喷丸强化设备工艺后置仿真技术研究

高云龙,李 昆,张 涛,文 林

(航空工业庆安集团有限公司,陕西 西安 710077)

1 引言

喷丸是以小而硬的弹丸撞击金属零件表面的一种工艺方法。利用高速弹丸流对金属构件表面进行连续撞击,使零件表面产生塑性变形并保留一定残余压应力,以提高零件的抗疲劳强度和抗腐蚀能力,提升零件使用寿命。喷丸强化工艺已经越来越广泛地被应用于飞机壁板、框、蒙皮、叶片、起落架等重要零部件制造中。

为了提高喷丸强化质量及喷丸效率,自动化喷丸技术逐步替代了传统的手动喷丸强化工艺。该技术是利用数控喷丸设备通过精确控制喷丸参数、喷丸轨迹、喷丸角度等信息实现数字化喷丸工艺过程。由于喷丸强化工艺的特殊性,数控喷丸设备的结构不同于一般的数控加工设备,其设备的结构大多数是根据客户需求进行的特殊结构定制,设备的标准化程度较低。因此,设计后置仿真环境开展数字化仿真对优化喷丸工艺、实现相关工艺参数的优化设计与工艺过程的精密控制显得尤为重要。后置仿真技术是一种模拟分析技术,可以在产品真实制造前对加工过程进行仿真,以便发现和解决潜在的问题,减少开发时间和成本。

国内外相关研究学者针对喷丸工艺与后置仿真领域的技术进行了相关研究,形成了一定的技术成果。文献[1]针对钛合金材料存在的疲劳强度低、分散性大、硬度低及耐磨性的缺点,以飞机起落架为研究对象,从材料和设备、制造过程以及维护质量等方面进行控制,保证了喷丸质量,提高了钛合金零件的使用寿命,实现了材料抗疲劳性能的改善与微动疲劳抗力的提高;文献[2]针对CATIA数控加工的刀位文件,通过分析通用后置处理程序过程,开发五轴联动水切割机床的后置处理程序,并通过实践验证了刀位数据与数控加工程序的转换;文献[3]应用IMSpost软件编写了针对Global550机床的后置处理文件,结合机床实际结构、轴系进行设置修改,并进行了仿真与加工验证,证明了后置处理的可行性;文献[4]采用CAD后置处理进行后方处理模块得位源刀数据,基于此利用前方处理模块将位源刀数据处理形成矿山机械数控加工程序流程,并通过加工验证了CAD后置处理技术提高了机械的使用效率;文献[5]针对Cimatron软件使用过程中存在的未进行后处理文件修改,导致无法生成符合要求的NV程序,分别对Cimatron的两种后置处理工具GPP和IMSPOST进行了介绍与加工验证;文献[6]针对不同材料的产品,利用不同规格陶瓷、铸钢弹丸喷丸进行对比试验验证,得到了喷丸强化对材料表面产生残余压应力的变化规律,以及强化效果与喷丸前表面状态的关系,并基于此进行了工艺参数优化,保证了过程质量;文献[7]介绍了常见的数控铣加工后置处理方法,实现了高效、快速、高度柔性的数控加工;文献[8]针对Mikron数控机床的Heidenhain控制系统,通过I-DEAS后置处理输入刀位、机床配置、后置处理程序等信息,得到了机床NC加工程序,并通过加工验证了加工程序的正确性;文献[9]针对AC轴工作台旋转型五轴机床后置处理中的X、Y、Z轴冗余运动优化问题,通过分析后置处理计算过程,并通过实例验证了得到的X、Y、Z轴的运动路径最短;文献[10]以六轴五联动数控抛光机床为例,参照工业机器人运动学,建立了一系列坐标系并进行运动学求解,推导出该机床的后置处理方法,并通过虚拟仿真加工验证了后置处理方法得到的NC代码的有效性。

