飛機機加框激光噴丸軌跡生成及數值分析

方 陽

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

激光噴丸強化是一種新型表面改性技術，相比傳統彈珠噴丸具有表面完整性好、殘余壓應力層深、零件疲勞壽命長，自動化程度高及工作環境好等優勢，尤其在零件易疲勞部位(如轉角、底圓角、曲度變化劇烈等區域)比傳統噴丸強化有更好的工藝靈活性及表面強化效果。

激光噴丸強化在飛機零部件表面處理及維修領域有很多工程應用。比如飛機機翼接頭零件的激光噴丸強化處理[1-4]，包括一些支座類、耳片等疲勞易損零件，以提高應力腐蝕裂紋的抵抗能力[5-6]。已有研究表明激光噴丸可以處理多種常用航空金屬材料，比如鋁(Al2024-T351)、鋁鋰合金(AA2198-T3)、鈦合金(Ti-6Al-4V)、鋼(AISI304)及高溫合金(IN718)等[7-12]。

作為噴丸工藝實現工業應用的一個重要環節，軌跡生成及路徑規劃會影響噴丸質量、效率及成本，與傳統彈丸噴丸處理復雜零部件類似[13]，需要根據零件外形幾何特征和噴丸部位進行噴丸前期路徑的生成及預處理，激光噴丸強化工藝靈活性比較大，可以借助工業機器人或專用設備執行軌跡[14]進行噴丸處理。SALIMIANRIZI A. et al.[15]和AMINI S. et al.[16]探究了噴丸路徑對殘余應力及強度的影響，噴丸次數增加會提高材料硬度和強度，一定程度會降低韌性。ZOU Shikun et al.[17]研究了采用方形光斑噴丸Ti-17壓縮機葉片的表面完整性及疲勞性能，噴丸后葉片兩側面的表面粗糙度降低，疲勞壽命提高一個數量級。CAO Ziwen et al.[18]采用數值模擬分析方形光斑條件下鈦合金Ti-6Al-4V噴丸后在光斑作用中心部位存在應力孔現象。YANG Chunhui et al.[19]采用FEA對比分析不同直徑的AA7050圓棒激光噴丸后中心部位的殘余應力，圓棒直徑不同，噴丸后中心部位徑向及縱向(軸向)殘余應力分布有很大差異。目前國內外大多數研究側重于試驗件激光噴丸、噴丸機理及變形力學特征分析、噴丸材料及工藝參數影響等，關于激光噴丸強化軌跡定制化生成及一體化集成平臺的開發設計，以及軌跡路徑對噴丸質量及效率影響的有關研究還比較少。

基于CATIA軟件實現了激光噴丸強化工藝軌跡平臺軟件的一體化開發，并對某機型貨艙門框的機加框噴丸區進行噴丸路徑規劃和軌跡生成，按照輸出的軌跡點數據，采用ABAQUS有限元軟件的子程序分析激光噴丸區域的變形行為，包括分析應力、應變及變形位移的分布特點。

1 激光噴丸強化軌跡平臺開發

圖1 平臺開發功能及流程圖

CATIA是制造業領域的一款主流軟件，提供兩種二次開發接口，包括自動化對象編程和開放的基于構件的應用編程接口。前者采用VB，編程系統采用面向對象、事件驅動的編程機制，提供一種簡單易行的可視化程序設計方法。后者是以框架技術為開發平臺，采用標準接口技術，利用C ++ 與 CATIA 進行通信，可根據用戶需求實現對 CATIA 所有開放接口的二次開發。C#是一種面向對象的高級程序設計語言，綜合VB簡單可視化操作和C++高速運行效率的特點。利用C#編程語言，基于CATIA軟件進行激光噴丸強化工藝軌跡平臺軟件的開發工作，該軟件平臺開發功能及流程如圖1所示。

1.1 軌跡平臺軟件交互界面

為了實現友好人機交互界面平臺的操作，該平臺軟件分為登錄模塊和噴丸軌跡規劃及生成輸出的主界面模塊。

1)登錄模塊：輸入用戶名和密碼，驗證訪問權限后進入主界面，且新用戶可以進行注冊實現權限安全管理，如圖2所示。

圖2 登錄界面

2)主界面模塊：該平臺主界面，如圖3所示，分為若干個功能區，各個功能區的實現如下：

圖3 CATIA軟件噴丸軌跡平臺主界面

(1)噴丸軌跡生成模塊：選擇并設定噴丸軌跡生成幾何參數；

(2)噴丸工藝參數設置模塊：設置噴丸軌跡工藝參數，比如覆蓋率，光斑顯示與隱藏；

(3)零組件信息顯示模塊：顯示與噴丸零件關聯的CATIA幾何特征；

(4)激光噴丸強化類型模塊：選擇噴丸工藝類型，按需可選擇單面和雙面噴丸；

(5)工作任務進度區：顯示用戶當前的任務進度及工作量；

(6)界面提示信息區域：提示用戶當前操作的信息及狀態。

1.2 機加框噴丸軌跡生成

以某型飛機機身前貨艙門框部位需要進行噴丸處理的機加框零件為例，圖4(a)為軌跡平臺主界面在CATIA軟件中的交互界面顯示，圖4(b)和(c)分別為機加框局部噴丸部位的軌跡生成過程及結果文件輸出。

