Механообработка композиционного материала с использованием робототехнического комплекса на базе робота Kuka KR210

Оригинальная статья / Original article УДК 621.95.025.7

DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2019-4-743-750

Механообработка композиционного материала с использованием робототехнического комплекса на базе робота KUKA KR210

© А.А. Стуров, Н.С. Чащин

Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Россия

Резюме: Цель данной работы заключается в повышении качества поверхности и точности отверстий и кромок при механообработке композиционного материала, армированного углеволокном, путем оптимизации режимов резания. В качестве основного обрабатывающего оборудования выбран робототехнический комплекс на основе промышленного робота KUKA KR210 R2700 EXTRA. Объектом исследования является пластина из углепластика марки IMS 24K/PRISM EP 2400RS толщиной 16 мм. Для операции сверления выбрано сверло CoroDrill 856-1-0635-05-А0 диаметром 6,35 мм производства компании Sandvik Coromant. Данный инструмент представляет собой цельное твердосплавное сверло с алмазным покрытием N20C и позиционируется как инструмент для сверления отверстий высокого качества в композиционных материалах. Операция фрезерования осуществлялась с помощью фрезы 67-084 1/4 SC FGR (Aramid) производства компании Onsrud. Инструмент является цельной твердосплавной фрезой без покрытия и позиционируется как инструмент для обработки композиционных материалов. Испытания заключались в определении режимов резания, обеспечивающих максимальную производительность, а также режимов для максимального качества поверхности и точности отверстий и кромок. В рамках испытаний была выбрана область значений режимов резания, включающая режимы, рекомендованные производителем инструмента. По окончанию работ измерены шероховатости отверстий и кромок с помощью контактного профилометра Taylor Hobson Form Talysurf i200. Контроль диаметров отверстий производился с помощью коорди-натно-измерительной машины Carl Zeiss CONTURA G2. Выявлены зависимости параметров получаемых шероховатостей от режимов обработки. Построены графики, отражающие изменения шероховатостей и диаметров от режимов резания. А также графики влияния режимов резания на шероховатость поверхности кромок. Даны рекомендации по применению технологий механобработки композиционного материала на промышленном роботе.

Ключевые слова: сверление, фрезерование, углепластик, полимерный композиционный материал, промышленный робот, автоматизация, авиационная техника

Информация о статье: Дата поступления 20 мая 2019 г.; дата принятия к печати 28 июня 2019 г.; дата онлайн-размещения 31 августа 2019 г.

Для цитирования: Стуров А.А., Чащин Н.С. Механообработка композиционного материала с использованием робототехнического комплекса на базе робота KUKA KR210. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2019;23(4):743-750. DOI: 10.21285/1814-3520-2019-4-743-750

Machining composite material by a robotic complex based on KUKA KR210 robot

Anton A. Sturov, Nikolai S. Chashchin

Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russia

Abstract: The purpose of this work is to improve the quality of surface and accuracy of holes and edges at machining of carbon fiber reinforced composite material by cutting conditions optimization. The robotic complex based on the KUKA KR210 R2700 EXTRA industrial robot was chosen as the main processing equipment. The object of the study is a carbon fiber plate of IMS 24K / PRISM EP 2400RS brand with the thickness of 16 mm. Drilling was performed with a CoroDrill 856-1-0635-05-A0 drill bit made by Sandvik Coromant with the diameter of 6.35 mm. This tool is a solid carbide drill with N20C diamond coating used for drilling high quality holes in composite materials. The milling operation was carried out using a 67-084 1/4 SC FGR milling cutter (Aramid) manufactured by Onsrud. The tool is a coating-free solid carbide cutter used for processing composite materials. The tests included the determination of cutting modes ensuring maximum performance, and the modes for maximum surface quality and accuracy of holes and edges. As part of the tests, the range of values of cutting conditions was chosen. It included the modes recommended by the tool manufacturer. At the end of the works, the roughness of holes and edges was measured using a Taylor Hobson Form Talysurf i200 contact profilometer. Hole diameters were controlled using the Carl Zeiss CONTURA G2 coordinate measuring machine.

0

The dependences of the parameters of obtained roughness on the processing modes have been revealed. The graphs reflecting the variations of roughness and diameters depending on the cutting modes have been plotted as well as the graphs of cutting condition influence on edge surface roughness. Recommendations have been given on the application of composite material machining technologies on an industrial robot.

Keywords: drilling, milling, carbon fiber, polymer composite material, industrial robot, automation, aviation equipment

Information about the article: Received May 20, 2019; accepted for publication June 28, 2019; available online August 31, 2019.