本文结合实际工艺需求,针对工艺编程、设备操作面临的问题,通过开展喷丸强化设备工艺后置仿真技术研究,完成后置处理定制化开发,将CATIA软件生成的轨迹代码转化为驱动喷丸设备运动的数控程序,同时计算补偿方式,结合喷丸工艺要求,实现了喷丸数控程序和设备系统的匹配,解决了喷丸过程的连续性和法向喷射的一致性问题,提高了喷丸工艺过程质量和生产效率。

2 喷丸强化工艺

喷丸强化设备是一种用于表面处理的机械设备,是一种高效、环保、节能的表面处理设备,广泛应用于航空、航天、汽车、机械等领域,为提高材料性能和延长寿命发挥了重要作用。其工作原理是利用压缩空气或电动机驱动喷枪,将磨料或钢丸等硬质颗粒加速到高速运动状态,然后喷射到待处理的金属表面,形成冲击和磨削作用,去除表面氧化皮、锈蚀和毛刺等缺陷,降低表面粗糙度,提高表面硬度,达到提升表面质量和增强材料性能的目的。

喷丸强化设备的工艺流程主要包括清洗、预处理、喷丸、除尘、检测等步骤。首先,对待喷丸金属表面进行清洗和预处理,以确保表面无油污、锈蚀和氧化皮等杂质;然后将金属件放入喷丸室内,启动喷丸设备进行喷丸处理,喷丸工艺后,需要进行除尘操作,以去除喷丸过程中产生的尘埃和颗粒;最后进行检测,以确保处理后的金属表面质量符合要求。

3 后置仿真技术

后置仿真技术已经在航空、汽车、机械、电子等领域得到广泛应用。在工程实践中,后置仿真技术具有如下优势:1)可以对实际系统进行在线监测和分析;2)可以通过仿真实验对系统进行优化和改进,提高系统性能和可靠性;3)可以降低试验成本和风险,提高试验效率和可控性。然而,后置仿真技术也存在一些局限性:1)需要充分考虑实际系统与仿真系统之间的差异,确保仿真结果的准确性和可靠性;2)需要建立合理的模型和算法,以适应不同领域和不同应用场景的需求;3)需要解决数据采集、传输、处理等技术问题,确保数据的完整性和安全性。未来,随着信息技术的不断发展和应用需求的不断增加,后置仿真技术将会得到不断迭代完善以及更广泛的应用。

4 喷丸后置仿真实验

在喷丸工艺编程方面,没有针对该非标设备匹配的定制化后置处理,无法自动生成匹配的喷丸程序,无法人工实现大量代码计算,只能在设备现场通过手动调整喷头位置并记录对应坐标值,然后对这些坐标值进行整理,再手动编制可驱动喷头运行的简单程序。

手动编制喷丸程序存在较多缺点,例如只能选择定角度喷射编程,不同角度必须对应不同程序,操作者也必须重新设置零点,这样操作效率低,并且手动编制喷丸程序喷头位置和喷头与零件表面的距离依靠量尺测量和目测,编制的程序误差较大。设备没有RTCP功能,在作业过程中,喷头旋转时,喷丸和零件面接触点速度不稳定,入射角不一致;无RTCP功能,无法实现五轴联动喷丸作业,从而无法根据曲面曲率动态控制喷射时的入射角,导致喷丸作业中,弹丸流对零件表面的作用力不稳定,作用方向不一致,造成产品表面质量不稳定。针对上述问题通过设计后置仿真环境开展分析测试,解决所面临的问题。

4.1 设备信息

图1所示为喷丸设备,其结构及功能、性能基本参数如下。

图1 喷丸设备

1)结构:Head C/Head B。

2)控制系统:西门子840D SL,无RTCP功能配置。

3)设备运动轴Z正方向:接近零件方向为正,离开为负,与ISO标准反向。

4)旋转轴B绕X方向旋转,旋转方向也没有遵循ISO标准。

5)当旋转轴B=0°时,喷头作用方向为水平方向。

6)喷头有效作用长度为400 mm。

7)设备默认驱动点为旋转轴B的转动中心,用转动中心设置程序零点偏置。

4.2 实验设计

基于CATIA完成前置数控程序编制,输出轨迹文件APTSource,在SGPost做后置处理定制开发,动态地计算补偿,将程序输出的每个控制点从B轴转动中心转化为喷丸作用点,将CATIA输出的APTSource文件转化为喷丸设备能够执行的NC程序文件,最后在VERICUT虚拟仿真软件平台开展喷丸仿真。