(a)機加框的激光噴丸區域

(b)噴丸區軌跡生成

(c)激光噴丸軌跡輸出圖4 機加框噴丸軌跡生成圖示

根據上述軌跡平臺規劃生成及輸出的噴丸軌跡相關數據，在一定程度上可以實現后續激光噴丸強化(或成形)的數值分析及實驗驗證工作。

2 機加框激光噴丸數值分析

根據第1.2節激光噴丸軌跡平臺生成的噴丸軌跡，利用ABAQUS有限元軟件對機加框噴丸區進行激光噴丸數值模擬，分析機加框激光噴丸后的變形行為特點，驗證噴丸軌跡平臺用于軌跡的適用性。

2.1 材料及工藝參數

貨艙門框機加框材料采用鋁合金2050-T8，其化學成分見表1，因激光噴丸材料變形為動態屈服塑性變形，應變率在106s-1量級。因此，應力應變關系可采用Johnson-Cook模型，如式(1)所示。

(1)

式中：

表1 2050-T8化學成分[22]組成

表2 2050-T8 Johnson-Cook模型參數

激光噴丸強化的激光源目前比較常見是采用工業級Nd:YAG(摻釹釔鋁石榴石)固體激光器，工藝參數如表3所示。

表3 激光工藝參數

在激光噴丸強化過程中，激光光斑覆蓋區域內在零件表面誘發的脈沖壓力分布可近似采用高斯分布[22]模型，如式(2)所示。

(2)

式中：

r為激光光斑半徑/mm；p0(t)為激光瞬時脈沖壓力/Mpa。

2.2 機加框激光噴丸數值模擬

考慮模擬成本及噴丸斑點具有規則分布特征，選取機加框噴丸區具有代表性的局部進行激光噴丸FEA分析，網格單元類為C3D8R，噴丸部位網格進行細化(0.25 mm)，依據軌跡路徑，采用VDLOAD子程序進行激光噴丸變形分析，整個模型共有617 640個單元，有限元模型如圖5所示。

圖5 激光噴丸區域FEA模型

2.2.1 噴丸區域應力分析

為了探究激光噴丸區域應力分布特點，現對機加框噴丸區域的不同部位最小主應力進行對比分析。圖6所示為距離參考基準面d=21.5 mm處應力分布，圖7為距離參考基準面21.5 mm、23.0 mm、24.5 mm和26.0 mm處應力分布。

圖6 噴丸區域d=21.5 mm處最小主應力

圖7 噴丸區域不同位置最小主應力分布

從圖6和圖7中應力分布可以看出，最小壓應力均不在零件表面部位，而在距離表面大約1.0 mm厚度處，且距離參考基準面不同位置處的激光噴丸最小壓應力值基本相同，壓應力分布也較均勻，最小應力值范圍在-460 Mpa～-510 Mpa。

2.2.2 噴丸區域應變分析

為了進一步分析激光噴丸對局部塑性變形的影響，采用等效塑性應變(Equivalent plastic strain，以下簡稱PEEQ)與應力分析一致，提取噴丸區域不同部位的等效應變PEEQ。圖8所示為距離參考基準面d=21.5 mm處的PEEQ分布，圖9為距離參考基準面為21.5 mm、23.0 mm、24.5 mm和26.0 mm處的應變分布。

圖8 噴丸區域d=21.5 mm處PEEQ分布

圖9 噴丸區域不同位置處PEEQ分布

圖8和圖9的等效應變PEEQ分布表明最大應變不在零件表面部位，也大致位于距離表面1.0 mm厚度處，且距離參考基準面不同位置的等效塑性應變PEEQ分布較均勻，最大應變范圍在0.03 ～ 0.04。

2.2.3 噴丸區域變形位移分析

圖10所示為噴丸區域中心部位(d=26.0 mm)處的變形位移量沿著中心路徑(圖示紅色標識處)的變化，在兩端平面噴丸區域與圓角噴丸區域過渡處，位移量變化存在拐點，整個噴丸路徑區域的平均變形位移量為50 μm左右，數值分析表明機加框零件激光噴丸區域的表面質量較好。

圖10 中心噴丸部位(d=26.0 mm)變形位移

3 結論

通過上述激光噴丸工藝路徑軌跡規劃及生成平臺的開發及對某機型貨艙門框機加框的激光噴丸強化數值模擬分析研究，得出以下幾點結論：

1)利用CATIA軟件開發，實現激光噴丸強化軌跡規劃生成與CAD平臺一體化集成功能，具有較好的人機交互界面；

2)在給定參數情況下，門框機加框局部激光噴丸后最大壓應力距離表面1.0 mm左右，最大等效應變0.03～0.04，零件表面平均變形位移量50 μm，表面質量較好；

3)基于FEA有限元分析，機加框激光噴丸數值模擬分析驗證了激光噴丸強化軌跡平臺用于噴丸軌跡規劃及生成輸出的適用性。