噴丸強化設備工藝后置仿真技術研究

高云龍,李 昆,張 濤,文 林

(航空工業慶安集團有限公司,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件表面進行連續撞擊,使零件表面產生塑性變形并保留一定殘余壓應力,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。噴丸強化工藝已經越來越廣泛地被應用于飛機壁板、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量及噴丸效率,自動化噴丸技術逐步替代了傳統的手動噴丸強化工藝。該技術是利用數控噴丸設備通過精確控制噴丸參數、噴丸軌跡、噴丸角度等信息實現數字化噴丸工藝過程。由于噴丸強化工藝的特殊性,數控噴丸設備的結構不同于一般的數控加工設備,其設備的結構大多數是根據客戶需求進行的特殊結構定制,設備的標準化程度較低。因此,設計后置仿真環境開展數字化仿真對優化噴丸工藝、實現相關工藝參數的優化設計與工藝過程的精密控制顯得尤為重要。后置仿真技術是一種模擬分析技術,可以在產品真實制造前對加工過程進行仿真,以便發現和解決潛在的問題,減少開發時間和成本。

國內外相關研究學者針對噴丸工藝與后置仿真領域的技術進行了相關研究,形成了一定的技術成果。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,從材料和設備、制造過程以及維護質量等方面進行控制,保證了噴丸質量,提高了鈦合金零件的使用壽命,實現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數控加工的刀位文件,通過分析通用后置處理程序過程,開發五軸聯動水切割機床的后置處理程序,并通過實踐驗證了刀位數據與數控加工程序的轉換;文獻[3]應用IMSpost軟件編寫了針對Global550機床的后置處理文件,結合機床實際結構、軸系進行設置修改,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據,基于此利用前方處理模塊將位源刀數據處理形成礦山機械數控加工程序流程,并通過加工驗證了CAD后置處理技術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]針對不同材料的產品,利用不同規格陶瓷、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生殘余壓應力的變化規律,以及強化效果與噴丸前表面狀態的關系,并基于此進行了工藝參數優化,保證了過程質量;文獻[7]介紹了常見的數控銑加工后置處理方法,實現了高效、快速、高度柔性的數控加工;文獻[8]針對Mikron數控機床的Heidenhain控制系統,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軸工作臺旋轉型五軸機床后置處理中的X、Y、Z軸冗余運動優化問題,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]以六軸五聯動數控拋光機床為例,參照工業機器人運動學,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。

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

2 噴丸強化工藝

噴丸強化設備是一種用于表面處理的機械設備,是一種高效、環保、節能的表面處理設備,廣泛應用于航空、航天、汽車、機械等領域,為提高材料性能和延長壽命發揮了重要作用。其工作原理是利用壓縮空氣或電動機驅動噴槍,將磨料或鋼丸等硬質顆粒加速到高速運動狀態,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,達到提升表面質量和增強材料性能的目的。

噴丸強化設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;然后將金屬件放入噴丸室內,啟動噴丸設備進行噴丸處理,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量符合要求。

3 后置仿真技術

后置仿真技術已經在航空、汽車、機械、電子等領域得到廣泛應用。在工程實踐中,后置仿真技術具有如下優勢:1)可以對實際系統進行在線監測和分析;2)可以通過仿真實驗對系統進行優化和改進,提高系統性能和可靠性;3)可以降低試驗成本和風險,提高試驗效率和可控性。然而,后置仿真技術也存在一些局限性:1)需要充分考慮實際系統與仿真系統之間的差異,確保仿真結果的準確性和可靠性;2)需要建立合理的模型和算法,以適應不同領域和不同應用場景的需求;3)需要解決數據采集、傳輸、處理等技術問題,確保數據的完整性和安全性。未來,隨著信息技術的不斷發展和應用需求的不斷增加,后置仿真技術將會得到不斷迭代完善以及更廣泛的應用。

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,無法人工實現大量代碼計算,只能在設備現場通過手動調整噴頭位置并記錄對應坐標值,然后對這些坐標值進行整理,再手動編制可驅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,不同角度必須對應不同程序,操作者也必須重新設置零點,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。設備沒有RTCP功能,在作業過程中,噴頭旋轉時,噴丸和零件面接觸點速度不穩定,入射角不一致;無RTCP功能,無法實現五軸聯動噴丸作業,從而無法根據曲面曲率動態控制噴射時的入射角,導致噴丸作業中,彈丸流對零件表面的作用力不穩定,作用方向不一致,造成產品表面質量不穩定。針對上述問題通過設計后置仿真環境開展分析測試,解決所面臨的問題。

4.1 設備信息

圖1所示為噴丸設備,其結構及功能、性能基本參數如下。

圖1 噴丸設備

1)結構:Head C/Head B。

2)控制系統:西門子840D SL,無RTCP功能配置。

3)設備運動軸Z正方向:接近零件方向為正,離開為負,與ISO標準反向。

4)旋轉軸B繞X方向旋轉,旋轉方向也沒有遵循ISO標準。

5)當旋轉軸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)設備默認驅動點為旋轉軸B的轉動中心,用轉動中心設置程序零點偏置。

4.2 實驗設計

基于CATIA完成前置數控程序編制,輸出軌跡文件APTSource,在SGPost做后置處理定制開發,動態地計算補償,將程序輸出的每個控制點從B軸轉動中心轉化為噴丸作用點,將CATIA輸出的APTSource文件轉化為噴丸設備能夠執行的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展中的作用不容忽視，學校、家長和社會要相互聯合，糾正目前存在的對學生思想品德教育的誤區，引導學生朝著更為全面健康的方向發展。

(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,輸出噴丸設備執行的NC程序文件代碼(見圖2)。

a) APT代碼轉換NC代碼

4.3.4 后置處理

每次作業開始時,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定狀態后開始工作。從一個區域到另一個區域的過度時,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,設備運行時也沒有補償運動,執行快,生產效率高。

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

圖3 刀具長度設定

4.4 實驗驗證環境

通過噴丸程序編制、后置程序設計、虛擬仿真環境開發和加工試驗,完整地驗證了噴丸工藝設計過程。噴丸距離、噴丸位置、噴射姿態得到了精確控制,噴射表面質量均勻,提升了噴丸強化一致性。實驗驗證環境如圖4所示。

a) 現場作業

5 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)通過噴丸強化設備工藝后置仿真研究,實現了動態補償噴頭姿態和噴射點位置;完成了設備驅動從B軸回轉中心到末端噴丸作用點的轉化。

2)噴丸強化工藝后置仿真技術可以實現全過程自動化噴丸數控程序編制、后置、仿真,改善了目前不同角度生成不同程序,不斷重新設定零點,減少了生產準備時間,提升了噴丸工藝準備效率。

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

4)在噴射作業時激活計算補償,在區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合起來,大大提升了區域連接運動效率,提高了零件整體工藝的生產效率。