噴丸強(qiáng)化設(shè)備工藝后置仿真技術(shù)研究

高云龍,李 昆,張 濤,文 林

(航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710077)

1 引言

噴丸是以小而硬的彈丸撞擊金屬零件表面的一種工藝方法。利用高速?gòu)椡枇鲗?duì)金屬構(gòu)件表面進(jìn)行連續(xù)撞擊,使零件表面產(chǎn)生塑性變形并保留一定殘余壓應(yīng)力,以提高零件的抗疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕能力,提升零件使用壽命。噴丸強(qiáng)化工藝已經(jīng)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于飛機(jī)壁板、框、蒙皮、葉片、起落架等重要零部件制造中。

為了提高噴丸強(qiáng)化質(zhì)量及噴丸效率,自動(dòng)化噴丸技術(shù)逐步替代了傳統(tǒng)的手動(dòng)噴丸強(qiáng)化工藝。該技術(shù)是利用數(shù)控噴丸設(shè)備通過(guò)精確控制噴丸參數(shù)、噴丸軌跡、噴丸角度等信息實(shí)現(xiàn)數(shù)字化噴丸工藝過(guò)程。由于噴丸強(qiáng)化工藝的特殊性,數(shù)控噴丸設(shè)備的結(jié)構(gòu)不同于一般的數(shù)控加工設(shè)備,其設(shè)備的結(jié)構(gòu)大多數(shù)是根據(jù)客戶需求進(jìn)行的特殊結(jié)構(gòu)定制,設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化程度較低。因此,設(shè)計(jì)后置仿真環(huán)境開(kāi)展數(shù)字化仿真對(duì)優(yōu)化噴丸工藝、實(shí)現(xiàn)相關(guān)工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與工藝過(guò)程的精密控制顯得尤為重要。后置仿真技術(shù)是一種模擬分析技術(shù),可以在產(chǎn)品真實(shí)制造前對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行仿真,以便發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問(wèn)題,減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究學(xué)者針對(duì)噴丸工藝與后置仿真領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究,形成了一定的技術(shù)成果。文獻(xiàn)[1]針對(duì)鈦合金材料存在的疲勞強(qiáng)度低、分散性大、硬度低及耐磨性的缺點(diǎn),以飛機(jī)起落架為研究對(duì)象,從材料和設(shè)備、制造過(guò)程以及維護(hù)質(zhì)量等方面進(jìn)行控制,保證了噴丸質(zhì)量,提高了鈦合金零件的使用壽命,實(shí)現(xiàn)了材料抗疲勞性能的改善與微動(dòng)疲勞抗力的提高;文獻(xiàn)[2]針對(duì)CATIA數(shù)控加工的刀位文件,通過(guò)分析通用后置處理程序過(guò)程,開(kāi)發(fā)五軸聯(lián)動(dòng)水切割機(jī)床的后置處理程序,并通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了刀位數(shù)據(jù)與數(shù)控加工程序的轉(zhuǎn)換;文獻(xiàn)[3]應(yīng)用IMSpost軟件編寫(xiě)了針對(duì)Global550機(jī)床的后置處理文件,結(jié)合機(jī)床實(shí)際結(jié)構(gòu)、軸系進(jìn)行設(shè)置修改,并進(jìn)行了仿真與加工驗(yàn)證,證明了后置處理的可行性;文獻(xiàn)[4]采用CAD后置處理進(jìn)行后方處理模塊得位源刀數(shù)據(jù),基于此利用前方處理模塊將位源刀數(shù)據(jù)處理形成礦山機(jī)械數(shù)控加工程序流程,并通過(guò)加工驗(yàn)證了CAD后置處理技術(shù)提高了機(jī)械的使用效率;文獻(xiàn)[5]針對(duì)Cimatron軟件使用過(guò)程中存在的未進(jìn)行后處理文件修改,導(dǎo)致無(wú)法生成符合要求的NV程序,分別對(duì)Cimatron的兩種后置處理工具GPP和IMSPOST進(jìn)行了介紹與加工驗(yàn)證;文獻(xiàn)[6]針對(duì)不同材料的產(chǎn)品,利用不同規(guī)格陶瓷、鑄鋼彈丸噴丸進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證,得到了噴丸強(qiáng)化對(duì)材料表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的變化規(guī)律,以及強(qiáng)化效果與噴丸前表面狀態(tài)的關(guān)系,并基于此進(jìn)行了工藝參數(shù)優(yōu)化,保證了過(guò)程質(zhì)量;文獻(xiàn)[7]介紹了常見(jiàn)的數(shù)控銑加工后置處理方法,實(shí)現(xiàn)了高效、快速、高度柔性的數(shù)控加工;文獻(xiàn)[8]針對(duì)Mikron數(shù)控機(jī)床的Heidenhain控制系統(tǒng),通過(guò)I-DEAS后置處理輸入刀位、機(jī)床配置、后置處理程序等信息,得到了機(jī)床NC加工程序,并通過(guò)加工驗(yàn)證了加工程序的正確性;文獻(xiàn)[9]針對(duì)AC軸工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)型五軸機(jī)床后置處理中的X、Y、Z軸冗余運(yùn)動(dòng)優(yōu)化問(wèn)題,通過(guò)分析后置處理計(jì)算過(guò)程,并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了得到的X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)路徑最短;文獻(xiàn)[10]以六軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控拋光機(jī)床為例,參照工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué),建立了一系列坐標(biāo)系并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)求解,推導(dǎo)出該機(jī)床的后置處理方法,并通過(guò)虛擬仿真加工驗(yàn)證了后置處理方法得到的NC代碼的有效性。

