葉片數(shù)控噴丸強(qiáng)化路徑設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

萬(wàn)美灣，彭靜文，李衛(wèi)東，萬(wàn)敏，蓋鵬濤

（1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191;2.北京航空制造工程研究所，北京 100024）

噴丸強(qiáng)化技術(shù)是指零件表面在噴丸介質(zhì)（彈丸）高速?zèng)_擊下，使材料表層發(fā)生彈塑性變形的表面處理技術(shù)［1］。經(jīng)過(guò)噴丸強(qiáng)化的零件表面產(chǎn)生殘余擠壓應(yīng)力，能夠有效改善機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度、耐磨性和抗應(yīng)力腐蝕等性能［2—4］。噴丸具有實(shí)施方便、消耗低、效果顯著等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外航空領(lǐng)域得到了廣泛使用［5］。在強(qiáng)化過(guò)程中，噴頭的運(yùn)動(dòng)路徑直接影響到強(qiáng)化零件的表面質(zhì)量與疲勞強(qiáng)度。

WBM（WET BLAST MACHINE）濕噴設(shè)備是一臺(tái)雙噴頭的五軸數(shù)控機(jī)床，是目前最新噴丸強(qiáng)化設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)零部件雙面精確噴丸強(qiáng)化。通過(guò)濕潤(rùn)后的陶瓷丸沖擊零件表面，濕噴能夠保持零件表面潤(rùn)滑，濕噴丸后的表面粗糙度較干噴處理的合金表層位錯(cuò)密度顯著增大［6—7］。陶瓷丸硬度大、不易破碎變形，噴后不易殘留在工件表面，是一種新型噴丸介質(zhì)［8］。引進(jìn)的WBM葉片噴丸機(jī)沒(méi)有配套前、后置軟件，無(wú)法進(jìn)行噴丸路徑的自動(dòng)規(guī)劃和數(shù)控代碼生成。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片由于空間形狀復(fù)雜，通過(guò)人為測(cè)量和記錄噴頭位置的噴丸路徑設(shè)計(jì)方法效率低，難以滿足精確強(qiáng)化的要求。因此本文面向WBM葉片噴丸強(qiáng)化設(shè)備，基于葉片三維數(shù)模，按照葉片強(qiáng)化的基本要求設(shè)計(jì)噴頭加載路徑，通過(guò)設(shè)備機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，建立根據(jù)噴頭坐標(biāo)與噴射方向求解設(shè)備運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算方法，并生成數(shù)控G代碼，以實(shí)現(xiàn)葉片噴丸強(qiáng)化的精確控制，提高加工質(zhì)量和效率。

1 葉片噴丸路徑生成

需要噴丸強(qiáng)化的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片固定在噴丸設(shè)備的平臺(tái)上。葉片的外型結(jié)構(gòu)由葉身、過(guò)渡段、伸根、榫頭等形狀規(guī)整的部分組成。如圖1所示。葉片的葉身厚度較大，剖面彎曲，截面積沿葉高的變化較劇烈。

圖1 葉片表面示意Fig.1 Schematic diagram of the blade surface

由于葉片邊緣尺寸非常小，如果進(jìn)行強(qiáng)化可能會(huì)使邊緣受損，而葉片頂部因裝配原因不需要噴丸強(qiáng)化，因此噴丸強(qiáng)化的主要位置為葉身。葉片噴丸強(qiáng)化路徑的變化要與工件上被噴部位的幾何特征相適應(yīng)，并且要具有高度的完整性和一致性。噴丸強(qiáng)化路徑設(shè)計(jì)包括噴頭的運(yùn)動(dòng)路徑和噴射方向。噴丸的運(yùn)動(dòng)軌跡要求葉片的所有表面被均勻噴到且不重復(fù);噴射方向要求噴射彈丸方向與葉片表面垂直。

