基于PLC控制的濕式噴砂機研究與設計

張海峰，王衛華，趙愛玲，宋強

(安陽工學院飛行學院，河南安陽455000)

噴砂是以壓縮空氣為動力，將磨料固體顆粒經噴槍形成高速射流，高速噴射到工件表面，通過磨料沖擊和切削作用，改變工件表面清潔度、粗糙度、機械性能和工藝特性等，是磨具加工的關鍵工序。噴砂通過砂丸混合射流磨蝕工件表面，使其表層產生塑性流動，細化表層金屬組織結構，改善表層殘余壓縮應力。工件表面強化能極大增進其疲勞壽命和抵抗應力腐蝕的能力，可廣泛應用于汽車、摩托車、飛機等行業。汽車工業某些典型零件應用噴砂強化后，疲勞壽命大大得到提高:如板簧提高600%，曲軸提高900%，齒輪提高1 500%［1－3］。傳統干式噴砂存在比較嚴重的粉塵污染問題，無法直接布置在生產線內，分開獨立設置增加了生產中轉環節，但是限于使用習慣等原因，目前傳統干式噴砂仍有廣泛應用。

此項目研究的濕式噴砂機，替代企業原有傳統干式噴砂機用于系列模具的表面處理和應力改善。采用PLC 集中控制，通過CFD 仿真及參數優化，消除傳統干式噴砂的粉塵污染，實現噴砂工藝全自動化，兼具環境整潔無污染、操作便利和應用經濟性等優勢。實際測試表明:濕式噴砂處理后表面粗糙度和傳統干式噴砂效果相當，表面應力分布更加均勻，整體工藝效果優于傳統干式噴砂，具有較高應用價值和推廣前景。

1 濕式噴砂裝置工作原理與結構設計

1.1 工作原理

濕式噴砂以磨液泵為磨液供給動力，以壓縮空氣為噴砂加速動力，把混合均勻的磨料液體經噴嘴形成射流，高速噴射到零件表面，通過高速混合磨料射流的沖蝕磨削作用，實現對工件表面強化、清洗、噴涂和改性等工藝目的。磨液(磨料液體)一般用清水與一定粒度的磨料(根據工件不同材質，可選石英砂、玻璃丸、氧化鋁、碳化硅等)按一定配比混合而成，循環使用，噴砂原理如圖1 所示。

圖1 濕式噴砂原理圖

1.2 組成結構

濕式噴砂機主要包括主機系統 (含噴砂工作倉)，噴槍及驅動單元，PLC 控制系統，人機交互界面，工件驅動及固定單元，氣、液泵壓力單元，磨液池及收砂單元，限位單元及輸送管線等，組成結構如圖2 所示。

圖2 濕式噴砂機組成原理圖

濕式噴砂機在PLC 控制系統作用下進行噴砂加工。工作時通過人機交互界面和控制面板打開氣、液壓力泵電源，混合磨料磨液;選擇模具型號，驅動工件進入噴砂工作倉固定;驅動噴槍至工作原點，打開噴槍氣、液管線電磁閥;高速磨液射流噴射到工件表面，按照“S”路徑進行噴砂加工;最后關閉氣、液壓力泵，噴槍復位，工件退出，完成噴砂加工。

收砂單元主要由旋流器和階梯式沉淀箱組成，用于磨料磨液分離和重復回收利用。

2 工作方案與PLC 控制系統

2.1 工作方案

傳統干式噴砂主要有噴槍擺桿和工件滑臺兩種工作方案。前者通過噴槍擺動和工件旋轉進行噴砂加工，在處理大尺寸工件時，由于噴槍擺動造成噴砂加工距離和角度的顯著變化，使得工件中心與邊緣之間存在加工嚴重差異和不均勻問題;另外驅動大工件的動力成本和安全要求更高。后者固定噴槍，通過滑臺機構移動工件進行噴砂加工，較好解決了噴槍擺桿機構造成的加工均勻性問題，但由于高速射流可能滲入滑臺機構，造成滑臺磨損或失效。綜合傳統干式噴砂加工方案優缺點，設計噴槍驅動噴砂加工方案，如圖3 所示。