本文結(jié)合實(shí)際工藝需求,針對(duì)工藝編程、設(shè)備操作面臨的問(wèn)題,通過(guò)開(kāi)展噴丸強(qiáng)化設(shè)備工藝后置仿真技術(shù)研究,完成后置處理定制化開(kāi)發(fā),將CATIA軟件生成的軌跡代碼轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)噴丸設(shè)備運(yùn)動(dòng)的數(shù)控程序,同時(shí)計(jì)算補(bǔ)償方式,結(jié)合噴丸工藝要求,實(shí)現(xiàn)了噴丸數(shù)控程序和設(shè)備系統(tǒng)的匹配,解決了噴丸過(guò)程的連續(xù)性和法向噴射的一致性問(wèn)題,提高了噴丸工藝過(guò)程質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2 噴丸強(qiáng)化工藝

噴丸強(qiáng)化設(shè)備是一種用于表面處理的機(jī)械設(shè)備,是一種高效、環(huán)保、節(jié)能的表面處理設(shè)備,廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、機(jī)械等領(lǐng)域,為提高材料性能和延長(zhǎng)壽命發(fā)揮了重要作用。其工作原理是利用壓縮空氣或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)噴槍,將磨料或鋼丸等硬質(zhì)顆粒加速到高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài),然后噴射到待處理的金屬表面,形成沖擊和磨削作用,去除表面氧化皮、銹蝕和毛刺等缺陷,降低表面粗糙度,提高表面硬度,達(dá)到提升表面質(zhì)量和增強(qiáng)材料性能的目的。

噴丸強(qiáng)化設(shè)備的工藝流程主要包括清洗、預(yù)處理、噴丸、除塵、檢測(cè)等步驟。首先,對(duì)待噴丸金屬表面進(jìn)行清洗和預(yù)處理,以確保表面無(wú)油污、銹蝕和氧化皮等雜質(zhì);然后將金屬件放入噴丸室內(nèi),啟動(dòng)噴丸設(shè)備進(jìn)行噴丸處理,噴丸工藝后,需要進(jìn)行除塵操作,以去除噴丸過(guò)程中產(chǎn)生的塵埃和顆粒;最后進(jìn)行檢測(cè),以確保處理后的金屬表面質(zhì)量符合要求。

3 后置仿真技術(shù)

后置仿真技術(shù)已經(jīng)在航空、汽車(chē)、機(jī)械、電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在工程實(shí)踐中,后置仿真技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì):1)可以對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和分析;2)可以通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),提高系統(tǒng)性能和可靠性;3)可以降低試驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn),提高試驗(yàn)效率和可控性。然而,后置仿真技術(shù)也存在一些局限性:1)需要充分考慮實(shí)際系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)之間的差異,確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性;2)需要建立合理的模型和算法,以適應(yīng)不同領(lǐng)域和不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求;3)需要解決數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理等技術(shù)問(wèn)題,確保數(shù)據(jù)的完整性和安全性。未來(lái),隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷增加,后置仿真技術(shù)將會(huì)得到不斷迭代完善以及更廣泛的應(yīng)用。

