飛機(jī)機(jī)加框激光噴丸軌跡生成及數(shù)值分析

方 陽(yáng)

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

激光噴丸強(qiáng)化是一種新型表面改性技術(shù)，相比傳統(tǒng)彈珠噴丸具有表面完整性好、殘余壓應(yīng)力層深、零件疲勞壽命長(zhǎng)，自動(dòng)化程度高及工作環(huán)境好等優(yōu)勢(shì)，尤其在零件易疲勞部位(如轉(zhuǎn)角、底圓角、曲度變化劇烈等區(qū)域)比傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化有更好的工藝靈活性及表面強(qiáng)化效果。

激光噴丸強(qiáng)化在飛機(jī)零部件表面處理及維修領(lǐng)域有很多工程應(yīng)用。比如飛機(jī)機(jī)翼接頭零件的激光噴丸強(qiáng)化處理[1-4]，包括一些支座類(lèi)、耳片等疲勞易損零件，以提高應(yīng)力腐蝕裂紋的抵抗能力[5-6]。已有研究表明激光噴丸可以處理多種常用航空金屬材料，比如鋁(Al2024-T351)、鋁鋰合金(AA2198-T3)、鈦合金(Ti-6Al-4V)、鋼(AISI304)及高溫合金(IN718)等[7-12]。

作為噴丸工藝實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，軌跡生成及路徑規(guī)劃會(huì)影響噴丸質(zhì)量、效率及成本，與傳統(tǒng)彈丸噴丸處理復(fù)雜零部件類(lèi)似[13]，需要根據(jù)零件外形幾何特征和噴丸部位進(jìn)行噴丸前期路徑的生成及預(yù)處理，激光噴丸強(qiáng)化工藝靈活性比較大，可以借助工業(yè)機(jī)器人或?qū)Ｓ迷O(shè)備執(zhí)行軌跡[14]進(jìn)行噴丸處理。SALIMIANRIZI A. et al.[15]和AMINI S. et al.[16]探究了噴丸路徑對(duì)殘余應(yīng)力及強(qiáng)度的影響，噴丸次數(shù)增加會(huì)提高材料硬度和強(qiáng)度，一定程度會(huì)降低韌性。ZOU Shikun et al.[17]研究了采用方形光斑噴丸Ti-17壓縮機(jī)葉片的表面完整性及疲勞性能，噴丸后葉片兩側(cè)面的表面粗糙度降低，疲勞壽命提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。CAO Ziwen et al.[18]采用數(shù)值模擬分析方形光斑條件下鈦合金Ti-6Al-4V噴丸后在光斑作用中心部位存在應(yīng)力孔現(xiàn)象。YANG Chunhui et al.[19]采用FEA對(duì)比分析不同直徑的AA7050圓棒激光噴丸后中心部位的殘余應(yīng)力，圓棒直徑不同，噴丸后中心部位徑向及縱向(軸向)殘余應(yīng)力分布有很大差異。目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)研究側(cè)重于試驗(yàn)件激光噴丸、噴丸機(jī)理及變形力學(xué)特征分析、噴丸材料及工藝參數(shù)影響等，關(guān)于激光噴丸強(qiáng)化軌跡定制化生成及一體化集成平臺(tái)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，以及軌跡路徑對(duì)噴丸質(zhì)量及效率影響的有關(guān)研究還比較少。

基于CATIA軟件實(shí)現(xiàn)了激光噴丸強(qiáng)化工藝軌跡平臺(tái)軟件的一體化開(kāi)發(fā)，并對(duì)某機(jī)型貨艙門(mén)框的機(jī)加框噴丸區(qū)進(jìn)行噴丸路徑規(guī)劃和軌跡生成，按照輸出的軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用ABAQUS有限元軟件的子程序分析激光噴丸區(qū)域的變形行為，包括分析應(yīng)力、應(yīng)變及變形位移的分布特點(diǎn)。

1 激光噴丸強(qiáng)化軌跡平臺(tái)開(kāi)發(fā)

圖1 平臺(tái)開(kāi)發(fā)功能及流程圖

CATIA是制造業(yè)領(lǐng)域的一款主流軟件，提供兩種二次開(kāi)發(fā)接口，包括自動(dòng)化對(duì)象編程和開(kāi)放的基于構(gòu)件的應(yīng)用編程接口。前者采用VB，編程系統(tǒng)采用面向?qū)ο?、事件?qū)動(dòng)的編程機(jī)制，提供一種簡(jiǎn)單易行的可視化程序設(shè)計(jì)方法。后者是以框架技術(shù)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用標(biāo)準(zhǔn)接口技術(shù)，利用C ++ 與 CATIA 進(jìn)行通信，可根據(jù)用戶(hù)需求實(shí)現(xiàn)對(duì) CATIA 所有開(kāi)放接口的二次開(kāi)發(fā)。C#是一種面向?qū)ο蟮母呒?jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，綜合VB簡(jiǎn)單可視化操作和C++高速運(yùn)行效率的特點(diǎn)。利用C#編程語(yǔ)言，基于CATIA軟件進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化工藝軌跡平臺(tái)軟件的開(kāi)發(fā)工作，該軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)功能及流程如圖1所示。

