趙鐵軍，張 騰，鄭 立，陳東旭，吳 楠，袁振宇

（沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870）

0 引言

隨著近年來機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)中不斷發(fā)展，等離子束技術(shù)與機(jī)器人結(jié)合對零件表面強(qiáng)化處理成為必然趨勢。等離子束表面強(qiáng)化主要特點是提升工業(yè)生產(chǎn)效率、操作簡便、成本低，提高了金屬零件表面質(zhì)量與工藝性能，可以適應(yīng)更復(fù)雜、惡劣的工作環(huán)境，廣泛地用于化工行業(yè)、石油行業(yè)、礦山機(jī)械等領(lǐng)域[1]。Ovcharova[2]運用解數(shù)學(xué)物理方程的解析方法，得到等離子束內(nèi)部溫度場分布情況，通過方程建立了能量平衡方程，確定了電弧大小、工作電流、掃描速度等參數(shù)之間的關(guān)系，但解物理方程的方法求解精度較差。20世紀(jì)60年代，計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)逐步發(fā)展，羅杰等[3]對溫度場進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，最終通過研究得出靠近陰極電流密度較大，溫度也較高，電流與溫度場之間存在一定的線性關(guān)系。等離子束技術(shù)的研究與應(yīng)用有助于推動制造業(yè)的高速發(fā)展[4]。等離子束表面強(qiáng)化技術(shù)是噴槍產(chǎn)生離子束作為熱源，對工件表面進(jìn)行表面強(qiáng)化處理[5]。目前國內(nèi)外對零部件表面強(qiáng)化一般采用手工淬火、工件移動等離子設(shè)備固定等方法，但對于復(fù)雜零件及大型工件很難達(dá)到表面工藝要求[6]。機(jī)械自動化的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人具有可編程、靈活性高，在工業(yè)實際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

因此，本文提出了六軸機(jī)器人與等離子技術(shù)相結(jié)合的方法，將等離子束噴槍安裝在機(jī)器人末端，通過對機(jī)器人進(jìn)行運動學(xué)、動力學(xué)分析，規(guī)劃軌跡路線。通過編程控制機(jī)器人位姿、速度、加速度，控制對等離子束工作電流、工作功率、掃描速度等參數(shù)建立全表面工藝流程。運用有限元軟件（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）對溫度場進(jìn)行分析，分析其參數(shù)變化對其工藝性能的影響。

1 等離子束溫度場有限元模型

1.1 邊界條件確定

金屬材料在移動熱源等離子束作用下，等離子束表面強(qiáng)化零件的有限元模型如圖1 所示。等離子束溫度場數(shù)值模擬主要存在對流、輻射等傳熱形式，在金屬材料內(nèi)部主要是熱傳導(dǎo)、對流形式。等離子束熱能主要是以熱流密度的形式強(qiáng)化零件表面。本文利用Ansys APDL劃分網(wǎng)格，通過對不同節(jié)點、時間施加熱源載荷，為了計算方便，將工件向周圍環(huán)境進(jìn)行的輻射與對流所產(chǎn)生的作用進(jìn)行合成，共用對流系數(shù)參數(shù)來具體體現(xiàn)。在數(shù)值模擬計算時，定義初始溫度為20 ℃，熱源施加于外表面單元節(jié)點上，計算與周圍流體環(huán)境的熱交換。當(dāng)?shù)入x子束溫度到達(dá)1 000 ℃以上時，由不等式確定熱傳導(dǎo)系數(shù)與比熱容參數(shù)[7]，如下式所示：

圖1 零件三維模型

1.2 等離子束熱傳導(dǎo)方程

等離子束表面強(qiáng)化處理過程中，等離子束熱源作用到工件上，表層溫度迅速升高并向基體傳遞熱量，這種熱傳導(dǎo)方式是等離子束表面強(qiáng)化最主要的傳熱方式。等離子束強(qiáng)化不允許發(fā)生表面熔化的現(xiàn)象，整個溫度變化的過程都在固態(tài)下進(jìn)行，因此，等離子束淬火溫度場遵守固體導(dǎo)熱微分方程，溫度分布滿足基本的導(dǎo)熱微分方程。熱傳導(dǎo)方程為[8]：