1.1 葉片噴丸路徑生成方法

噴丸強(qiáng)化軌跡設(shè)計(jì)采用截面幾何分析方法，通過(guò)指定平面截取葉片型面獲得連續(xù)的有序線段，在截面線上獲得等距節(jié)點(diǎn)與垂直于型面的法線。葉片噴丸強(qiáng)化路徑的生成過(guò)程如下:通過(guò)某初始平面A0進(jìn)行偏移的方法，生成一系列平面{Ai}作為葉片型面的截平面;計(jì)算截平面集合{Ai}與葉片兩側(cè)型面的截線段{Fi}和{Ri};分別計(jì)算葉片兩側(cè)型面截線段{Fi}和{Ri}上的等距節(jié)點(diǎn){PFi}和{PRi};分別計(jì)算節(jié)點(diǎn)集{PFi}和{PRi}上的相應(yīng)葉片型面的法向{VFi}和{VRi};將節(jié)點(diǎn)集{PFi}和{PRi}分別沿法向{VFi}和{VRi}平移一定的距離，作為噴頭的位置{SFi}和{SRi}。

通過(guò)上述步驟，可以通過(guò)葉片的兩側(cè)型面獲得噴頭的運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn){SFi}、{SRi}和噴射方向{VFi}、{VRi}，即可作為噴頭的運(yùn)動(dòng)路徑和方向，如圖2所示。

圖2 葉片噴丸強(qiáng)化路徑設(shè)計(jì)Fig.2 Path planning of blade peening strengthening

1.2 葉片噴丸路徑參數(shù)設(shè)計(jì)

按照葉片噴丸路徑生成方法，可以大致確定葉片噴丸強(qiáng)化的設(shè)計(jì)參數(shù)，由于葉片兩側(cè)的型面不同，由截平面截出的線段也有微小差異，需要進(jìn)行特殊處理。

1.2.1 葉片邊緣處理

由于葉片邊緣通過(guò)小尺寸圓角進(jìn)行連接，在生成型面射線時(shí)，葉片型面上的射線與葉片邊緣的射線會(huì)有較大的角度偏差，如圖3所示。若不對(duì)葉片邊緣進(jìn)行處理，則會(huì)在葉片邊緣處的噴丸路徑產(chǎn)生過(guò)大的角度跳動(dòng)，難以控制噴射強(qiáng)度，并且易使噴頭超出設(shè)備的行程極限。

引入邊緣余量參數(shù)E對(duì)葉片兩側(cè)的截面線段邊緣進(jìn)行處理。即設(shè)置較小的參數(shù)，將葉片兩側(cè)截線段的兩端，去除長(zhǎng)度為E/2的余量，再將去除余量的截線段進(jìn)行等距劃分。實(shí)際噴丸時(shí)，葉片邊緣通過(guò)噴射條帶寬度實(shí)現(xiàn)。

1.2.2 截線段雙面協(xié)調(diào)

由于葉片兩側(cè)型面不一致，導(dǎo)致相同截面上的截線段長(zhǎng)度不同，因此采用相同的距離進(jìn)行截線段劃分，會(huì)造成葉片兩側(cè)節(jié)點(diǎn)劃分不一致和數(shù)量不同。在截線段等距劃分時(shí)，需要根據(jù)兩側(cè)截線段的長(zhǎng)度分別計(jì)算相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。針對(duì)某一截平面i計(jì)算方法如式（1）所示:

圖3 葉片邊緣截面Fig.3 The blade edge section

其中:n為截線段上劃分節(jié)點(diǎn)的數(shù)量;lF和lR分別為葉片兩側(cè)的截線段長(zhǎng)度;dX為設(shè)定的節(jié)點(diǎn)間距;E為邊緣余量參數(shù);dXF和dXR分別為葉片兩側(cè)截線段節(jié)點(diǎn)的實(shí)際間距。

由上述分析，設(shè)計(jì)葉片噴丸強(qiáng)化路徑所需參數(shù)為:（1）葉片曲面，即構(gòu)成葉片形狀的前后曲面;（2）初始平面位置P0，即截平面偏移的初始平面位置;（3）截平面法向VP，即截平面的偏移方向;（4）截平面數(shù)量NP，即截面平生成的數(shù)量;（5）截平面間距DP，即截平面偏移的間距;（6）邊緣余量E，即葉片邊緣的余量;（7）節(jié)點(diǎn)間距dX，即截面線段上節(jié)點(diǎn)的間距;（8）噴身距離dS，即噴頭位置與葉片平面的距離。

