一種浮動自適應工裝在噴丸強化工藝上的應用

舒曉君，苗奎，徐紅彥

（中航飛機股份有限公司長沙起落架分公司，陜西漢中 723200）

0 引言

飛機零件長期承受循環交變載荷影響，特別是起飛和降落時發揮緩沖作用的起落架零件。噴丸強化工藝可有效提高這些零件抗疲勞強度，延長了飛機零部件疲勞壽命。現今噴丸強化工藝作為一種成熟工藝已廣泛運用于飛機零部件的制造流程。該工藝利用專用機床將高速運動的彈丸流噴打在金屬零件表面，在一定的壓力和流量下沖擊零件而使表面產生塑性循環應變層，由此導致該層的顯微組織發生有利的變化，并使表層引入殘余壓應力場，表層的顯微組織和殘余壓應力場是提高金屬零件的疲勞斷裂和應力腐蝕（含氫脆）斷裂抗力的兩個強化因素，在壓應力層的保護下，可使零件的可靠性和耐久性獲得顯著提高[1]。

1 工藝標準及設備條件

1.1 工藝標準

出于航空零部件的質量和安全的考慮，其操作過程必須受控，工藝標準要高于其它領域，例如德國利勃海爾LAT4-2300金屬零件的噴丸主規范就引用了SAE AMS-S 13165、SAE J442、SAE J443、LAT 4-5707、LAT 7-5323等標準，除了飽和曲線的建立、噴丸主工藝參數的確定等關鍵過程，還包括彈丸、阿爾門試片的選擇與測量、加工中的防護、檢驗、人員、設備等方面的特殊要求[2]。

1.2 設備情況介紹

為了符合工藝標準，通常噴丸設備主要包括數控機器人（噴槍運動的執行機構常見臥式和立式）、示教編程器、彈丸循環系統（分圓、震篩機、彈丸壓力存儲罐、流量控制器）、彈丸回收系統、彈丸清潔系統、工作室、工件輸送系統、設備控制器（主要工藝參數控制）等單元。我單位設備型號為：RSM-50MR-55-4-30荷蘭數控噴丸機，該機床配置了一臺六軸聯動機器人作為噴槍運行機構，如圖1所示， 機器人型號MOTOMAN 為公司SGM型，機器人上配有2只噴嘴用于噴丸工作，機器人有效載荷為50 kg，重復精度為±0.07 mm，工作范圍為≥2061 mm，自由度為6軸。

圖1 垂直多關節型機器人

1.3 工作原理

機床工件輸送系統上配置的旋轉工作臺及工作臺往復移動由機器人外部軸伺服電動機驅動，與機器人實現8軸聯動，控制機器人T軸上固定的噴嘴移動，實現彈丸流100%覆蓋零件需要噴丸表面的目的。對于不要求噴丸覆蓋的零件部位，在加工前應當使用工裝或者其它屏蔽物進行保護。機床控制器通常配置了噴丸強化工藝控制軟件，用于實時顯示工件所有的工藝參數、機床歷史信息查詢、機床管理系統等功能，軟件主要包含壓力、流量實時曲線、工藝過程的數據采集，以及ALMEN飽和曲線自動生成/打印、噴丸飽和曲線及監控數據、故障自診斷顯示和報警記錄及診斷、噴丸工件加工程序儲存、導入、導出等功能，管理噴丸全過程，監測保證工件噴丸工作連續加工[3]。

2 技術條件及工藝分析

某型機主起落架緩沖器外筒工件噴丸技術條件詳見圖2。由圖2可知除了零件尾部268 mm長度范圍（包括耳片）不噴丸，其余部位（包括內孔）均要求噴丸，本文只研究該工件外表面的噴丸，噴丸區和不噴丸區允許有21 mm過渡區，噴丸強度為0.15～0.35 mmA，覆蓋率要求100%～300%。噴丸前零件狀態，材料為300M鋼，工件已經完成大型整體鍛件的數控扒皮和熱后精加工，非配合部位已經符合圖樣尺寸要求，配合孔、面已達鍍鉻前狀態。在長度近2.4 m的范圍，整個零件沒有一段規則的外圓，筒體面成帶錐度橢圓型且與軸線不同心，無法作為工藝基準，零件叉型頭部外懸765 mm導致零件質心嚴重偏心，為不規則回轉體，很難確定機器人各軸的聯動行程是否可以加工零件。