圖3 噴槍驅動結構示意圖

噴槍固定在推桿電機前端，由x、y 向步進電機和z 向推桿電機聯合驅動。整個驅動單元用鋁殼密封，與噴砂工作倉之間加裝軟質卷閘式防護罩，防止磨液侵蝕。

2.2 噴槍驅動路徑

為提高噴砂加工均勻性，噴槍在驅動單元驅動下按照“S”路徑進行噴砂加工，如圖4 所示。

圖4 噴槍“S”路徑移動噴砂示意圖

噴槍首先從噴砂原點沿x 方向到達終點，然后y向偏移Δy 距離后，再逆x 方向到達原點，多次往復完成x 方向“S”路徑噴砂過程;其次按照y 向行進，x向偏移Δx 的方法，多次往復完成y 向“S”路徑噴砂過程。多次循環往復可保證噴砂加工當量時間要求。

2.3 PLC 控制系統組成

噴砂機依靠PLC 控制系統單機運行。受控制電機主要有工件驅動電機、噴槍驅動步進電機、推桿電機、砂泵(磨液泵、收砂泵)、氣泵、工件清洗水泵和工作倉排霧電機。其他輸入輸出器件主要有控制面板、接近開關、壓力報警傳感器等，組成如圖5 所示。另外，為保證整個裝置正常運行的其他輔助器件，如步進電機驅動器、正反轉互鎖開關、電機熱保護器、運行指示器件等未在圖中標注。

選用歐姆龍公司的CPM2A-60CDT-D 型PLC 作為控制器。該控制器有60 個輸入輸出(I/O)點，其中有36 個輸入點、24 個輸出點，具有體積小、功能強、耐用性高等優點，晶體管輸出與電磁閥連接控制液(水、氣、砂)泵或排霧電機，自帶2 路脈沖輸出(脈沖頻率10 Hz ～10 kHz)與驅動器連接控制步進電機［4－5］。

圖5 PLC 控制系統組成框圖

2.4 PLC 輸入輸出端口分配

控制系統設置手動和自動兩種噴砂作業模式。手動模式主要用于裝置的調試或工件手動加工，自動模式主要完成噴槍驅動單元“S”路徑噴砂加工過程，工件驅動電機的正反轉控制，接近開關、壓力傳感控制和運行狀態指示。主要I/O 端口分配如表1 所示。

表1 I/O 端口分配表

2.5 噴槍驅動單元控制

PLC 控制器01000、01001 端口輸出脈沖，連接步進電機驅動器分別控制x、y 向步進電機，通過絲桿轉換為噴槍運動。驅動原理如圖6 所示。

圖6 噴槍驅動原理圖

噴槍運動受伺服機構即驅動單元脈沖當量d 影響。脈沖當量即單個脈沖的位移量，它與步進電機步距角γ、絲杠螺距p 和傳動機構傳速比k 的關系可表示為:

PLC 控制器輸出脈沖數量n 通過噴槍移動位移量s 和脈沖當量d 計算:

PLC 脈沖頻率f 可通過噴槍實際驅動速度v 和脈沖當量d 計算:

通過脈沖頻率設置和步進電機選擇可以調整噴槍移動速度，保證噴砂加工當量時間要求。實際應用中驅動單元選用扭矩5 N·m、步距角0.9°/1.8°的森創110BYG250C-0502 兩相混合式步進電機，電動推桿選用220 V/100 W 同步電機。

3 CFD 仿真研究與參數優化

噴砂加工距離H 決定磨液、磨料射流在工件表面的動能和壓力，對噴砂加工效果有直接影響。

3.1 磨液射流動能與速度

磨液射流動能與射流速度的平方成正比，由水力學知識可知，射流軸心速度vH與噴嘴出口距離H 關系為［6］:

式中:vH為微粒噴嘴出口距離為H 處的射流軸心速度，m/s;

C 為試驗常數，約等于6;

v0為射流初速度，m/s;

D 為噴槍噴嘴孔徑，mm;

H 為噴嘴出口至噴射物距離，mm。

式(4)表明:軸心速度vH與距離成反比關系，距離H 越小，vH越大，實際射流沖蝕磨削動能越大，反之亦然。實際應用中，距離H 過小雖然增加了射流顆粒的速度和動能，但會引起磨料顆粒之間相互干涉和碰撞，造成磨料破碎率顯著增加，磨料尖角嵌入工件表面概率顯著提升，反而影響噴砂表面加工效果效率。當H=6D 時，其射流軸心速度仍能保持初始速度v0不變。

3.2 射流壓力分布的CFD 仿真研究

噴砂加工不僅與射流軸心速度和動能有關，還與射流在工件表面有效截面上的徑向動能和壓力分布有關，即噴砂加工效果還與全壓分布密切相關。全壓分布可用CFD 平板射流仿真技術進行仿真研究。取距離H 分別為10、20、50、100 mm 4 個位置進行模擬仿真研究。其基本假設為:

