高云龍,李 昆,張 濤,文 林

(航空工業(yè)慶安集團有限公司,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。利用高速彈丸流對金屬構(gòu)件表面進行連續(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度和抗腐蝕能力,提升零件使用壽命。噴丸強化工藝已經(jīng)越來越廣泛地被應(yīng)用于飛機壁板、框、蒙皮、葉片、起落架等重要零部件制造中。

為了提高噴丸強化質(zhì)量及噴丸效率,自動化噴丸技術(shù)逐步替代了傳統(tǒng)的手動噴丸強化工藝。該技術(shù)是利用數(shù)控噴丸設(shè)備通過精確控制噴丸參數(shù)、噴丸軌跡、噴丸角度等信息實現(xiàn)數(shù)字化噴丸工藝過程。由于噴丸強化工藝的特殊性,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)客戶需求進行的特殊結(jié)構(gòu)定制,設(shè)備的標準化程度較低。因此,設(shè)計后置仿真環(huán)境開展數(shù)字化仿真對優(yōu)化噴丸工藝、實現(xiàn)相關(guān)工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計與工藝過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)品真實制造前對加工過程進行仿真,以便發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題,減少開發(fā)時間和成本。

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

本文結(jié)合實際工藝需求,針對工藝編程、設(shè)備操作面臨的問題,通過開展噴丸強化設(shè)備工藝后置仿真技術(shù)研究,完成后置處理定制化開發(fā),將CATIA軟件生成的軌跡代碼轉(zhuǎn)化為驅(qū)動噴丸設(shè)備運動的數(shù)控程序,同時計算補償方式,結(jié)合噴丸工藝要求,實現(xiàn)了噴丸數(shù)控程序和設(shè)備系統(tǒng)的匹配,解決了噴丸過程的連續(xù)性和法向噴射的一致性問題,提高了噴丸工藝過程質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2 噴丸強化工藝

噴丸強化設(shè)備是一種用于表面處理的機械設(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、機械等領(lǐng)域,為提高材料性能和延長壽命發(fā)揮了重要作用。其工作原理是利用壓縮空氣或電動機驅(qū)動噴槍,將磨料或鋼丸等硬質(zhì)顆粒加速到高速運動狀態(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,達到提升表面質(zhì)量和增強材料性能的目的。

噴丸強化設(shè)備的工藝流程主要包括清洗、預處理、噴丸、除塵、檢測等步驟。首先,對待噴丸金屬表面進行清洗和預處理,以確保表面無油污、銹蝕和氧化皮等雜質(zhì);然后將金屬件放入噴丸室內(nèi),啟動噴丸設(shè)備進行噴丸處理,噴丸工藝后,需要進行除塵操作,以去除噴丸過程中產(chǎn)生的塵埃和顆粒;最后進行檢測,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、機械、電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在工程實踐中,后置仿真技術(shù)具有如下優(yōu)勢:1)可以對實際系統(tǒng)進行在線監(jiān)測和分析;2)可以通過仿真實驗對系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進,提高系統(tǒng)性能和可靠性;3)可以降低試驗成本和風險,提高試驗效率和可控性。然而,后置仿真技術(shù)也存在一些局限性:1)需要充分考慮實際系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)之間的差異,確保仿真結(jié)果的準確性和可靠性;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)用場景的需求;3)需要解決數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理等技術(shù)問題,確保數(shù)據(jù)的完整性和安全性。未來,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 噴丸后置仿真實驗

在噴丸工藝編程方面,沒有針對該非標設(shè)備匹配的定制化后置處理,無法自動生成匹配的噴丸程序,無法人工實現(xiàn)大量代碼計算,只能在設(shè)備現(xiàn)場通過手動調(diào)整噴頭位置并記錄對應(yīng)坐標值,然后對這些坐標值進行整理,再手動編制可驅(qū)動噴頭運行的簡單程序。

手動編制噴丸程序存在較多缺點,例如只能選擇定角度噴射編程,不同角度必須對應(yīng)不同程序,操作者也必須重新設(shè)置零點,這樣操作效率低,并且手動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量和目測,編制的程序誤差較大。設(shè)備沒有RTCP功能,在作業(yè)過程中,噴頭旋轉(zhuǎn)時,噴丸和零件面接觸點速度不穩(wěn)定,入射角不一致;無RTCP功能,無法實現(xiàn)五軸聯(lián)動噴丸作業(yè),從而無法根據(jù)曲面曲率動態(tài)控制噴射時的入射角,導致噴丸作業(yè)中,彈丸流對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。針對上述問題通過設(shè)計后置仿真環(huán)境開展分析測試,解決所面臨的問題。