2 噴丸路徑規(guī)劃

2.1 噴丸強(qiáng)化運(yùn)動(dòng)方式

噴丸強(qiáng)化軌跡是整個(gè)數(shù)控噴丸系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要工作。根據(jù)葉片表面質(zhì)量要求，疲勞損傷經(jīng)常出現(xiàn)在葉片輪槽和葉片表面層［9］。在獲得噴頭的路徑與噴射方向后，需要規(guī)劃葉片噴丸強(qiáng)化軌跡，通常強(qiáng)化路徑的選擇需要遵循以下原則。

（1）路徑總長(zhǎng)度要小。噴丸路徑總長(zhǎng)度越小，數(shù)控代碼越短，噴丸效率越高。

（2）保證噴丸強(qiáng)化效果。兩噴頭噴射線垂直葉片表面且覆蓋全部表面。

（3）軌跡的連續(xù)性和方向一致性。軌跡連續(xù)性影響成形效率，運(yùn)動(dòng)軌跡方向影響噴頭運(yùn)動(dòng)加速度，運(yùn)動(dòng)軌跡曲率和撓率應(yīng)限制在一定的范圍內(nèi)。

葉片的形狀構(gòu)成特點(diǎn)是由組成零件的各幾何元素及其相互間的拓?fù)潢P(guān)系決定的。對(duì)于噴丸零件，其幾何模型實(shí)質(zhì)上是由外形輪廓構(gòu)成，綜合考慮以上因素要求，使噴丸強(qiáng)化路徑沿截平面方向平行運(yùn)動(dòng)，采用“之”字形的運(yùn)動(dòng)方式連接噴頭的各個(gè)運(yùn)動(dòng)平面。

2.2 不同截面路徑的過(guò)渡

由葉片噴丸路徑的生成方法，獲得噴頭運(yùn)動(dòng)的路徑與噴射方向。根據(jù)噴丸強(qiáng)化的路徑原則，將不同截面的噴丸路徑依次首尾相連便可實(shí)現(xiàn)“之”字形連接，滿足所有葉片表面都被均勻覆蓋的要求。由于葉片的截面按照高度連續(xù)變化，在不同截面上，截線段首尾的噴射點(diǎn)與噴射方向會(huì)有一定的差別，若直接將路徑首尾相連，噴頭在不同截面轉(zhuǎn)換時(shí)，由于角度與位置的直接變換會(huì)使彈丸噴射到葉片上，發(fā)生重復(fù)強(qiáng)化?？紤]到軌跡連續(xù)性影響成形效率，葉片表面無(wú)需分區(qū)進(jìn)行二次噴丸處理，允許在強(qiáng)化過(guò)程中空噴情況存在，且需要對(duì)不同截面的噴丸路徑進(jìn)行過(guò)渡處理。

圖4 噴丸強(qiáng)化路徑Fig.4 Path of blade peening strengthening

通過(guò)將截面上的噴丸路徑首尾進(jìn)行延伸，使噴丸路徑的連接變換遠(yuǎn)離葉片型面，避免變換時(shí)彈丸噴射到葉片。路徑的延伸即在噴丸路徑的首尾各增加一個(gè)路徑點(diǎn)，具體計(jì)算方法如式（2）所示:

其中:P0為路徑首端增加的點(diǎn);Pn+1為路徑尾端增加的點(diǎn);P1和P2為路徑中最前的2個(gè)點(diǎn);Pn-1和Pn為路徑中最末的2個(gè)點(diǎn);L為延伸長(zhǎng)度，與設(shè)備噴頭長(zhǎng)度有關(guān);V0和Vn+1分別為首端和尾端增加點(diǎn)的噴射方向;V1和Vn為分別為路徑中首尾的噴射方向。