For citation: Sturov A.A., Chashchin N.S. Machining composite material by a robotic complex based on KUKA KR210 robot. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2019;23(4):743-750. (In Russ.) DOI: 10.21285/1814-3520-2019-4-743-750

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящие время доля распространения композиционных материалов в авиационной промышленности неуклонно растет, следовательно, увеличиваются требования к качеству и производительности механообработки таких материалов.

В сфере обработки крупногабаритных деталей активно внедряются промышленные робототехнические комплексы (РТК) [1-14]. Они позволяют заменить человеческий труд в опасных средах или при работе с опасными для здоровья человека материалами, а также значительно увеличить производительность в сравнении с ручной обработкой.

Одними из часто применяемых видов механообработки на РТК является формирование отверстий и фрезерование

кромок [2-5]. Таким образом, целью работы является отработка технологии механообработки композиционного материала на промышленном роботе с использованием в качестве режущего инструмента сверла производства компании Sandvik Coromant и фрезы производства компании ONSRUD.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Основной задачей данного экспериментального исследования было определение применимости технологии фрезерования и сверления отверстий на промышленном роботе для получения качественных поверхностей и высокоточных отверстий [6-9]. Для этой цели проводились испытания, направленные на выявление зависимостей качества получаемых поверхностей от режимов резания.

Рис. 1. Схема проведения испытаний: 1 - промышленный робот Kuka;

2 - режущий инструмент; 3 - композит Fig. 1. Test scheme: 1 - KUKA industrial robot; 2 - cutting tool; 3 - composite

Технические характеристики KUKA KR 210 R2700 extra Specifications of KUKA KR 210 R2700 extra

Таблица 1 Table 1

Характеристики Единица измерения Значение

Допустимая нагрузка кг 210

Макс. радиус действия мм 2700

Точность повторения ISO 9283 мм ±0,06

Масса манипулятора кг 1068

Стенд для отработки технологии представляет собой (рис. 1) три составляющих.

1. Промышленный робот KUKA серии QUANTEC KR 210 R2700 extra. Робот имеет 6 степеней свободы и оснащен электрическим шпинделем, который осуществляет только вращение инструмента. Дополнительно робот оснащен силомомент-ным датчиком, который прерывает работу при достижении критических нагрузок.

Основные технические характеристики робота указаны в табл. 1.

2. Сверло CoroDrill 856-1-0635-05-А0 (рис. 2) производства компании Sandvik Coromant. Представляет собой цельное твердосплавное сверло с алмазным покрытием N20C [6] и позиционируется как инструмент для сверления отверстий высокого качества в композиционных материалах.

Основные параметры инструмента указаны в табл. 2.

1----1

f

'б н

>2

Рис. 2. Схема инструмента Fig. 2. Tool Scheme

Таблица 2 Параметры инструмента

Table 2

Tool parameters

Рекомендуемые производителем режимы резания для инструмента:

1) Ус - 130 м/мин;

2) Рп - 0,05 мм/об.

Для исследования сделана выборка из 15 блоков, для каждого блока была выбрана одна скорость и 3 подачи.

Основные параметры испытаний по сверлению указаны в табл. 3.

Таблица 3 Параметры сверления

Table 3

Drilling parameters_

№ V, м/мин n, об/мин Fn, мм/об Fмин, мм/с

1 190 9500 0,06 0,0095

2 190 9500 0,05 0,008

3 190 9500 0,04 0,0063

4 160 8000 0,06 0,008

5 160 8000 0,05 0,0066

6 160 8000 0,04 0,0053

7 130 6500 0,06 0,0065

8 130 6500 0,05 0,0054

9 130 6500 0,04 0,0043

10 100 5000 0,06 0,005

11 100 5000 0,05 0,004

12 100 5000 0,04 0,0033

13 70 3500 0,06 0,0035

14 70 3500 0,05 0,003

15 70 3500 0,04 0,0023

Фреза 67-084 1/4 SC FGR (ARAMID) (рис. 3) производства компании ONSRUD. Представляет собой цельную твердосплавную фрезу без покрытия и позиционируется как инструмент для обработки

Параметры инструмента Размер, мм

Dc 6,35

dmm 8

l2 91

l4 39

l6 53

композиционных материалов.

Основные параметры инструмента указаны в табл. 4.

Рис. 3. Фреза 67-084 1/4 Fig. 3. Milling cutter 67-084 1/4

Таблица 4 Параметры инструмента

Table 4

Tool parameters

Рекомендуемые производителем режимы резания для инструмента:

1) Vc - 10000 об/мин;

2) fz - черновая 0,03-0,08 мм/зуб; чистовая 0,02-0,04 мм/зуб.