1.1 軌跡平臺(tái)軟件交互界面

為了實(shí)現(xiàn)友好人機(jī)交互界面平臺(tái)的操作，該平臺(tái)軟件分為登錄模塊和噴丸軌跡規(guī)劃及生成輸出的主界面模塊。

1)登錄模塊：輸入用戶(hù)名和密碼，驗(yàn)證訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限后進(jìn)入主界面，且新用戶(hù)可以進(jìn)行注冊(cè)實(shí)現(xiàn)權(quán)限安全管理，如圖2所示。

圖2 登錄界面

2)主界面模塊：該平臺(tái)主界面，如圖3所示，分為若干個(gè)功能區(qū)，各個(gè)功能區(qū)的實(shí)現(xiàn)如下：

圖3 CATIA軟件噴丸軌跡平臺(tái)主界面

(1)噴丸軌跡生成模塊：選擇并設(shè)定噴丸軌跡生成幾何參數(shù)；

(2)噴丸工藝參數(shù)設(shè)置模塊：設(shè)置噴丸軌跡工藝參數(shù)，比如覆蓋率，光斑顯示與隱藏；

(3)零組件信息顯示模塊：顯示與噴丸零件關(guān)聯(lián)的CATIA幾何特征；

(4)激光噴丸強(qiáng)化類(lèi)型模塊：選擇噴丸工藝類(lèi)型，按需可選擇單面和雙面噴丸；

(5)工作任務(wù)進(jìn)度區(qū)：顯示用戶(hù)當(dāng)前的任務(wù)進(jìn)度及工作量；

(6)界面提示信息區(qū)域：提示用戶(hù)當(dāng)前操作的信息及狀態(tài)。

1.2 機(jī)加框噴丸軌跡生成

以某型飛機(jī)機(jī)身前貨艙門(mén)框部位需要進(jìn)行噴丸處理的機(jī)加框零件為例，圖4(a)為軌跡平臺(tái)主界面在CATIA軟件中的交互界面顯示，圖4(b)和(c)分別為機(jī)加框局部噴丸部位的軌跡生成過(guò)程及結(jié)果文件輸出。

(a)機(jī)加框的激光噴丸區(qū)域

(b)噴丸區(qū)軌跡生成

(c)激光噴丸軌跡輸出圖4 機(jī)加框噴丸軌跡生成圖示

根據(jù)上述軌跡平臺(tái)規(guī)劃生成及輸出的噴丸軌跡相關(guān)數(shù)據(jù)，在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)后續(xù)激光噴丸強(qiáng)化(或成形)的數(shù)值分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。

2 機(jī)加框激光噴丸數(shù)值分析

根據(jù)第1.2節(jié)激光噴丸軌跡平臺(tái)生成的噴丸軌跡，利用ABAQUS有限元軟件對(duì)機(jī)加框噴丸區(qū)進(jìn)行激光噴丸數(shù)值模擬，分析機(jī)加框激光噴丸后的變形行為特點(diǎn)，驗(yàn)證噴丸軌跡平臺(tái)用于軌跡的適用性。

2.1 材料及工藝參數(shù)

貨艙門(mén)框機(jī)加框材料采用鋁合金2050-T8，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，因激光噴丸材料變形為動(dòng)態(tài)屈服塑性變形，應(yīng)變率在106s-1量級(jí)。因此，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可采用Johnson-Cook模型，如式(1)所示。

(1)

式中：

表1 2050-T8化學(xué)成分[22]組成

表2 2050-T8 Johnson-Cook模型參數(shù)

激光噴丸強(qiáng)化的激光源目前比較常見(jiàn)是采用工業(yè)級(jí)Nd:YAG(摻釹釔鋁石榴石)固體激光器，工藝參數(shù)如表3所示。

表3 激光工藝參數(shù)

在激光噴丸強(qiáng)化過(guò)程中，激光光斑覆蓋區(qū)域內(nèi)在零件表面誘發(fā)的脈沖壓力分布可近似采用高斯分布[22]模型，如式(2)所示。