4.3 后置处理设计

4.3.1 变量定义、初始化

R0 = -70;喷嘴Y方向偏置

R1 = -105/2;两个喷嘴中心X方向偏置

R2 = R4-CUTTER.h;喷嘴Y方向偏置,叠加喷嘴到喷丸作用长度变量(具体值来自APTSource)

R3 = -190;喷嘴Z方向偏置

4.3.2 计算过程

1)角度计算。

总而言之，小学阶段的思想品德教育在学生今后的成长发展中的作用不容忽视，学校、家长和社会要相互联合，纠正目前存在的对学生思想品德教育的误区，引导学生朝着更为全面健康的方向发展。

(1)

(2)

2)补偿计算。

R5、R6、R7代表(X,Y,Z)3个方向最终的补偿量,利用当前矢量计算如下:

R4=cosB×R2-sinB×R3

(3)

R5=cosC×R1-sinC×R4

(4)

R6=sinC×R1+cosC×R4

(5)

R7=sinB×R2+cosB×R3

(6)

最终喷丸作用点点位坐标(X、Y、Z)如下:

X=X0+R5

(7)

Y=Y0+R6

(8)

Z=Z0+R7

(9)

式中,(X0、Y0、Z0)代表轨迹文件中的坐标点的坐标值。

4.3.3 代码输入输出

输入轨迹文件APTSource代码,输出喷丸设备执行的NC程序文件代码(见图2)。

a) APT代码转换NC代码

4.3.4 后置处理

每次作业开始时,程序自动输出M32代码激活喷丸喷头工作,并输出停止等待30 s指令G4F30,让喷丸流速达到均匀稳定状态后开始工作。从一个区域到另一个区域的过度时,程序需要自动输出B0代码,让正在喷流的弹丸不对准零件进行,这样,既保证了不伤害零件表面,又避免了激活、关闭喷头及等待时间,从而提高了工作效率。程序输出B0是没有进行RTCP补偿运动计算的,设备运行时也没有补偿运动,执行快,生产效率高。

一般工作状态下,喷丸的有效作用长度是400 mm,所以CATIA数控编程刀具长度默认设置为400 mm,当然,这个有效作用长度和电流、喷丸流速等因素有关。后置处理自动取刀具长度变量CUTTER.h进行补偿运算,对应数控编程刀具参数L设置为400 mm(见图3)。

图3 刀具长度设定

4.4 实验验证环境

通过喷丸程序编制、后置程序设计、虚拟仿真环境开发和加工试验,完整地验证了喷丸工艺设计过程。喷丸距离、喷丸位置、喷射姿态得到了精确控制,喷射表面质量均匀,提升了喷丸强化一致性。实验验证环境如图4所示。

a) 现场作业

5 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)通过喷丸强化设备工艺后置仿真研究,实现了动态补偿喷头姿态和喷射点位置;完成了设备驱动从B轴回转中心到末端喷丸作用点的转化。

2)喷丸强化工艺后置仿真技术可以实现全过程自动化喷丸数控程序编制、后置、仿真,改善了目前不同角度生成不同程序,不断重新设定零点,减少了生产准备时间,提升了喷丸工艺准备效率。

3)喷丸工艺后置仿真研究实现了喷射作业过程沿零件曲面法向动态喷射,保证了喷射力入射角喷射强度的一致性,提升了产品表面强化的质量。

4)在喷射作业时激活计算补偿,在区域连接运动中取消计算补偿,可将RTCP补偿运动激活和取消结合起来,大大提升了区域连接运动效率,提高了零件整体工艺的生产效率。