基于CATIA與MATLAB開發激光噴丸強化軌跡的方法研究

（中國商用飛機有限責任公司 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，該工藝過程可利用工業機器人執行軌跡[1]進行零部件噴丸處理。在金屬件表面處理及維修領域，激光噴丸強化有很多實際工程應用，比如飛機機翼接頭零件激光噴丸強化處理[2,3]，包括支座類、耳片等疲勞易損零件，表面噴丸強化處理后可以提高其應力腐蝕裂紋的抵抗能力[4,5]。國內外已有許多學者研究激光噴丸處理航空金屬材料，包括鋁合金（Al2024-T351）、鋁鋰合金（AA2198-T3）、鈦合金（Ti-6Al-4V）、鋼（AISI304）及高溫合金（IN718）等[6～8]。Zabeen，S et al.[9]對鋁鋰合金（Al 2099）"T"型截面擠壓材料激光噴丸強化的殘余應力進行實驗和數值分析，噴丸后T形截面上不同部位的殘余應力分布有差異。Ayman M et al.[10]分析在無表面涂層情況下增大激光功率密度，可以提高Al7075試樣噴丸后的表層硬度。Peng，Chong et al.[11]探究了激光噴丸強化能提高直齒輪根部的彎曲疲勞性能，增加激光能量密度有利于齒根部位噴丸殘余壓應力幅值增大，其彎曲疲勞強度也增大。Xing-quan ZHANG et al.[12]分析激光噴丸強化LY12CZ試驗件的緊固件孔周圍部位時得出試驗件疲勞壽命可以很大程度的提高。Wang，JT et al.[13]分析出激光噴丸強化鋁合金Al7075，材料在高溫情況下的抗蠕變性能得到提高。

激光噴丸掃描軌跡路徑對噴丸工藝效果有影響，包括殘余應力分布、零件表面質量及完整性等。帥高鵬等[14]研究了采用四軸機器人進行激光噴丸精確定位軌跡的實現途徑。Salimianrizi，A.et al.[15]和Amini，S.et al.[16]探究噴丸路徑對殘余應力及強度的影響總結出增加噴丸次數能提高材料硬度和強度。Samuel Adu-Gyamfi et.al[17]分析激光噴丸Al2024-T351試樣得出L形螺旋軌跡對噴丸效果有利，噴丸軌跡掃描方式對殘余應力及疲勞性能有重要影響。其中與噴丸軌跡有關的參數又涉及激光噴丸搭接率、光斑形狀及大小、零件外表幾何形狀等。Luo，KY et al.[18]分析激光噴丸的光斑搭接率對LY12 Al殘余應力分布及表面輪廓質量有影響，光斑搭接率超過50%時越大，殘余壓應力水平更高，分布更均勻，表面輪廓均勻性較好。Yadav，Mahesh J et al.[19]在分析激光光斑大小對殘余壓應力的影響時得出增大光斑直徑有利于殘余壓應力層的形成。Karbalaian，H R et al.[20]分析不同搭接率情況下采用方形激光光斑噴丸鋼板，搭接率增加會導致殘余應力增大，對優化噴丸工藝參數有指導作用。Cao Ziwen et al.[21]采用數值模擬分析方形光斑條件下鈦合金Ti-6Al-4V噴丸后光斑作用中心部位存在應力孔現象。Zou，Shikun et al.[22]研究了采用方形光斑噴丸Ti-17壓縮機葉片后的表面完整性及疲勞性能，噴丸葉片兩側面的表面粗糙度降低，疲勞壽命提高一個數量級。Petan，Luca et al.[23]分析出在激光功率不變時，較小直徑光斑噴丸X2NiCoMo18-9-5馬氏體時效鋼表層產生的殘余應力較小。Sticchi，M et al.[24]針對不同牌號鋁合金，對激光噴丸光斑大小及搭接率進行參數化探究時得出提高噴丸搭接率，殘余壓應力增大。Vasu，Anoop et al.[25,26]研究了零件表面曲率對噴丸后表層殘余應力的影響規律，與平面情況相比，增大凹面曲率半徑有利于殘余應力增大，凸面情況效果則相反。Yang，Chunhui et al.[27]采用FEA對比分析不同直徑AA7050圓棒激光噴丸后中心部位的殘余應力，圓棒直徑不同，噴丸中心部位徑向及縱向（軸向）殘余應力分布有很大差異，證實了零件幾何特征影響殘余應力分布。

以上研究大多側重于激光噴丸機理及力學表征分析、噴丸材料及工藝參數的影響，涉及噴丸軌跡路徑對激光噴丸質量的影響規律，而目前對激光噴丸強化軌跡的定制化生成及一體化集成平臺的開發設計，包括軌跡路徑可視化平臺方面的相關研究成果還比較少見。

因此，文中基于CATIA二次開發進行激光噴丸強化工藝軌跡平臺的一體化開發設計，并探究不同激光光斑形狀、表面曲率及搭接率情況下噴丸軌跡的生成及數據點輸出。同時借助MATLAB編程GUI界面對軌跡路徑進行模擬分析仿真，實現了噴丸軌跡規劃、生成、輸出及可視化模擬分析的功能，為后續相關激光噴丸數值模擬及實驗工作提供一定支持。