(1)磨液射流對工件表面的作用與總壓呈正比，即與固體顆粒在該位置的動量大小和射流靜壓呈正比;

(2)不考慮固體顆粒溫度變化及動能影響。

仿真按照液固兩相之間的耦合模型，依次計算連續相流場，計算每個噴射源開始的顆粒軌道，利用相間動量等交換項重新計算連續相流場和修正后顆粒軌跡，直至獲得收斂解。選擇S-A 湍流模型，采用遵循歐拉－拉格朗日方法的離散相模型進行仿真［7－8］。

液固兩相射流在平板表面距軸心徑向總壓分布如圖7 所示，射流出口孔徑10 mm，徑口總壓0.6 MPa，環境壓力一個標準大氣壓。

圖7 射流在平板表面全壓分布圖

由圖7 可知:射流距離平板距離為10 ～20 mm時，全壓沿軸心徑向距離分布梯度過大，徑向分布極不均勻;距離為100 mm 時，全壓沿軸心徑向距離分布均勻，梯度小，但全壓值太小;距離為50 mm 時，即噴砂距離5 倍于射流初始孔徑時，噴砂全壓在沿軸心徑向距離1.5 倍處位置，仍可達到全壓峰值的70%以上，全壓沿軸心徑向距離分布比較均勻(圖中全壓值均為表壓)。

綜合公式(4)和CFD 仿真結果，噴砂加工在5 ～6 倍噴槍孔徑距離時，全壓分布和軸心速度比較合理，可選為噴砂加工距離。

濕式噴砂加工效果還與噴槍噴嘴孔徑與結構、壓縮空氣壓力p、磨料濃度與類型S 等參數選擇有關，限于篇幅，不再贅述。設計的濕式噴砂機實際選用孔徑為12.5 mm、碳化硼材質的二次進風型噴槍，空氣壓力在0.55 ～0.75 MPa 之間，磨料粒度為0.3 mm 玻璃丸和46#～220#之間各種粒度的剛玉磨料，磨液濃度在6% ～8%之間，噴砂加工距離60 mm。

4 試驗結果及分析

選用12.5 mm 孔徑噴槍，距離60 mm 進行噴砂測試，氣源動力0.6 MPa，實際噴砂加工時間約40 min，當量時間為2 min，測試結果如下。

4.1 表面粗糙度測試

用2206B 型粗糙度測量儀測試噴砂后1 號工件，發現工件表面磨削條紋明顯減輕，并有輕微捶擊凹坑，產生了均勻細微的凹凸面(基礎圖式)，表明濕式噴砂裝置有效地改變了工件表面微形貌，使工件表面產生塑性變形，其表面粗糙度Ra 在1.6 ～3.2 μm之間，達到了預期要求。

4.2 表面殘余應力測試

通過MAX2500 型X 射線衍射儀對濕式噴砂和干式噴砂工件進行應力測試對比，測試位置依次為工件內切圓半徑r 處、r/2 處和中心點處，其他條件同前。測試結果表明:工件經濕式噴砂后表面應力分布無論在中心點、r/2、r 處都均勻一致。傳統干式噴砂處理后工件表面僅在中心處和濕式噴砂應力分布一致，隨著測試點距離中心外移到 r 處、r/2處，應力顯著下降，應力分布不均勻問題突出。兩種噴砂處理工件表面不同位置處殘余應力沿表面距離的分布對照如圖8 所示。

圖8 表面殘余應力分布對照圖

測試結果表明:濕式噴砂后工件表面的應力分布較傳統干式噴砂更加均勻一致，噴砂效果更加穩定，增加了工件表面應力層厚度，改善了工件表面的應力分布，有利于提高工件表面強度。

5 結論

基于PLC 控制的濕式噴砂機已經成功應用于企業的自動化噴砂加工生產，粗糙度達到生產工藝要求，表面殘余應力分布顯著優于原有噴砂工藝效果。經工作方案改進、CFD 仿真和參數優化，通過PLC集中控制和人機交互界面操作，實現濕式噴砂過程自動化要求，操作簡單方便，運行穩定可靠。濕式噴砂有效消除了傳統干式噴砂存在的粉塵污染問題，減少噴砂加工中的周轉環節，提高了加工效率，兼具操作便利和應用經濟性等優勢，不僅滿足當地企業實際生產要求，也可廣泛應用到其他企業單位的金屬表面強化與改性處理等方面，具有較高的應用推廣價值。

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