基于CATIA與MATLAB開發(fā)激光噴丸強(qiáng)化軌跡的方法研究

（中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司 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)，該工藝過程可利用工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行軌跡[1]進(jìn)行零部件噴丸處理。在金屬件表面處理及維修領(lǐng)域，激光噴丸強(qiáng)化有很多實(shí)際工程應(yīng)用，比如飛機(jī)機(jī)翼接頭零件激光噴丸強(qiáng)化處理[2,3]，包括支座類、耳片等疲勞易損零件，表面噴丸強(qiáng)化處理后可以提高其應(yīng)力腐蝕裂紋的抵抗能力[4,5]。國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者研究激光噴丸處理航空金屬材料，包括鋁合金（Al2024-T351）、鋁鋰合金（AA2198-T3）、鈦合金（Ti-6Al-4V）、鋼（AISI304）及高溫合金（IN718）等[6～8]。Zabeen，S et al.[9]對(duì)鋁鋰合金（Al 2099）"T"型截面擠壓材料激光噴丸強(qiáng)化的殘余應(yīng)力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析，噴丸后T形截面上不同部位的殘余應(yīng)力分布有差異。Ayman M et al.[10]分析在無表面涂層情況下增大激光功率密度，可以提高Al7075試樣噴丸后的表層硬度。Peng，Chong et al.[11]探究了激光噴丸強(qiáng)化能提高直齒輪根部的彎曲疲勞性能，增加激光能量密度有利于齒根部位噴丸殘余壓應(yīng)力幅值增大，其彎曲疲勞強(qiáng)度也增大。Xing-quan ZHANG et al.[12]分析激光噴丸強(qiáng)化LY12CZ試驗(yàn)件的緊固件孔周圍部位時(shí)得出試驗(yàn)件疲勞壽命可以很大程度的提高。Wang，JT et al.[13]分析出激光噴丸強(qiáng)化鋁合金Al7075，材料在高溫情況下的抗蠕變性能得到提高。

激光噴丸掃描軌跡路徑對(duì)噴丸工藝效果有影響，包括殘余應(yīng)力分布、零件表面質(zhì)量及完整性等。帥高鵬等[14]研究了采用四軸機(jī)器人進(jìn)行激光噴丸精確定位軌跡的實(shí)現(xiàn)途徑。Salimianrizi，A.et al.[15]和Amini，S.et al.[16]探究噴丸路徑對(duì)殘余應(yīng)力及強(qiáng)度的影響總結(jié)出增加噴丸次數(shù)能提高材料硬度和強(qiáng)度。Samuel Adu-Gyamfi et.al[17]分析激光噴丸Al2024-T351試樣得出L形螺旋軌跡對(duì)噴丸效果有利，噴丸軌跡掃描方式對(duì)殘余應(yīng)力及疲勞性能有重要影響。其中與噴丸軌跡有關(guān)的參數(shù)又涉及激光噴丸搭接率、光斑形狀及大小、零件外表幾何形狀等。Luo，KY et al.[18]分析激光噴丸的光斑搭接率對(duì)LY12 Al殘余應(yīng)力分布及表面輪廓質(zhì)量有影響，光斑搭接率超過50%時(shí)越大，殘余壓應(yīng)力水平更高，分布更均勻，表面輪廓均勻性較好。Yadav，Mahesh J et al.[19]在分析激光光斑大小對(duì)殘余壓應(yīng)力的影響時(shí)得出增大光斑直徑有利于殘余壓應(yīng)力層的形成。Karbalaian，H R et al.[20]分析不同搭接率情況下采用方形激光光斑噴丸鋼板，搭接率增加會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力增大，對(duì)優(yōu)化噴丸工藝參數(shù)有指導(dǎo)作用。Cao Ziwen et al.[21]采用數(shù)值模擬分析方形光斑條件下鈦合金Ti-6Al-4V噴丸后光斑作用中心部位存在應(yīng)力孔現(xiàn)象。Zou，Shikun et al.[22]研究了采用方形光斑噴丸Ti-17壓縮機(jī)葉片后的表面完整性及疲勞性能，噴丸葉片兩側(cè)面的表面粗糙度降低，疲勞壽命提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。Petan，Luca et al.[23]分析出在激光功率不變時(shí)，較小直徑光斑噴丸X2NiCoMo18-9-5馬氏體時(shí)效鋼表層產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較小。Sticchi，M et al.[24]針對(duì)不同牌號(hào)鋁合金，對(duì)激光噴丸光斑大小及搭接率進(jìn)行參數(shù)化探究時(shí)得出提高噴丸搭接率，殘余壓應(yīng)力增大。Vasu，Anoop et al.[25,26]研究了零件表面曲率對(duì)噴丸后表層殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，與平面情況相比，增大凹面曲率半徑有利于殘余應(yīng)力增大，凸面情況效果則相反。Yang，Chunhui et al.[27]采用FEA對(duì)比分析不同直徑AA7050圓棒激光噴丸后中心部位的殘余應(yīng)力，圓棒直徑不同，噴丸中心部位徑向及縱向（軸向）殘余應(yīng)力分布有很大差異，證實(shí)了零件幾何特征影響殘余應(yīng)力分布。

