, 2016. С. 308-313.
References
1. Sikiru Oluwarotimi Ismail, Saheed Olalekan Ojo, Hom Nath Dhakal Thermo-mechanical modelling of FRP cross-ply composite laminates drilling: Delamina-tion damage analysis // Composites Part B. 2017, vol. 108, pp. 45-52.
2. Semenov E.N., Belomestnykh A.S., Sidorova A.V. Issledovanie chastotnykh kharakte-ristik robota KUKA KR210 R2700 Extra [Research of frequency characteristics of the robot KUKA KR210 R2700 Extra]. Sbornik statey vserossiyskoy molodezhnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Aviamashinostroenie i transport Sibiri" [Collection of articles of All-Russia Youth scientific and practical conference "Aircraft Engineering and Transport of Siberia"]. Irkutsk, 2016, pp. 252- 257. ( In Russian)
3. Sidorova A.V. Issledovanie obrabotki PKM na RTK, defekt otkloneniya ot kruglosti [Study of PCM processing by RTK, defect of circularity deviation]. Sbornik statey vserossiyskoy molodezhnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Aviamashinostroenie i transport Sibiri" [Collection of articles of All-Russia Youth scientific and practical conference "Aircraft Engineering and Transport of Siberia"]. Irkutsk, 2016, pp. 258-262.
4. Ivanova A.V., Ponomarev B.B. Issledovanie tochnosti vosproizvedeniya prostran-stvennykh konturov promyshlennymi robotami [Study of spatial contour reproduction accuracy by industrial robots]. Nauka i obrazovanie [Science and Education]. Moscow, Moscow Bauman State Technical University N.E. Bau-man Publ. 2014, no. 5, pp. 5-11.
5. Chapyshev A.P., Ivanova A.V. Tekhnologicheskie vozmozhnosti protsessov mekhanizi-rovannoy finishnoy obrabotki detaley s primeneniem avtomaticheskikh statsionarnykh ustanovok [Technological capabilities of processes of mechanized finishing processing of parts with the use of automatic stationary units]. Izvestiya
Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk [Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences]. 2014, vol. 16, no. 1-5, pp. 1627-1634.
6. Chashin N.S., Ivanov Yu.N. Obrabotka otverstiy v smeshannykh paketakh metodom or-bitalnogo sverleni-ya [Orbital drilling of holes in mixed packages]. Vestnik irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universi-teta [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2015, no. 11 (106), pp. 44-49.
7. Savilov A.V., Pyatykh A.S. Vliyanie vibracij na tochnost i kachestvo poverhnosti otverstij pri sverlenii [Vibration effect on accuracy and quality of hole surface under drilling]. Vestnik irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2013, no. 12 (83), pp. 103-111.
8. Savilov A.V., Pyatykh A.S. Opredelenie koehffi-cientov sil rezaniya dlya modelirovaniya processov mekhanoob-rabotki [The identification cutting force coefficients for simulation of the machining]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk [Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences]. 2015, vol. 17, no. 2-1, pp. 211-216.
9. Savilov A.V., Pyatykh A.S. Opredelenie koehffi-cientov sil rezaniya dlya modelirovaniya processa sverleniya [Determination of cutting force coefficients to simulate the drilling process]. Sistemy. Metody. Tekhnologii [Systems. Methods. Technology]. 2016, no. 2 (30), pp. 69-73.
10. Savilov A.V., Pyatykh A.S., Nikolaev A.YU. Issledovanie zazhimnyh patronov dlya sverleniya tochnyh otverstij [Investigation of chucks for drilling precise holes]. Sistemy. Metody. Tekhnologii [Systems. Methods. Technology]. 2016, no. 4 (32), pp. 70-74.
11. Chashin N.S., Otsenka tochnosti obrabotki otverstiy v ugleplastike na promyshlennom robote KUKA KR210 R2700 Extra [Evaluation of hole-making accuracy in carbon fiber on industrial robot KUKA KR210 R2700 Extra]. Sbornik statey vserossiyskoy molodezhnoy
Критерии авторства
Чащин Н.С., Иванов Ю.Н., Сидорова А.В., Семенов Е.Н., Стуров А.А. имеют равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 24.04.2017
nauchno-prakticheskoy konferentsii "Aviamashi-nostroenie i transport Sibiri" [Collection of articles of All-Russia Youth scientific and practical conference "Aircraft Engineering and Transport of Siberia"]. Irkutsk, 2016, pp. 308-313.
Authorship criteria
Chashchin N.S., Ivanov Yu.N, Sidorova A.V., Semenov E.N., Sturov A.A. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 24 April 2017