Основные параметры испытаний по сверлению указаны в табл. 5.

Таблица 5 Параметры сверления

Table 5

Drilling parameters

3. Объект исследования - пластина, выполненная из композиционного материала (углепластика марки IMS 24K/PRISM EP 2400RS), толщиной 16 мм.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Обработка отверстий на робо-тотехнических комплексах и точность отверстий. Точность получаемых диаметров в отверстиях является одним из основных параметров в авиастроении, характеризующих качество отверстий. Контроль диаметров осуществлялся с помощью координатно-измерительной машины (КИМ) Carl Zeiss CONTURA G2.

График, отражающий изменение диаметров отверстий в зависимости от использованных режимов резания, показан на рис. 4.

Из рис. 4 видно, что режимами резания, обеспечивающими максимальную производительность, являются скорость резания 130 м/мин и подача 0,06 мм/об. Максимальное качество отверстия соответствует скорость резания 70 м/мин и подача 0,06 мм/об.

Не все использованные режимы способствуют формированию диаметров отверстий в пределах квалитета точности IT9 (допуск 36 мкм) от заявленного производителем диаметра инструмента 6,35 мм. При использовании режимов обработки на скорости 130 м/мин получаемые диаметры находятся в допуске IT9, но приближаются к его верхней границе, что является достаточно высоким показателем, т.к. сам промышленный робот имеет погрешность позиционирования ±60 мкм. Это объясняется тем, что в процессе резания сверло самоцентрируется в обработанном отверстии, поэтому воздействие погрешности звеньев робота уменьшается с увеличением глубины резания.

Шероховатость отверстий. Шероховатость получаемых отверстий также является одним из основных параметров в авиастроении, характеризующих качество отверстий. Контроль шероховатости осуществлялся с помощью профилометра Taylor Hobson Form Talysurf ¡200.

График, отражающий изменение шероховатости отверстий в зависимости от использованных режимов резания, показан на рис. 5.

Параметры инструмента Размер, мм

Диаметр хвостовика (ф) 6,35

Диаметр режущей кромки (О) 6,35

Общая длина (¿) 63,5

Длина режущей кромки 19

№ V, м/мин S, мм/мин

1 150 640

2 170 720

3 190 800

4 150 1024

5 170 1152

6 190 1280

Ш

Рис. 4. График зависимости получаемых диаметров отверстий от режимов резания Fig. 4. Diagram of obtained hole diameter dependence on cutting conditions

Рис. 5. График шероховатости отверстий Fig. 5. Diagram of hole roughness

Из графиков видно, что режимами резания, обеспечивающими максимальную производительность, являются скорость резания 130 м/мин, подача 0,06 мм/об. Максимальное качество соответствует скорости резания 70 м/мин, подаче 0,06 мм/об.

Фрезерование кромок на робо-тотехнических комплексах. Шероховатость поверхности. Актуальность контроля шероховатости при фрезеровании полимерных композиционных материалов (ПКМ) обусловлена ограничениями,

Рис. 6. График шероховатости поверхности Fig. 6. Diagram of surface roughness

накладываемыми самим материалом. Композит представляет собой многослойный материал, поэтому при фрезеровании возможно образование множества недорезанных ворсинок, а впоследствии получается плохое качество поверхности, поэтому специально для обработки композитов разрабатывают инструмент со специальной геометрией.

График, отражающий изменение шероховатости обработанной поверхности в зависимости от использованных режимов резания, показан на рис. 6.

По результатам измерений видно,

что фрезерование композита на всех режимах выходит за допуск шероховатости Ra6.3.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Технология обработки отверстий на робототехнических комплексах позволяет получать отверстия требуемой точности диаметров и качества по шероховатости.

Обработка кромок с использованием фрезы 67-084 1/4 SC FGR (АРАМЮ) не позволяет получить требуемые параметры шероховатости на исследуемых режимах.

Библиографический список

1. Семенов Е.Н., Беломестных А.С., Сидорова А.В. Исследование частотных характеристик робота KUKA KR210 R2700 Extra // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сб. статей Всерос. молодежной науч.-практ. конф. (г. Иркутск, 11 ноября 2016 г.). Иркутск, 2016. С. 252-257.

2. Сидорова А.В. Исследование обработки ПКМ на РТК, дефект отклонения от круглости // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сб. статей Всерос. молодежной науч.-практ. конф. (г. Иркутск, 11 ноября 2016 г.). Иркутск, 2016. С. 258-262.