以上研究大多側(cè)重于激光噴丸機(jī)理及力學(xué)表征分析、噴丸材料及工藝參數(shù)的影響，涉及噴丸軌跡路徑對(duì)激光噴丸質(zhì)量的影響規(guī)律，而目前對(duì)激光噴丸強(qiáng)化軌跡的定制化生成及一體化集成平臺(tái)的開發(fā)設(shè)計(jì)，包括軌跡路徑可視化平臺(tái)方面的相關(guān)研究成果還比較少見。

因此，文中基于CATIA二次開發(fā)進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化工藝軌跡平臺(tái)的一體化開發(fā)設(shè)計(jì)，并探究不同激光光斑形狀、表面曲率及搭接率情況下噴丸軌跡的生成及數(shù)據(jù)點(diǎn)輸出。同時(shí)借助MATLAB編程GUI界面對(duì)軌跡路徑進(jìn)行模擬分析仿真，實(shí)現(xiàn)了噴丸軌跡規(guī)劃、生成、輸出及可視化模擬分析的功能，為后續(xù)相關(guān)激光噴丸數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)工作提供一定支持。

1 激光噴丸軌跡規(guī)劃策略

基于CATIA 二次開發(fā)的激光噴丸軌跡平臺(tái)界面，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變化曲率表面的零件噴丸區(qū)進(jìn)行噴丸軌跡的規(guī)劃生成、數(shù)據(jù)點(diǎn)信息提取、渲染及輸出功能。將零件三維模型導(dǎo)入CATIA后，先提取零件噴丸區(qū)域的幾何特征曲面，確定與軌跡有關(guān)的噴丸工藝參數(shù)包括噴丸光斑尺寸、光斑形狀、噴丸搭接率和激光噴丸工藝類型等，選取噴丸點(diǎn)渲染功能等，程序自動(dòng)計(jì)算噴丸點(diǎn)位并在CATIA軟件界面以3D點(diǎn)線顯示。最后進(jìn)行噴丸點(diǎn)位數(shù)據(jù)輸出，以Excel格式文件保存噴丸軌跡信息，其軌跡規(guī)劃平臺(tái)的基本流程如圖1所示。

1.1 噴丸點(diǎn)位計(jì)算

激光噴丸點(diǎn)位的計(jì)算要考慮噴丸表面變化、軌跡曲線及噴丸搭接率等因素，噴丸搭接率的計(jì)算如式(1)所示。圖2所示為曲面上任意軌跡線，確定每條噴丸軌跡長(zhǎng)度，再依據(jù)噴丸搭接率確定取點(diǎn)間隔，并采用曲線參數(shù)取點(diǎn)計(jì)算噴丸點(diǎn)數(shù)、噴丸點(diǎn)位置及法向坐標(biāo)，法向代表激光束入射方向。在軌跡曲線起始點(diǎn)處，曲線參數(shù)t=0，終點(diǎn)處t=1.0，中間曲線參數(shù)ti在0～1.0之間變化，噴丸位置取點(diǎn)計(jì)算如式(2)～式(3)所示。

圖1 平臺(tái)開發(fā)功能及流程圖

圖2 空間曲面上任意軌跡線

式中：η為噴丸搭接率；r為激光光斑半徑/mm；d為激光光斑間距/mm；L為每條軌跡長(zhǎng)度/mm；n為噴丸點(diǎn)數(shù)（向上取圓整值）；ni為軌跡上第i個(gè)噴丸點(diǎn)；ti為第i個(gè)噴丸點(diǎn)處的曲線參數(shù)。

1.2 3D點(diǎn)線表達(dá)技術(shù)

在CATIA平臺(tái)設(shè)計(jì)采用3D點(diǎn)線表達(dá)噴丸點(diǎn)位置信息，解決噴丸軌跡生成后噴丸點(diǎn)可視化顯示功能，可以快速檢查軌跡點(diǎn)生成過程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤等問題。對(duì)于不同形狀的激光光斑，分別采用不同的幾何元素表達(dá)，其中，“○”圓形幾何元素代表激光光斑大小及位置；“直線”表示噴丸激光束入射方向。圖3所為CATIA軟件環(huán)境下圓形激光光斑噴丸點(diǎn)3D點(diǎn)線表達(dá)。

圖3 CATIA 軟件環(huán)境下圓形光斑噴丸點(diǎn)3D點(diǎn)線表達(dá)

1.3 軌跡平臺(tái)界面實(shí)現(xiàn)