式中：T 為溫度，℃；ρ為材料密度，kg/m3；cp為比熱容，J/（kg·℃）；λ 為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m·℃）；Q為相變潛熱，mJ。

1.3 熱源模型

等離子束所產(chǎn)生的熱源屬于沖擊效應(yīng)較大的高能量密度熱源，考慮到其具有一定直徑且熱源中心溫度最高向外逐步減弱，因此采用面熱源和雙橢球形的體熱源組合而成。熱源密度函數(shù)為：

式中：q 為等離子熱流密度；L 為任一點距離光斑圓心距離；R為等離子束熱源半徑；qs為最大熱流密度。其表達(dá)式為：

式中：P為等離子噴涂功率；I為電流；U為電壓；η為基體材料能量吸收率。熱源中心密集邊緣呈擴(kuò)散狀態(tài)，其熱源密度在實際工作參數(shù)有限功率選取0.7[9]。

1.4 網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格劃分過程中，網(wǎng)格的密度尺寸將會影響有限元分析的準(zhǔn)確性，因此在劃分網(wǎng)格過程中，應(yīng)該盡量使得網(wǎng)格尺寸小和網(wǎng)格密度增加，但在實際運算時，網(wǎng)格密度太大會使在有限元分析過程中出現(xiàn)不必要的麻煩，同時過細(xì)的網(wǎng)格劃分會導(dǎo)致計算的時間太長。網(wǎng)格劃分通常有映射網(wǎng)格、自由網(wǎng)格劃分兩種。前者網(wǎng)格形狀規(guī)則，為六面體單元，便于施加熱源載荷[10]。綜上所述，本文等離子束表面強(qiáng)化有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 等離子束表面強(qiáng)化有限元網(wǎng)格劃分

1.5 材料熱物性參數(shù)

由熱傳導(dǎo)方程可以看出，影響溫度T 的因素主要由材料密度、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)等熱物性參數(shù)決定，材料的熱物性隨著溫度的變化而變化，因此要考慮材料的非線性問題。在以往的研究中，為了方便計算，往往采用定值，但是在實際過程中，工件溫度變化，其數(shù)值是隨溫度變化的，因此存在較大誤差。一般高溫下的熱物性參數(shù)很少，但是對計算結(jié)果有很大影響。如表1所示為其熱物性參數(shù)，數(shù)學(xué)定義式為：

式中：ΔH 為熱焓； ρ 為材料密度；T 為溫度；c(T) 為比熱容。

表1 45Cr熱物性參數(shù)

2 溫度場數(shù)值模擬結(jié)果與分析

應(yīng)用ANSYS APDL 有限元軟件的后處理功能進(jìn)行溫度場分布情況的分析，通過調(diào)用APDL 中的General postproc 指令、Read Results 中的By Pick 溫度場后處理指令查看溫度分布情況；調(diào)用TimeHist Postpro 時間歷程后處理指令進(jìn)行任意節(jié)點的溫度場分布情況。等離子束表面強(qiáng)化過程溫度場分布情況直接影響到最終表面處理效果。本文根據(jù)APDL后處理功能深刻分析不同工藝參數(shù)對其溫度場的影響。工藝參數(shù)取值范圍如表2所示。

表2 等離子束工藝參數(shù)

2.1 噴槍掃描速度的影響

選取同一節(jié)點，保持其他參數(shù)不變，掃描速度改變，范圍60～100 mm/s，通過調(diào)整命令流參數(shù)，觀察溫度場分布情況。圖3所示為不同掃描速度下溫度場分布云圖，當(dāng)掃描速度為60 mm/s，T=1 037.070 ℃；當(dāng)掃描速度為80 mm/s，T=883.042 ℃；當(dāng)掃描速度為100 mm/s，T=778.773 ℃。可以觀察等離子束經(jīng)過同一節(jié)點時，溫度由T=1 037.070 ℃下降到T=778.773 ℃，逐漸降低。這是由于隨著噴槍掃描速度的增加，噴槍停留在工件表面的時間減小，熱源施加在零件表面熱量降低，故節(jié)點的峰值溫度較低。