將葉片噴丸的截面路徑分別延伸后，再按截面依次首尾相連接，作為噴丸路徑，可以避免不同截面路徑過(guò)渡時(shí)，噴射到葉片造成重復(fù)強(qiáng)化。過(guò)渡路徑是空噴階段，此時(shí)噴頭可提高進(jìn)給速度。

3 數(shù)控噴丸機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制

WBM型數(shù)控噴丸設(shè)備機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。葉片固定在轉(zhuǎn)臺(tái)的夾具上，轉(zhuǎn)臺(tái)可繞C軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以逆時(shí)針為正;設(shè)備有2組噴頭，2組噴頭的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系沿XZ平面鏡像，即噴頭1的運(yùn)動(dòng)為右手坐標(biāo)系，噴頭2的運(yùn)動(dòng)為左手坐標(biāo)系;噴頭的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)如圖4所示，A轉(zhuǎn)角為繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，B轉(zhuǎn)角為繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)2組噴頭，分別為（X1，Y1，Z1，A1，B1）和（X2，Y2，Z2，A2，B2）。

圖5 WBM型數(shù)控噴丸設(shè)備Fig.5 Schematic diagram of WBW blade peening device

3.1 數(shù)控噴丸機(jī)構(gòu)求解

已知輸出件的位置和姿態(tài)，求解機(jī)構(gòu)輸入件的位置稱為機(jī)構(gòu)位置的反解。對(duì)WBM型數(shù)控噴丸機(jī)而言，噴頭系統(tǒng)的X，Y，Z，A，B為輸入?yún)?shù)，噴頭的位置和空間姿態(tài)為輸出件。

WBM型數(shù)控噴丸機(jī)可以認(rèn)為是一系列運(yùn)動(dòng)副和關(guān)節(jié)組成的運(yùn)動(dòng)鏈。為了驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)，需要將噴射點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機(jī)床各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)量［10］，從而生成NC加工指令，計(jì)算過(guò)程如圖6所示。

圖6 WBM型噴丸機(jī)運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.6The relation of WBM kinematic mechanism

3.2 機(jī)床旋轉(zhuǎn)量的計(jì)算

WBM型數(shù)控噴丸機(jī)嵌入的數(shù)控系統(tǒng)是西門子840D控制系統(tǒng)，840D能夠控制31個(gè)機(jī)床軸，10個(gè)主軸，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)。將機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)量輸入數(shù)控裝置內(nèi)部的控制軟件中，經(jīng)處理與計(jì)算，發(fā)出相應(yīng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)指令信號(hào)，通過(guò)伺服系統(tǒng)使機(jī)床按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)［12］。

根據(jù)機(jī)床坐標(biāo)系OcXcYcZc計(jì)算葉片噴丸強(qiáng)化路徑，可以獲得路徑上任一點(diǎn)噴頭坐標(biāo)P（x，y，z）T，向量為（i，j，k），由噴頭坐標(biāo)與噴射向量計(jì)算設(shè)備的A，B轉(zhuǎn)角［12］為:

3.3 機(jī)床平移量的計(jì)算

WBM噴丸設(shè)備的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與常見(jiàn)的機(jī)加機(jī)床不同，當(dāng)設(shè)備的A，B轉(zhuǎn)角為0時(shí)，噴頭的空間坐標(biāo)（x，y，z）與設(shè)備控制代碼的參數(shù)（X，Y，Z）一致;當(dāng)A，B轉(zhuǎn)解不為0時(shí)，兩者根據(jù)噴頭的轉(zhuǎn)動(dòng)具有一定的變換關(guān)系。以噴頭2為例，由圖7所示的設(shè)備噴頭局部機(jī)構(gòu)可以看出，噴頭位置的坐標(biāo)與設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)軸具有一定的偏置距離，分別為（l1，l2，l3）T。

圖7 噴頭局部機(jī)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of local nozzle

當(dāng)A，B轉(zhuǎn)角為0時(shí)，機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)參數(shù)（X，Y，Z）T即是的噴頭路徑坐標(biāo)（x，y，z）T。