為了便于實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互界面平臺(tái)操作，該平臺(tái)分為安全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：輸入用戶名和密碼，驗(yàn)證訪問權(quán)限后進(jìn)入主界面，且新用戶可以進(jìn)行注冊(cè)實(shí)現(xiàn)權(quán)限安全管理，如圖4(a)所示。

2）主界面模塊

該平臺(tái)主界面，如圖4(b)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：

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

（2）工藝參數(shù)設(shè)置區(qū)：設(shè)置噴丸軌跡工藝參數(shù)，比如搭接率，光斑顯隱等；

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

（4）激光噴丸強(qiáng)化類型區(qū)：選擇噴丸工藝類型，按需可選擇單面和雙面噴丸；

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

初中階段的語文教學(xué)內(nèi)容較為復(fù)雜，中學(xué)生很容易感到枯燥和厭煩，對(duì)課堂上教師講解的內(nèi)容往往不能集中精神進(jìn)行聽講，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)不理想。針對(duì)這一現(xiàn)狀，初中語文教師應(yīng)重視并細(xì)致分析產(chǎn)生這一問題的原因，同時(shí)采取趣味教學(xué)方法來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)初中語文知識(shí)的興趣，千方百計(jì)地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，以此增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，從而打造出趣味而又高效的語文課堂。

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

2 MATLAB平臺(tái)軌跡模擬界面

為了校驗(yàn)激光噴丸生成軌跡的正確性，采用MATLAB編程設(shè)計(jì)可視化交互界面，可實(shí)現(xiàn)加載CATIA軌跡平臺(tái)生成的輸出Excel結(jié)果文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴丸軌跡的模擬仿真和查看。如圖5所示的MATLAB平臺(tái)軌跡運(yùn)動(dòng)仿真界面。

圖4

運(yùn)用上述GUI模擬界面可實(shí)現(xiàn)軌跡文件的加載，顯示/隱藏噴丸軌跡曲線及噴丸點(diǎn)，控制軌跡仿真運(yùn)動(dòng)視圖，并校驗(yàn)噴丸過程軌跡運(yùn)動(dòng)情況。

圖5 MATLAB軟件平臺(tái)軌跡運(yùn)動(dòng)仿真界面

3 實(shí)例分析

利用上述CATIA二次開發(fā)設(shè)計(jì)的軌跡生成平臺(tái)，考慮在不同激光光斑形狀、零件表面曲率及噴丸搭接率情況下，分析驗(yàn)證激光噴丸軌跡生成平臺(tái)的適用性，并采用開發(fā)設(shè)計(jì)的MATLAB模擬界面對(duì)軌跡進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)查看。

3.1 激光光斑形狀

圖6 不同形狀光斑情況下的表面軌跡生成

3.2 變曲率表面

在激光噴丸搭接率為50%，圓形光斑直徑3.0mm的情況下，對(duì)變曲率馬鞍形表面進(jìn)行噴丸軌跡路徑規(guī)劃及輸出，如圖7所示。其中，圖7(b)為生成后的軌跡路徑顯示，圖7(c)為局部放大效果。

圖7 變化曲率表面軌跡生成

3.3 不同搭接率

在圓形激光光斑直徑2.0mm的條件下，對(duì)平板表面中心部位規(guī)劃噴丸軌跡路徑，分別在搭接率為0%，25%，50%，75%的情況下進(jìn)行噴丸軌跡的生成顯示，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同搭接率情況下表面軌跡生成

3.4 噴丸軌跡模擬仿真

在激光噴丸搭接率為50%，光斑圓形直徑為3.0mm的條件下，變曲率馬鞍形狀表面規(guī)劃生成的噴丸點(diǎn)分布如圖9所示，對(duì)噴丸軌跡路徑進(jìn)行MATLAB平臺(tái)界面模擬運(yùn)動(dòng)仿真，不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別如圖10(a)～圖10(d)所示。

圖9 馬鞍面激光噴丸點(diǎn)分布

圖10 不同時(shí)刻噴丸軌跡運(yùn)動(dòng)模擬顯示

4 結(jié)語

1）借助CATIA二次開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了激光噴丸強(qiáng)化軌跡規(guī)劃平臺(tái)的人機(jī)交互界面，并能與CAD平臺(tái)很好的一體化集成。

2）該軌跡規(guī)劃平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)不同激光光斑（圓形和方形）形狀、變曲率表面及不同噴丸搭接率情況下的激光噴丸軌跡生成，可為后續(xù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析及相關(guān)試驗(yàn)工作提供了支持。

3）利用MATLAB開發(fā)設(shè)計(jì)的軌跡運(yùn)動(dòng)模擬界面，初步實(shí)現(xiàn)了軌跡的運(yùn)動(dòng)仿真模擬分析，為前期生成軌跡的校驗(yàn)查看提供一種途徑。