2.2 電弧功率對溫度場的影響

掃描速度80 mm/s，電流80 A，噴嘴距離工件距離3 mm，熱源半徑2.5 mm，功率選取2 000～3 000 W的參數(shù)，通過調(diào)整命令流參數(shù)，不同功率參數(shù)下溫度場云圖如圖4所示。當(dāng)功率P=2 000 W時，溫度T=1 119.83 ℃；當(dāng)功率P=2 500 W時，溫度T=1 303.13 ℃；當(dāng)P=3 000 W，瞬時溫度T=1 440.61 ℃。根據(jù)有限元數(shù)值模擬可得，隨著等離子束功率增加，熱源半徑、掃描速度等參數(shù)不變，單位面積下的熱流密度增高，單位時間內(nèi)獲得的熱能增加。

圖3 同一節(jié)點不同掃描速度下溫度場分布示意圖

3 試驗驗證

根據(jù)理論推導(dǎo)及數(shù)值模擬數(shù)據(jù)分析進(jìn)行試驗，選取美國飛馬特等離子弧焊機(jī)作為實驗設(shè)備。此種等離子束設(shè)備操作簡單、成本低廉、實驗結(jié)果穩(wěn)定，并且可以通過調(diào)節(jié)電壓、電流、保護(hù)氣等參數(shù)進(jìn)行全方面地研究。該等離子束機(jī)具有如下技術(shù)參數(shù)，離子氣體流量0.4 m3/h，脈沖頻率范圍50/60 Hz，電流最大值150 A，最大輸出負(fù)載率100%，工作電流150 A。試驗結(jié)果如圖5所示。

圖4 不同功率下溫度場分布示意圖

圖5 等離子束表面強(qiáng)化試驗圖

4 結(jié)束語

（1）數(shù)值模擬選取同一位置節(jié)點，當(dāng)保持電弧功率、工作電流、工作電壓等參數(shù)為定值時，隨著掃描速度增大，溫度逐漸降低，因為在單位時間內(nèi)噴槍停留在工件表面的時間減小，工件表面單位時間內(nèi)吸收的熱量降低，故節(jié)點的峰值溫度較低。在實際工業(yè)生產(chǎn)中要根據(jù)需求適當(dāng)調(diào)整掃描速度參數(shù)，速度過低，單位時間節(jié)點吸收熱量過高，表面精度下降，嚴(yán)重會導(dǎo)致零件內(nèi)部屬性的破壞；反之，速度過高會導(dǎo)致表面處理后的硬化層達(dá)不到預(yù)期強(qiáng)化效果。

（2）當(dāng)保持掃描速度、工作電流、工作電壓等參數(shù)為定值時，隨著電弧功率增加，單位面積下的吸收熱流密度增高，即單位時間內(nèi)獲得的熱能增加。等離子束表面強(qiáng)化處理時，單位時間內(nèi)輸出的熱能越大，硬化層寬度和深度也會隨之改變，有助于表面耐磨性、耐腐蝕性等性能的增強(qiáng)。任何材料都有自己的熔點，所以工作功率不宜過大，否則會使得工件表面發(fā)生熔化現(xiàn)象。故應(yīng)選取適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)值獲得最優(yōu)表面強(qiáng)化效果。

（3）試驗結(jié)果表明，運用六軸機(jī)器人與等離子束技術(shù)相結(jié)合的形式對復(fù)雜工件及大型工件具有很好的表面改性能力。此種方法與傳統(tǒng)等離子束強(qiáng)化相比，具有靈活性高、表面處理之后工藝性能高、硬化層分布均勻、加工穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢，還可以通過離線編程技術(shù)實現(xiàn)軌跡路線的設(shè)定，在未來工業(yè)表面改性智能化加工生產(chǎn)中有重要研究意義。