一种基于机器人智能磨削的工件表面强化方法与流程

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种基于机器人智能磨削的工件表面强化方法。

背景技术：

随着科学技术水平的不断提高，工业零部件的精度和表面性能要求愈来愈高。磨削加工作为工件生产的最后一道工序，已从精加工逐步扩大到粗加工领域。由于磨削加工所采用的磨具(磨料)具有颗粒细小，硬度高，耐热性好等特点，因而能加工一般金属刀具所不能加工的零件表面，加工过程中同时参与切削运动的颗料数量多，能切除极薄极细的切屑，因面加工精度高，表面粗糙度值小。伴随着磨料磨具和工业自动化的发展，机器人智能磨削加工的应用愈来愈受到重视，机器人智能磨削加工能大幅提高加工效率、降低生产成本，其在工业加工中所占比重也将进一步增大。

现有的材料表面强化技术方法主要有：表面喷丸强化技术、激光表面强化技术、电子束表面强化技术、热扩渗技术、表面淬火、电镀和化学镀等，而这些技术作为独立的工艺过程，不仅耗费大量的人力物力，而且效率也比较低下。磨削加工作为工件生产的最后一道工序，是在成型过程中，达到表面强化效果。目前，国内外针对机器人智能磨削技术研究主要集中在自适应磨削、磨削刀具、磨损机理、路径规划、材料去除率、原位检测等领域，而对材料表面性能的研究不够全面深入。

而传统的多道磨削工艺很难达到理想的效果，从粗砂带逐步过渡到细砂带磨削，最终可以获得理想的表面粗糙度，但是强化层深度与普通的机加工相差无几，不能达到工件表面强化的目的。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种基于机器人智能磨削的工件表面强化方法，旨在解决现有的磨削工艺加工的工件表面无强化层、残余压应力大、粗糙度高等技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于机器人智能磨削的工件表面强化方法，该方法根据工件的材质选择粗砂带和细砂带，先用粗砂带进行粗磨削加工，再换细砂带进行细磨削加工，所述细磨削加工的磨削方向与粗磨削加工的方向垂直。

具体包括以下步骤：

s1设定磨削参数：根据工件的材质和设定尺寸，选取粗磨削加工使用的粗砂带，计算粗磨接触力、粗磨时间、粗磨水冷时间、粗砂带转动速率；选取细磨削加工使用的细砂带，计算细磨接触力、细磨时间、细磨水冷时间、细砂带转动速率。

在对某种材料进行机器人智能磨削加工之前，需要根据材料本身的成分、组织和性能选择合理的磨削参数、以及磨削程序，包括磨削接触力、砂带转动速率和机器人路径。与此同时，选择两种合适的砂带型号。

s2夹持工件：将工件夹持于工业机器人的调节机械臂的夹持装置上，并将粗砂带安装在砂带机上。

根据工件形状，选择合适的夹具类型，将工件夹持在机器人末端夹具上。同时，根据机器人程序，布置好冷却水槽等外围设备。

s3粗磨削加工：启动砂带机和工业机器人，使工件与粗砂带接触并按s1中得到的粗磨接触力、粗磨时间、粗砂带转动速率进行加工，然后操作工业机器人将工件置于冷却槽中水冷至细磨水冷时间。

为了获得较深的残余应力层以及形变组织优化效果，首次磨削选择粗砂带以及大的磨削参数，对工件表面进行粗磨削加工。在保证工件不被损坏的前提下，获得最大的塑性变形层，同时获得热处理的效果。由于磨削参数较大，所以工件表面粗糙度较高。

s4细磨削加工：将细砂带安装在砂带机上，启动砂带机和工业机器人，使工件与粗砂带接触并使所述细磨削加工的磨削方向与粗磨削加工的方向垂直，再按s1中得到的细磨接触力、细磨时间、细砂带转动速率进行加工，最后操作工业机器人将工件置于冷却槽中水冷至细磨水冷时间。

在首次粗磨削的基础上，对工件进行二次细磨削。为了保证工件表面的精度和粗糙度，同时保证强化层深度没有大的变化，二次磨削选择细砂带以及较小的磨削参数。二次磨削的主要目的在于降低工件表面的粗糙度，因此磨削过程的材料去除量非常小。

其中，所述工件的材质为金属材料。所述粗砂带的粒度为36～120目。所述细砂带的粒度为1000～2000目。所述粗砂带转动速率和细砂带转动速率均为11～31m/s。所述粗磨水冷时间和细磨水冷时间均为2～20s。

s1和s3中所述粗磨接触力为89～400kpa。s1和s4中所述粗磨接触力为22～89kpa。

基于机器人智能磨削的工件表面强化方法，包括残余压应力强化和组织强化，组织强化可以很大程度上防止裂纹萌生，残余压应力强化则可以防止裂纹的扩展，有效提高材料的抗疲劳强度，控制好这两个因素，可以有效改善工件的表面性能。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：达到了工件表面控形与控性的统一。在首次粗磨削的基础上，进行二次细磨削，不仅保证了强化层的深度，而且提高了工件的表面质量。使工件表面获得较深的强化层、大的残余压应力、低的粗糙度和形变组织结构优化，实现了机器人智能磨削加工工件表面性能的有效强化。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的实施例和对比例的性能对比曲线；