當(dāng)A，B轉(zhuǎn)角不為0時(shí)，為計(jì)算機(jī)床運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)（X，Y，Z）T，可在噴頭坐標(biāo)系OPXPYPZP中，將噴頭P0（l1，l2，l3）T繞坐標(biāo)系OPXPYPZP的Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)A角，其中A由式（3）得到，轉(zhuǎn)換矩陣為M1（A）:

繞坐標(biāo)系OPXPYPZP的X軸轉(zhuǎn)動(dòng)B角，其中B由式（4）得到，變換矩陣為M2（B）:

旋轉(zhuǎn)后噴頭的坐標(biāo)P1為（xm，ym，zm）T，其中（xm，ym，zm）T為:

噴頭P0旋轉(zhuǎn)為P1時(shí)，產(chǎn)生的平移量VP（Xm，Ym，Zm）T為:

則設(shè)備的控制參數(shù)（X，Y，Z）T可以由路徑坐標(biāo)（x，y，z）T反向平移VP得到:

OP點(diǎn)此時(shí)的坐標(biāo)（xo，yo，zo）T為:

由式（5）—（9）可得，機(jī)床運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)X，Y，Z顯示表達(dá)為:

4 葉片噴丸實(shí)例驗(yàn)證

圖8 數(shù)控噴丸強(qiáng)化工具軟件主要界面Fig.8 The main interface of shot peening strengthening software

機(jī)床軸的名稱在機(jī)床數(shù)據(jù)中被設(shè)定，噴頭1的機(jī)床軸名稱:x1，y1，z1，a1，b1;噴頭 2 的機(jī)床軸名稱:x2，y2，z2，aa2，bb2。

根據(jù)噴丸路徑的規(guī)劃與設(shè)備的運(yùn)動(dòng)求解，采用COM接口二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了基于CATIA的WBM數(shù)控噴丸強(qiáng)化工具軟件，如圖8所示。

根據(jù)某發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的型面數(shù)模，生成噴丸路徑以及數(shù)控代碼，并將數(shù)控代碼輸入WBM型數(shù)控噴丸機(jī)，進(jìn)行葉片噴丸強(qiáng)化驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程局部如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)位置與設(shè)計(jì)路徑吻合。經(jīng)測(cè)量，噴頭與葉片表面一直保持等距且垂直于噴射表面，噴頭到葉片表面距離恒定為設(shè)定值。加工實(shí)例驗(yàn)證了路徑規(guī)劃和設(shè)備機(jī)構(gòu)求解的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

圖9 噴丸強(qiáng)化試驗(yàn)Fig.9 Shot peening strengthening experiment

5 結(jié)論

路徑設(shè)計(jì)是噴丸強(qiáng)化工藝過(guò)程的重點(diǎn)，針對(duì)數(shù)控噴丸強(qiáng)化的設(shè)備特定性，研究了噴丸路徑數(shù)字化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的方法。

1）結(jié)合葉片工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用截面分析法生成實(shí)現(xiàn)了噴丸路徑的生成，并對(duì)葉片邊緣和葉片長(zhǎng)度等特征進(jìn)行了處理。

2）詳細(xì)分析了WBM型數(shù)控噴丸機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)基于WBM型數(shù)控噴丸機(jī)噴頭的運(yùn)動(dòng)反解算法，實(shí)現(xiàn)了葉片的路徑坐標(biāo)點(diǎn)、噴射方向與數(shù)控設(shè)備的NC代碼轉(zhuǎn)變計(jì)算。

3）在WBM型數(shù)控噴丸機(jī)進(jìn)行了葉片噴丸實(shí)例驗(yàn)證，通過(guò)在該機(jī)床上成功實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證噴丸路徑規(guī)劃與WBM型數(shù)控噴丸機(jī)后置處理方法的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

4）通過(guò)葉片噴丸強(qiáng)化的路徑規(guī)劃和機(jī)構(gòu)求解，提高了噴丸強(qiáng)化數(shù)控代碼生成的準(zhǔn)確性和效率，為實(shí)現(xiàn)精確噴丸強(qiáng)化奠定了基礎(chǔ)。

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