圖2 零件噴丸技術要求

通常根據噴丸強度值和覆蓋率確定的噴丸主要工藝參數有：彈丸規格（民機主要推薦S110和S230）、噴嘴距工件的距離（180～230mm）、噴射角度（45°～90°）、噴嘴規格（?23）、空氣壓力、彈丸流量、噴嘴移動速度。其中前3項參數主要由設備條件和工藝標準決定，工藝可選擇優化的參數主要是壓力、流量和噴嘴移動速度。由于噴射距離要求不高，一般是將零件置于工作臺上固定（如圖3），對于不同的工位選擇工件角度突變即超出角度公差的部位驗證噴丸參數，本零件通過選擇6組試片來確定正面加工即工位1打面強度的飽和曲線。由于6軸聯動機器人空間運行軌跡極為復雜，在排除各軸運動干涉的條件下，工程技術人員采用示教的編程方法，總共確定了5個工位（其余工位類似工位1，區別在于進行了翻轉和平移）才完成了零件的加工，操作工勞動強度高，耗時3 d，效率極低。

圖3 阿爾門試片選擇部位及模擬件加工工位1示意圖

為了解決上述難題，提出了一種浮動自適應工裝，采取類似車削加工一夾一架的裝夾方式，在加工前使用屏蔽物保護零件的不噴丸部位，利用機床工件輸送系統上配置的旋轉工作臺夾持零件及工作臺往復移動由機器人實現8軸聯動，僅用低轉速形成不同的翻轉工位，無需連續回轉，達到彈丸流100%覆蓋零件的目的。零件設計質量為249.156 kg，通過查閱機床資料，機床工件輸送系統上配置的旋轉工作臺轉矩（15.3 N·m）大于零件低轉速轉動所需最大轉矩（8.39 N·m）。

3 工裝主要設計參數

該套工裝主要由推車、浮動支撐座和夾緊接頭三部分組成，主要結構如圖4所示。

圖4 浮動工裝裝夾示意圖

支撐架結構如圖5所示，其作用主要是為了支撐零件，抵消零件軸向質量，使零件夾持更安全可靠，并且保證零件在旋轉噴丸過程中零件中心軸線與噴丸旋轉輸出軸中心一致。支撐位置外輪廓呈橢圓形且與軸線不同心，在零件旋轉過程中會產生高度上下浮差，因此支撐架應當具有高度自適應調節能力，為滿足上下浮差跳動量，支撐架支撐滾輪可自適應調整上下最大高度為30 mm，且支撐力保持不變。在自適應調節裝置上主要零件為液壓緩沖器，該緩沖器特點是支撐力可調，可調范圍為15～300 kg，緩沖行程為30 mm，為保證支撐力平衡和穩定共使用2件。支撐架與工件接觸位置使用滾輪，滾輪表面采用橡膠層保護零件接觸表面以免擦傷，滾輪內部軸承兩端均有骨架油封進行密封，防止在噴丸過程中彈丸顆粒進入軸承內。支撐架支撐高度可通過絲杠與螺母調節和鎖緊，最大調節高度為90 mm，可適用于更多不同直徑的零件。

夾緊接頭結構如圖4、圖5所示，導向凸臺和零件?217.52孔配合，是為了保證夾緊接頭安裝后使零件中心軸線與噴丸旋轉輸出軸中心一致，對零件體上?52耳片孔以穿銷軸的方式使夾緊接頭和零件定位鎖緊，安裝過渡連接盤，機床卡盤夾持連接盤一端，提供轉動動力源實現低轉速角度定向，導向凸臺和鎖緊軸銷上都選用并安裝了摩擦因數較低的聚四氟乙烯材料的襯套，可防止轉動過程中銷軸碰傷零件內孔，另外消除了零件耳片孔與銷軸之間的間隙，方便連接且鎖緊后毫無間隙，零件正反轉時不受影響。

圖5 浮動支撐座結構放大草圖

5 應用及效果

經現場實驗，該零件使用此套夾具進行表面噴丸加工時需要設定3個工位來進行100%覆蓋率噴丸，即分別將零件轉動至0°、90°、-90°狀態，如圖6所示。選擇的工藝參數如表1所示，零件各部位阿爾門試片弧高值為0.180～0.286 mmA，符合0.15～0.35 mmA的噴丸強度要求，零件切換角度全過程由程序控制，不需要停機操作，極大地節省了加工時間，單件加工時間由原來的24 h縮短至9 h。

表1 噴丸工藝參數

圖6 工位示意簡圖

6 結語

本文在技術條件及工藝分析的基礎上，介紹了一種浮動自適應噴丸工裝，該工裝主體采用一夾一架的裝夾方式，并應用了浮動自適應調節裝置——液壓緩沖器，實現了不規則、大型工件的噴丸加工。