图3为机器人智能设备的连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

实验材料：gh4169镍基高温合金，磨削试样尺寸300×15×25mm³，编号为1号。采用的机器人智能设备可参见图3，该机器人智能设备包括工业机器人1、控制柜2、工业计算机3、砂带机4、冷却水槽5、力控系统6，所述工业机器人1上设置有调节机械臂，在调节机械臂的端部设置有力控系统6，用于控制与砂带机4上砂带的接触时间和接触力，在力控系统的端部连接有夹持装置，用于夹持工件。所述工业机器人1和砂带机4分别与控制柜2连接，控制柜用于控制二者的机械运动。所述控制柜2与工业计算机3连接，所述工业计算机3用于监控加工过程并设定所述工业机器人1和砂带机4的加工参数并发送给控制柜2。此外，所述冷却槽设置在砂带机附近，用于冷却工件。按以下步骤操作：

s1：设定合理的磨削参数和程序。其中，粗磨削砂带型号80目，接触力178kpa，砂带转动速率31m/s,工艺过程为磨削时间20s，水冷时间3s。细磨削砂带型号2500目，接触力为22kpa，砂带转动速率16m/s,工艺过程为磨削时间10s，水冷时间3s。机器人路径为：夹持工件，运动到砂带机进行磨削，冷却，返回原位；

s2：将工件夹持在机器人末端夹具上，并根据机器人程序摆放好冷却水槽等的位置；

s3：启动砂带机和机器人磨削程序，用80目的粗砂带对工件进行粗磨削加工；

s4：更换2500目的细砂带对工件进行细磨削加工，磨削方向与粗磨方向垂直。

对比例

作为对比，选择材料和尺寸与1号试样相同的样品进行传统的多道磨削加工，编号为2号，磨削设备和条件与上述工艺完全相同。具体磨削步骤如下(如图1所示)：

第一步，设定合理的磨削参数和程序，采用多道磨削的工艺。其中，砂带型号选择为36目、80目、450目、1000目和2500目；

第二步，将工件夹持在机器人末端夹具上，并根据机器人程序摆放好冷却水槽等的位置；

第三步，启动砂带机和机器人磨削程序，用36目的粗砂带对工件进行粗磨削加工，磨削接触力178kpa，砂带转动速率31m/s,磨削时间20s，水冷时间3s；

第四步，更换80目砂带对工件进行磨削加工，磨削削接触力178kpa，砂带转动速率21m/s,磨削时间20s，水冷时间3s，磨削方向与第三步磨削方向垂直；

第五步，更换450目砂带对工件进行磨削加工，磨削接触力89kpa，砂带转动速率21m/s,磨削时间10s，水冷时间3s，磨削方向与第四步磨削方向垂直；

第六步，更换1000目砂带对工件进行磨削加工，磨削接触力44kpa，砂带转动速率21m/s,磨削时间5s，水冷时间3s，磨削方向与第五步磨削方向垂直；

第七步，更换2500目砂带对工件进行磨削加工，磨削接触力22pa，砂带转动速率16m/s,磨削时间5s，水冷时间3s，磨削方向与第六步磨削方向垂直。

利用表面粗糙度仪和x射线应力仪，测试上述磨削的1～2号样品的机器人智能磨削表面粗糙度值和表层残余压应力分布。其中，粗糙度值ra均为0.062um，表层残余压应力分布如图3所示。

图2为两种磨削工艺下工件表层残余应力沿层深的分布曲线。对于磨削方向，试样1和试样2在工件表面的残余应力值基本一致，试样1为-331mpa,试样2为-323mpa；在近表层区别明显，试样1快速降低到无压应力状态，而试样2的压应力值先增大后降低，最大值为-501mpa，应力层深达到450um。对于垂直于磨削的方向，试样1和试样2在工件表面的残余应力值基本一致，试样1为-447mpa,试样2为-428mpa；在近表层区别明显，试样1快速降低到无压应力状态，而试样2的压应力值先增大后降低，最大值为-548mpa，应力层深达到460um。

综上所述，采用基于机器人智能磨削的工件表面强化方法，可以使工件表面获得较深的强化层、大的残余压应力、低的粗糙度和形变组织结构优化，显著提高了工件表面的力学性能，实现了机器人智能磨削加工工件表面性能的有效强化。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。