3. Иванова А.В., Пономарев Б.Б. Исследование точ-

ности воспроизведения пространственных контуров промышленными роботами // Наука и образование. 2014. № 5. С. 5-11.

4. 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.

5. Чащин Н.С., Иванов Ю.Н. Обработка отверстий в смешанных пакетах методом орбитального сверления // Вестник Иркутского государственного техни-

ческого университета. 2015. № 11 (106). С. 44-49.

6. Чащин Н.С., Оценка точности обработки отверстий в углепластике на промышленном роботе KUKA KR210 R2700 Extra // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сб. статей Всерос. молодежной науч.-практ. конф. (г. Иркутск, 11 ноября 2016 г.). Иркутск, 2016. С. 308-313.

7. Dudarev A. The Problem Sensitization Robotic Complex Drilling and Milling of Sandwich Shells of Polymer Composites // 4th International Conference on Applied Innovation in IT. (Koethen, 10 March 2016). Koethen, 2016. C. 15-19.

8. Kishore K.P., Kuppan P., Drilling on fiber reinforced polymer/nanopolymer composite laminates: a review // Journal of Materials Research and Technology. 2018. Vol. 7. Issue 2. Р. 180-189.

9. Qiang Fang, Ze-Min Pan, Bing Han, Shao-Hua Fei, Guan-Hua Xu, Ying-Lin Ke. A Force Sensorless Method for CFRP/Ti Stack Interface Detection during Robotic Orbital Drilling Operations // Mathematical Problems in Engineering. 2015. Р. 11-26.

10. Чапышев А.П., Иванова А.В. Технологические возможности процессов механизированной финишной обработки деталей с применением автоматических стационарных установок // Системы управления жизненным циклом изделий авиационной техни-

ки: актуальные проблемы, исследования, опыт внедрения и перспективы развития: статьи и тезисы докладов IV Междунар. науч.-практ. конф. 2014. (г. Ульяновск, 16-17 октября 2014 г.). Ульяновск, 2014. С. 347-348.

11. Иванова А.В., Пономарев Б.Б. Исследование точности воспроизведения пространственных контуров промышленными роботами // Наука и образование. 2014. № 5. С. 1-11.

12. Чапышев А.П., Иванова А.В., Крючкин А.В. Технологические возможности процессов механизированной финишной обработки деталей // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15. № 6-2. С. 533-537.

13. Бакшеева Е.Н., Беломестных А.С. Исследование шероховатости деталей после обработки на робото-техническом комплексе // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сб. статей IX Всерос. науч.-практ. конф. (г. Иркутск, 12-15 апреля 2017 г.). Иркутск, 2017. С. 124-128.

14. Semyonov E.N., Sidorova A.V., Pashkov A.E., Be-lomestnykh A.S., Accuracy Assessment of Kuka KR210 R2700 Extra Industrial Robot // International Journal of Engineering & Technology. 2016. Vol. 16. No. 1. P. 19-25.

References

1. Semenov E.N., Belomestnykh A.S., Sidorova A.V. Issledovanie chastotnykh kharakte-ristik robota KUKA KR210 R2700 Extra [Research of robot KUKA KR210 R2700 Extra frequency characteristics]. Sbornik statey vserossiyskoy molodezhnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Aviamashinostroenie i transport Sibiri" [Collected works of All-Russian youth scientific and practical conference "Aircraft Engineering and Transport of Siberia", Irkutsk, 11 November 2016]. Irkutsk, 2016, pp. 252-257. (In Russ.).

2. Sidorova A.V. Issledovanie obrabotki PKM na RTK, defekt otkloneniya ot kruglosti [Study of polymer composite materials processing at the Robotics complex, a defect of deviation from roundness]. Sbornik statey vse-rossiyskoy molodezhnoy nauchno-prakticheskoy kon-ferentsii "Aviamashinostroenie i transport Sibiri" [Collected works of All-Russian youth scientific and practical conference "Aircraft Engineering and Transport of Sib e-ria", Irkutsk, 11 November 2016). Irkutsk, 2016, pp. 258-262. (In Russ.).

3. Ivanova A.V., Ponomarev B.B. Study fidelity spatial contours of industrial robots. Nauka i obrazovanie [Science and Education], 2014, no. 5, pp. 5-11. (In Russ.).

4. Chapyshev A.P., Ivanova A.V. Technological capabilities of processes of mechanized finishing processing of parts using automatic stationary units. Izvestiya Samar-skogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk [Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2014, vol. 16, no. 1-5, pp. 1627-1634. (In Russ.).