4 噴丸后置仿真實(shí)驗(yàn)

在噴丸工藝編程方面,沒(méi)有針對(duì)該非標(biāo)設(shè)備匹配的定制化后置處理,無(wú)法自動(dòng)生成匹配的噴丸程序,無(wú)法人工實(shí)現(xiàn)大量代碼計(jì)算,只能在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)手動(dòng)調(diào)整噴頭位置并記錄對(duì)應(yīng)坐標(biāo)值,然后對(duì)這些坐標(biāo)值進(jìn)行整理,再手動(dòng)編制可驅(qū)動(dòng)噴頭運(yùn)行的簡(jiǎn)單程序。

手動(dòng)編制噴丸程序存在較多缺點(diǎn),例如只能選擇定角度噴射編程,不同角度必須對(duì)應(yīng)不同程序,操作者也必須重新設(shè)置零點(diǎn),這樣操作效率低,并且手動(dòng)編制噴丸程序噴頭位置和噴頭與零件表面的距離依靠量尺測(cè)量和目測(cè),編制的程序誤差較大。設(shè)備沒(méi)有RTCP功能,在作業(yè)過(guò)程中,噴頭旋轉(zhuǎn)時(shí),噴丸和零件面接觸點(diǎn)速度不穩(wěn)定,入射角不一致;無(wú)RTCP功能,無(wú)法實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)噴丸作業(yè),從而無(wú)法根據(jù)曲面曲率動(dòng)態(tài)控制噴射時(shí)的入射角,導(dǎo)致噴丸作業(yè)中,彈丸流對(duì)零件表面的作用力不穩(wěn)定,作用方向不一致,造成產(chǎn)品表面質(zhì)量不穩(wěn)定。針對(duì)上述問(wèn)題通過(guò)設(shè)計(jì)后置仿真環(huán)境開(kāi)展分析測(cè)試,解決所面臨的問(wèn)題。

4.1 設(shè)備信息

圖1所示為噴丸設(shè)備,其結(jié)構(gòu)及功能、性能基本參數(shù)如下。

圖1 噴丸設(shè)備

1)結(jié)構(gòu):Head C/Head B。

2)控制系統(tǒng):西門(mén)子840D SL,無(wú)RTCP功能配置。

3)設(shè)備運(yùn)動(dòng)軸Z正方向:接近零件方向?yàn)檎?離開(kāi)為負(fù),與ISO標(biāo)準(zhǔn)反向。

4)旋轉(zhuǎn)軸B繞X方向旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)方向也沒(méi)有遵循ISO標(biāo)準(zhǔn)。

5)當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸B=0°時(shí),噴頭作用方向?yàn)樗椒较颉?/p>

6)噴頭有效作用長(zhǎng)度為400 mm。

7)設(shè)備默認(rèn)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)軸B的轉(zhuǎn)動(dòng)中心,用轉(zhuǎn)動(dòng)中心設(shè)置程序零點(diǎn)偏置。

4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于CATIA完成前置數(shù)控程序編制,輸出軌跡文件APTSource,在SGPost做后置處理定制開(kāi)發(fā),動(dòng)態(tài)地計(jì)算補(bǔ)償,將程序輸出的每個(gè)控制點(diǎn)從B軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)化為噴丸作用點(diǎn),將CATIA輸出的APTSource文件轉(zhuǎn)化為噴丸設(shè)備能夠執(zhí)行的NC程序文件,最后在VERICUT虛擬仿真軟件平臺(tái)開(kāi)展噴丸仿真。

4.3 后置處理設(shè)計(jì)

4.3.1 變量定義、初始化

R0 = -70;噴嘴Y方向偏置

R1 = -105/2;兩個(gè)噴嘴中心X方向偏置

R2 = R4-CUTTER.h;噴嘴Y方向偏置,疊加噴嘴到噴丸作用長(zhǎng)度變量(具體值來(lái)自APTSource)

R3 = -190;噴嘴Z方向偏置

4.3.2 計(jì)算過(guò)程

1)角度計(jì)算。

總而言之，小學(xué)階段的思想品德教育在學(xué)生今后的成長(zhǎng)發(fā)展中的作用不容忽視，學(xué)校、家長(zhǎng)和社會(huì)要相互聯(lián)合，糾正目前存在的對(duì)學(xué)生思想品德教育的誤區(qū)，引導(dǎo)學(xué)生朝著更為全面健康的方向發(fā)展。