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):西門子840D SL,無RTCP功能配置。

3)設(shè)備運動軸Z正方向:接近零件方向為正,離開為負,與ISO標準反向。

4)旋轉(zhuǎn)軸B繞X方向旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)方向也沒有遵循ISO標準。

5)當旋轉(zhuǎn)軸B=0°時,噴頭作用方向為水平方向。

6)噴頭有效作用長度為400 mm。

7)設(shè)備默認驅(qū)動點為旋轉(zhuǎn)軸B的轉(zhuǎn)動中心,用轉(zhuǎn)動中心設(shè)置程序零點偏置。

4.2 實驗設(shè)計

基于CATIA完成前置數(shù)控程序編制,輸出軌跡文件APTSource,在SGPost做后置處理定制開發(fā),動態(tài)地計算補償,將程序輸出的每個控制點從B軸轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)化為噴丸作用點,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虛擬仿真軟件平臺開展噴丸仿真。

4.3 后置處理設(shè)計

4.3.1 變量定義、初始化

R0 = -70;噴嘴Y方向偏置

R1 = -105/2;兩個噴嘴中心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度變量(具體值來自APTSource)

R3 = -190;噴嘴Z方向偏置

4.3.2 計算過程

1)角度計算。

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

(1)

(2)

2)補償計算。

R5、R6、R7代表(X,Y,Z)3個方向最終的補償量,利用當前矢量計算如下:

R4=cosB×R2-sinB×R3

(3)

R5=cosC×R1-sinC×R4

(4)

R6=sinC×R1+cosC×R4

(5)

R7=sinB×R2+cosB×R3

(6)

最終噴丸作用點點位坐標(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點的坐標值。

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)開始時,程序自動輸出M32代碼激活噴丸噴頭工作,并輸出停止等待30 s指令G4F30,讓噴丸流速達到均勻穩(wěn)定狀態(tài)后開始工作。從一個區(qū)域到另一個區(qū)域的過度時,程序需要自動輸出B0代碼,讓正在噴流的彈丸不對準零件進行,這樣,既保證了不傷害零件表面,又避免了激活、關(guān)閉噴頭及等待時間,從而提高了工作效率。程序輸出B0是沒有進行RTCP補償運動計算的,設(shè)備運行時也沒有補償運動,執(zhí)行快,生產(chǎn)效率高。

一般工作狀態(tài)下,噴丸的有效作用長度是400 mm,所以CATIA數(shù)控編程刀具長度默認設(shè)置為400 mm,當然,這個有效作用長度和電流、噴丸流速等因素有關(guān)。后置處理自動取刀具長度變量CUTTER.h進行補償運算,對應(yīng)數(shù)控編程刀具參數(shù)L設(shè)置為400 mm(見圖3)。

圖3 刀具長度設(shè)定

4.4 實驗驗證環(huán)境

通過噴丸程序編制、后置程序設(shè)計、虛擬仿真環(huán)境開發(fā)和加工試驗,完整地驗證了噴丸工藝設(shè)計過程。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,提升了噴丸強化一致性。實驗驗證環(huán)境如圖4所示。

a) 現(xiàn)場作業(yè)

5 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)通過噴丸強化設(shè)備工藝后置仿真研究,實現(xiàn)了動態(tài)補償噴頭姿態(tài)和噴射點位置;完成了設(shè)備驅(qū)動從B軸回轉(zhuǎn)中心到末端噴丸作用點的轉(zhuǎn)化。

2)噴丸強化工藝后置仿真技術(shù)可以實現(xiàn)全過程自動化噴丸數(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,減少了生產(chǎn)準備時間,提升了噴丸工藝準備效率。

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

4)在噴射作業(yè)時激活計算補償,在區(qū)域連接運動中取消計算補償,可將RTCP補償運動激活和取消結(jié)合起來,大大提升了區(qū)域連接運動效率,提高了零件整體工藝的生產(chǎn)效率。