1 激光噴丸軌跡規劃策略

基于CATIA 二次開發的激光噴丸軌跡平臺界面，可以實現對變化曲率表面的零件噴丸區進行噴丸軌跡的規劃生成、數據點信息提取、渲染及輸出功能。將零件三維模型導入CATIA后，先提取零件噴丸區域的幾何特征曲面，確定與軌跡有關的噴丸工藝參數包括噴丸光斑尺寸、光斑形狀、噴丸搭接率和激光噴丸工藝類型等，選取噴丸點渲染功能等，程序自動計算噴丸點位并在CATIA軟件界面以3D點線顯示。最后進行噴丸點位數據輸出，以Excel格式文件保存噴丸軌跡信息，其軌跡規劃平臺的基本流程如圖1所示。

1.1 噴丸點位計算

激光噴丸點位的計算要考慮噴丸表面變化、軌跡曲線及噴丸搭接率等因素，噴丸搭接率的計算如式(1)所示。圖2所示為曲面上任意軌跡線，確定每條噴丸軌跡長度，再依據噴丸搭接率確定取點間隔，并采用曲線參數取點計算噴丸點數、噴丸點位置及法向坐標，法向代表激光束入射方向。在軌跡曲線起始點處，曲線參數t=0，終點處t=1.0，中間曲線參數ti在0～1.0之間變化，噴丸位置取點計算如式(2)～式(3)所示。

圖1 平臺開發功能及流程圖

圖2 空間曲面上任意軌跡線

式中：η為噴丸搭接率；r為激光光斑半徑/mm；d為激光光斑間距/mm；L為每條軌跡長度/mm；n為噴丸點數（向上取圓整值）；ni為軌跡上第i個噴丸點；ti為第i個噴丸點處的曲線參數。

1.2 3D點線表達技術

在CATIA平臺設計采用3D點線表達噴丸點位置信息，解決噴丸軌跡生成后噴丸點可視化顯示功能，可以快速檢查軌跡點生成過程中可能出現的錯誤等問題。對于不同形狀的激光光斑，分別采用不同的幾何元素表達，其中，“○”圓形幾何元素代表激光光斑大小及位置；“直線”表示噴丸激光束入射方向。圖3所為CATIA軟件環境下圓形激光光斑噴丸點3D點線表達。

圖3 CATIA 軟件環境下圓形光斑噴丸點3D點線表達

1.3 軌跡平臺界面實現

為了便于實現友好的人機交互界面平臺操作，該平臺分為安全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4(a)所示。

2）主界面模塊

該平臺主界面，如圖4(b)所示。分為若干個功能區，各個功能區的實現如下：

（1）噴丸軌跡生成區：選擇并設定噴丸軌跡生成幾何參數；

（2）工藝參數設置區：設置噴丸軌跡工藝參數，比如搭接率，光斑顯隱等；

（3）零組件信息顯示區：顯示與噴丸零件關聯的CATIA幾何特征；

（4）激光噴丸強化類型區：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；

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（6）界面提示信息區：提示用戶當前操作的信息及狀態。

2 MATLAB平臺軌跡模擬界面

為了校驗激光噴丸生成軌跡的正確性，采用MATLAB編程設計可視化交互界面，可實現加載CATIA軌跡平臺生成的輸出Excel結果文件，實現對噴丸軌跡的模擬仿真和查看。如圖5所示的MATLAB平臺軌跡運動仿真界面。

圖4

運用上述GUI模擬界面可實現軌跡文件的加載，顯示/隱藏噴丸軌跡曲線及噴丸點，控制軌跡仿真運動視圖，并校驗噴丸過程軌跡運動情況。

圖5 MATLAB軟件平臺軌跡運動仿真界面

3 實例分析

利用上述CATIA二次開發設計的軌跡生成平臺，考慮在不同激光光斑形狀、零件表面曲率及噴丸搭接率情況下，分析驗證激光噴丸軌跡生成平臺的適用性，并采用開發設計的MATLAB模擬界面對軌跡進行仿真運動查看。

3.1 激光光斑形狀

圖6 不同形狀光斑情況下的表面軌跡生成

3.2 變曲率表面

在激光噴丸搭接率為50%，圓形光斑直徑3.0mm的情況下，對變曲率馬鞍形表面進行噴丸軌跡路徑規劃及輸出，如圖7所示。其中，圖7(b)為生成后的軌跡路徑顯示，圖7(c)為局部放大效果。

圖7 變化曲率表面軌跡生成

3.3 不同搭接率

在圓形激光光斑直徑2.0mm的條件下，對平板表面中心部位規劃噴丸軌跡路徑，分別在搭接率為0%，25%，50%，75%的情況下進行噴丸軌跡的生成顯示，結果如圖8所示。

圖8 不同搭接率情況下表面軌跡生成

3.4 噴丸軌跡模擬仿真

在激光噴丸搭接率為50%，光斑圓形直徑為3.0mm的條件下，變曲率馬鞍形狀表面規劃生成的噴丸點分布如圖9所示，對噴丸軌跡路徑進行MATLAB平臺界面模擬運動仿真，不同時刻的運動狀態分別如圖10(a)～圖10(d)所示。

圖9 馬鞍面激光噴丸點分布

圖10 不同時刻噴丸軌跡運動模擬顯示

4 結語

1）借助CATIA二次開發技術，實現了激光噴丸強化軌跡規劃平臺的人機交互界面，并能與CAD平臺很好的一體化集成。

2）該軌跡規劃平臺能實現不同激光光斑（圓形和方形）形狀、變曲率表面及不同噴丸搭接率情況下的激光噴丸軌跡生成，可為后續進行數值模擬分析及相關試驗工作提供了支持。

3）利用MATLAB開發設計的軌跡運動模擬界面，初步實現了軌跡的運動仿真模擬分析，為前期生成軌跡的校驗查看提供一種途徑。