5. Chashin N.S., Ivanov Yu.N. Orbital drilling of holes in

mixed packages. Vestnik irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Proceedings of Irkutsk State Technical University], 2015, no. 11 (106), pp. 4449. (In Russ.).

6. Chashin N.S. Otsenka tochnosti obrabotki otverstiy v ugleplastike na promyshlen-nom robote KUKA KR210 R2700 Extra [Evaluating hole machining accuracy in carbon plastic by the industrial robot KUKA KR210 R2700 Extra]. Sbornik statey vserossiyskoy molodezh-noy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Aviamashinostroenie i transport Sibiri" [Collected works of All-Russian youth scientific and practical conference "Aircraft Engineering and Transport of Siberia", Irkutsk, 11 November 2016]. Irkutsk, 2016, 308-313. (In Russ.).

7. Dudarev A., The Problem Sensitization Robotic Complex Drilling and Milling of Sandwich Shells of Polymer Composites // 4th International Conference on Applied Innovation in IT (Koethen, 10 March 2016). Koethen, 2016, pp. 15-19.

8. Kishore K.P., Kuppan P., Drilling on fiber reinforced polymer/nanopolymer composite laminates: a review // Journal of Materials Research and Technology, 2018, vol. 7, issue 2, pp. 180-189.

9. Qiang Fang, Ze-Min Pan, Bing Han, Shao-Hua Fei, Guan-Hua Xu, Ying-Lin Ke. A Force Sensorless Method for CFRP/Ti Stack Interface Detection during Robotic Orbital Drilling Operations // Mathematical Problems in Engineering, 2015, pp. 11-26.

10. Chapyshev A.P., Ivanova A.V. Tekhnologicheskie vozmozhnosti processov mekhanizirovannoj finishnoj obrabotki detalej s primeneniem avtomaticheskih

stacionarnyh ustanovok [Technological capabilities of mechanized finishing of parts using automatic stationary units]. Stat'i i tezisy dokladov IV Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. 2014. "Sistemy up-ravleniya zhiznennym ciklom izdelij aviacionnoj tekhniki: aktual'nye problemy, issledovaniya, opyt vnedreniya i perspektivy razvitiya" [ Articles and abstracts of IV International scientific and practical conference "Life Cycle Management Systems for Aviation Engineering Products: Actual Problems, Research, Implementation Experience and Development Prospects", Ulyanovsk, 16-17 October 2014]. Ulyanovsk, 2014, рр. 347-348. (In Russ.).

11. Ivanova A.V., Ponomarev B.B. Study fidelity spatial contours of industrial robots. Nauka i obrazovanie [Science and Education], 2014, no. 5, рр. 1-11. (In Russ.).

12. Chapyshev A.P., Ivanova A.V., Kryuchkin A.V. Technological capabilities of the processes of mechanized finishing of parts. Izvestiya Samarskogo nauch-

Критерии авторства

Стуров А.А., Чащин Н.С. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Стуров Антон Андреевич,

аспирант,

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия; Н e-mail: hero124@yandex.ru

Чащин Николай Сергеевич,

аспирант,

младший научный сотрудник кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия; e-mail: rufle54007@mail.ru

nogo centra Rossijskoj akademii nauk [Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2013, vol. 15, no. 6-2, pp. 533-537. (In Russ.).

13. Baksheeva E.N., Belomestnyh A.S. Issledovanie sherohovatosti detalej posle obrabotki na roboto-tekhnicheskom komplekse [Study of part roughness after processing on a robotic complex]. Sbornik statej IX Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii "Aviamashinostroenie i transport Sibiri" [Collected works of IX All-Russian scientific and practical conference "Aircraft Engineering and Transport of Siberia", Irkutsk, 12-15 April 2017]. Irkutsk, 2017, pp. 124-128. (In Russ.).

14. Semyonov E.N., Sidorova A.V., Pashkov A.E., Be-lomestnykh A.S., Accuracy Assessment of Kuka KR210 R2700 Extra Industrial Robot // International Journal of Engineering & Technology, 2016, vol. 16, no. 1, pp. 19-25.

Authorship criteria

Sturov A.A., Chashchin N.S. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results 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.

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Anton A. Sturov,

Postgraduate student,

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russia; H e-mail: hero124@yandex.ru

Nikolai S. Chashchin,

Postgraduate student,

Junior Researcher of Department of Mechanical Engineering Production Technologies and Equipment, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russia; e-mail: rufle54007@mail.ru