(2)

式中：

r為激光光斑半徑/mm；p0(t)為激光瞬時(shí)脈沖壓力/Mpa。

2.2 機(jī)加框激光噴丸數(shù)值模擬

考慮模擬成本及噴丸斑點(diǎn)具有規(guī)則分布特征，選取機(jī)加框噴丸區(qū)具有代表性的局部進(jìn)行激光噴丸FEA分析，網(wǎng)格單元類(lèi)為C3D8R，噴丸部位網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化(0.25 mm)，依據(jù)軌跡路徑，采用VDLOAD子程序進(jìn)行激光噴丸變形分析，整個(gè)模型共有617 640個(gè)單元，有限元模型如圖5所示。

圖5 激光噴丸區(qū)域FEA模型

2.2.1 噴丸區(qū)域應(yīng)力分析

為了探究激光噴丸區(qū)域應(yīng)力分布特點(diǎn)，現(xiàn)對(duì)機(jī)加框噴丸區(qū)域的不同部位最小主應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。圖6所示為距離參考基準(zhǔn)面d=21.5 mm處應(yīng)力分布，圖7為距離參考基準(zhǔn)面21.5 mm、23.0 mm、24.5 mm和26.0 mm處應(yīng)力分布。

圖6 噴丸區(qū)域d=21.5 mm處最小主應(yīng)力

圖7 噴丸區(qū)域不同位置最小主應(yīng)力分布

從圖6和圖7中應(yīng)力分布可以看出，最小壓應(yīng)力均不在零件表面部位，而在距離表面大約1.0 mm厚度處，且距離參考基準(zhǔn)面不同位置處的激光噴丸最小壓應(yīng)力值基本相同，壓應(yīng)力分布也較均勻，最小應(yīng)力值范圍在-460 Mpa～-510 Mpa。

2.2.2 噴丸區(qū)域應(yīng)變分析

為了進(jìn)一步分析激光噴丸對(duì)局部塑性變形的影響，采用等效塑性應(yīng)變(Equivalent plastic strain，以下簡(jiǎn)稱(chēng)PEEQ)與應(yīng)力分析一致，提取噴丸區(qū)域不同部位的等效應(yīng)變PEEQ。圖8所示為距離參考基準(zhǔn)面d=21.5 mm處的PEEQ分布，圖9為距離參考基準(zhǔn)面為21.5 mm、23.0 mm、24.5 mm和26.0 mm處的應(yīng)變分布。

圖8 噴丸區(qū)域d=21.5 mm處PEEQ分布

圖9 噴丸區(qū)域不同位置處PEEQ分布

圖8和圖9的等效應(yīng)變PEEQ分布表明最大應(yīng)變不在零件表面部位，也大致位于距離表面1.0 mm厚度處，且距離參考基準(zhǔn)面不同位置的等效塑性應(yīng)變PEEQ分布較均勻，最大應(yīng)變范圍在0.03 ～ 0.04。

2.2.3 噴丸區(qū)域變形位移分析

圖10所示為噴丸區(qū)域中心部位(d=26.0 mm)處的變形位移量沿著中心路徑(圖示紅色標(biāo)識(shí)處)的變化，在兩端平面噴丸區(qū)域與圓角噴丸區(qū)域過(guò)渡處，位移量變化存在拐點(diǎn)，整個(gè)噴丸路徑區(qū)域的平均變形位移量為50 μm左右，數(shù)值分析表明機(jī)加框零件激光噴丸區(qū)域的表面質(zhì)量較好。

圖10 中心噴丸部位(d=26.0 mm)變形位移

3 結(jié)論

通過(guò)上述激光噴丸工藝路徑軌跡規(guī)劃及生成平臺(tái)的開(kāi)發(fā)及對(duì)某機(jī)型貨艙門(mén)框機(jī)加框的激光噴丸強(qiáng)化數(shù)值模擬分析研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)利用CATIA軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)激光噴丸強(qiáng)化軌跡規(guī)劃生成與CAD平臺(tái)一體化集成功能，具有較好的人機(jī)交互界面；

2)在給定參數(shù)情況下，門(mén)框機(jī)加框局部激光噴丸后最大壓應(yīng)力距離表面1.0 mm左右，最大等效應(yīng)變0.03～0.04，零件表面平均變形位移量50 μm，表面質(zhì)量較好；

3)基于FEA有限元分析，機(jī)加框激光噴丸數(shù)值模擬分析驗(yàn)證了激光噴丸強(qiáng)化軌跡平臺(tái)用于噴丸軌跡規(guī)劃及生成輸出的適用性。