(1)

(2)

2)補(bǔ)償計(jì)算。

R5、R6、R7代表(X,Y,Z)3個(gè)方向最終的補(bǔ)償量,利用當(dāng)前矢量計(jì)算如下:

R4=cosB×R2-sinB×R3

(3)

R5=cosC×R1-sinC×R4

(4)

R6=sinC×R1+cosC×R4

(5)

R7=sinB×R2+cosB×R3

(6)

最終噴丸作用點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)(X、Y、Z)如下:

X=X0+R5

(7)

Y=Y0+R6

(8)

Z=Z0+R7

(9)

式中,(X0、Y0、Z0)代表軌跡文件中的坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值。

4.3.3 代碼輸入輸出

輸入軌跡文件APTSource代碼,輸出噴丸設(shè)備執(zhí)行的NC程序文件代碼(見(jiàn)圖2)。

a) APT代碼轉(zhuǎn)換NC代碼

4.3.4 后置處理

每次作業(yè)開(kāi)始時(shí),程序自動(dòng)輸出M32代碼激活噴丸噴頭工作,并輸出停止等待30 s指令G4F30,讓噴丸流速達(dá)到均勻穩(wěn)定狀態(tài)后開(kāi)始工作。從一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的過(guò)度時(shí),程序需要自動(dòng)輸出B0代碼,讓正在噴流的彈丸不對(duì)準(zhǔn)零件進(jìn)行,這樣,既保證了不傷害零件表面,又避免了激活、關(guān)閉噴頭及等待時(shí)間,從而提高了工作效率。程序輸出B0是沒(méi)有進(jìn)行RTCP補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)計(jì)算的,設(shè)備運(yùn)行時(shí)也沒(méi)有補(bǔ)償運(yùn)動(dòng),執(zhí)行快,生產(chǎn)效率高。

一般工作狀態(tài)下,噴丸的有效作用長(zhǎng)度是400 mm,所以CATIA數(shù)控編程刀具長(zhǎng)度默認(rèn)設(shè)置為400 mm,當(dāng)然,這個(gè)有效作用長(zhǎng)度和電流、噴丸流速等因素有關(guān)。后置處理自動(dòng)取刀具長(zhǎng)度變量CUTTER.h進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算,對(duì)應(yīng)數(shù)控編程刀具參數(shù)L設(shè)置為400 mm(見(jiàn)圖3)。

圖3 刀具長(zhǎng)度設(shè)定

4.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境

通過(guò)噴丸程序編制、后置程序設(shè)計(jì)、虛擬仿真環(huán)境開(kāi)發(fā)和加工試驗(yàn),完整地驗(yàn)證了噴丸工藝設(shè)計(jì)過(guò)程。噴丸距離、噴丸位置、噴射姿態(tài)得到了精確控制,噴射表面質(zhì)量均勻,提升了噴丸強(qiáng)化一致性。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境如圖4所示。

a) 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)通過(guò)噴丸強(qiáng)化設(shè)備工藝后置仿真研究,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償噴頭姿態(tài)和噴射點(diǎn)位置;完成了設(shè)備驅(qū)動(dòng)從B軸回轉(zhuǎn)中心到末端噴丸作用點(diǎn)的轉(zhuǎn)化。

2)噴丸強(qiáng)化工藝后置仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)化噴丸數(shù)控程序編制、后置、仿真,改善了目前不同角度生成不同程序,不斷重新設(shè)定零點(diǎn),減少了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間,提升了噴丸工藝準(zhǔn)備效率。

3)噴丸工藝后置仿真研究實(shí)現(xiàn)了噴射作業(yè)過(guò)程沿零件曲面法向動(dòng)態(tài)噴射,保證了噴射力入射角噴射強(qiáng)度的一致性,提升了產(chǎn)品表面強(qiáng)化的質(zhì)量。

4)在噴射作業(yè)時(shí)激活計(jì)算補(bǔ)償,在區(qū)域連接運(yùn)動(dòng)中取消計(jì)算補(bǔ)償,可將RTCP補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)激活和取消結(jié)合起來(lái),大大提升了區(qū)域連接運(yùn)動(dòng)效率,提高了零件整體工藝的生產(chǎn)效率。