一種浮動(dòng)自適應(yīng)工裝在噴丸強(qiáng)化工藝上的應(yīng)用

舒曉君，苗奎，徐紅彥

（中航飛機(jī)股份有限公司長(zhǎng)沙起落架分公司，陜西漢中 723200）

0 引言

飛機(jī)零件長(zhǎng)期承受循環(huán)交變載荷影響，特別是起飛和降落時(shí)發(fā)揮緩沖作用的起落架零件。噴丸強(qiáng)化工藝可有效提高這些零件抗疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)了飛機(jī)零部件疲勞壽命?，F(xiàn)今噴丸強(qiáng)化工藝作為一種成熟工藝已廣泛運(yùn)用于飛機(jī)零部件的制造流程。該工藝?yán)脤Ｓ脵C(jī)床將高速運(yùn)動(dòng)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(chǎn)生塑性循環(huán)應(yīng)變層，由此導(dǎo)致該層的顯微組織發(fā)生有利的變化，并使表層引入殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，表層的顯微組織和殘余壓應(yīng)力場(chǎng)是提高金屬零件的疲勞斷裂和應(yīng)力腐蝕（含氫脆）斷裂抗力的兩個(gè)強(qiáng)化因素，在壓應(yīng)力層的保護(hù)下，可使零件的可靠性和耐久性獲得顯著提高[1]。

1 工藝標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備條件

1.1 工藝標(biāo)準(zhǔn)

出于航空零部件的質(zhì)量和安全的考慮，其操作過(guò)程必須受控，工藝標(biāo)準(zhǔn)要高于其它領(lǐng)域，例如德國(guó)利勃海爾LAT4-2300金屬零件的噴丸主規(guī)范就引用了SAE AMS-S 13165、SAE J442、SAE J443、LAT 4-5707、LAT 7-5323等標(biāo)準(zhǔn)，除了飽和曲線的建立、噴丸主工藝參數(shù)的確定等關(guān)鍵過(guò)程，還包括彈丸、阿爾門試片的選擇與測(cè)量、加工中的防護(hù)、檢驗(yàn)、人員、設(shè)備等方面的特殊要求[2]。

1.2 設(shè)備情況介紹

為了符合工藝標(biāo)準(zhǔn)，通常噴丸設(shè)備主要包括數(shù)控機(jī)器人（噴槍運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)常見臥式和立式）、示教編程器、彈丸循環(huán)系統(tǒng)（分圓、震篩機(jī)、彈丸壓力存儲(chǔ)罐、流量控制器）、彈丸回收系統(tǒng)、彈丸清潔系統(tǒng)、工作室、工件輸送系統(tǒng)、設(shè)備控制器（主要工藝參數(shù)控制）等單元。我單位設(shè)備型號(hào)為：RSM-50MR-55-4-30荷蘭數(shù)控噴丸機(jī)，該機(jī)床配置了一臺(tái)六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器人作為噴槍運(yùn)行機(jī)構(gòu)，如圖1所示， 機(jī)器人型號(hào)MOTOMAN 為公司SGM型，機(jī)器人上配有2只噴嘴用于噴丸工作，機(jī)器人有效載荷為50 kg，重復(fù)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(guān)節(jié)型機(jī)器人

1.3 工作原理

機(jī)床工件輸送系統(tǒng)上配置的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)及工作臺(tái)往復(fù)移動(dòng)由機(jī)器人外部軸伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，與機(jī)器人實(shí)現(xiàn)8軸聯(lián)動(dòng)，控制機(jī)器人T軸上固定的噴嘴移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)彈丸流100%覆蓋零件需要噴丸表面的目的。對(duì)于不要求噴丸覆蓋的零件部位，在加工前應(yīng)當(dāng)使用工裝或者其它屏蔽物進(jìn)行保護(hù)。機(jī)床控制器通常配置了噴丸強(qiáng)化工藝控制軟件，用于實(shí)時(shí)顯示工件所有的工藝參數(shù)、機(jī)床歷史信息查詢、機(jī)床管理系統(tǒng)等功能，軟件主要包含壓力、流量實(shí)時(shí)曲線、工藝過(guò)程的數(shù)據(jù)采集，以及ALMEN飽和曲線自動(dòng)生成/打印、噴丸飽和曲線及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、故障自診斷顯示和報(bào)警記錄及診斷、噴丸工件加工程序儲(chǔ)存、導(dǎo)入、導(dǎo)出等功能，管理噴丸全過(guò)程，監(jiān)測(cè)保證工件噴丸工作連續(xù)加工[3]。

2 技術(shù)條件及工藝分析

某型機(jī)主起落架緩沖器外筒工件噴丸技術(shù)條件詳見圖2。由圖2可知除了零件尾部268 mm長(zhǎng)度范圍（包括耳片）不噴丸，其余部位（包括內(nèi)孔）均要求噴丸，本文只研究該工件外表面的噴丸，噴丸區(qū)和不噴丸區(qū)允許有21 mm過(guò)渡區(qū)，噴丸強(qiáng)度為0.15～0.35 mmA，覆蓋率要求100%～300%。噴丸前零件狀態(tài)，材料為300M鋼，工件已經(jīng)完成大型整體鍛件的數(shù)控扒皮和熱后精加工，非配合部位已經(jīng)符合圖樣尺寸要求，配合孔、面已達(dá)鍍鉻前狀態(tài)。在長(zhǎng)度近2.4 m的范圍，整個(gè)零件沒(méi)有一段規(guī)則的外圓，筒體面成帶錐度橢圓型且與軸線不同心，無(wú)法作為工藝基準(zhǔn)，零件叉型頭部外懸765 mm導(dǎo)致零件質(zhì)心嚴(yán)重偏心，為不規(guī)則回轉(zhuǎn)體，很難確定機(jī)器人各軸的聯(lián)動(dòng)行程是否可以加工零件。

圖2 零件噴丸技術(shù)要求

通常根據(jù)噴丸強(qiáng)度值和覆蓋率確定的噴丸主要工藝參數(shù)有：彈丸規(guī)格（民機(jī)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(guī)格（?23）、空氣壓力、彈丸流量、噴嘴移動(dòng)速度。其中前3項(xiàng)參數(shù)主要由設(shè)備條件和工藝標(biāo)準(zhǔn)決定，工藝可選擇優(yōu)化的參數(shù)主要是壓力、流量和噴嘴移動(dòng)速度。由于噴射距離要求不高，一般是將零件置于工作臺(tái)上固定（如圖3），對(duì)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(yàn)證噴丸參數(shù)，本零件通過(guò)選擇6組試片來(lái)確定正面加工即工位1打面強(qiáng)度的飽和曲線。由于6軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器人空間運(yùn)行軌跡極為復(fù)雜，在排除各軸運(yùn)動(dòng)干涉的條件下，工程技術(shù)人員采用示教的編程方法，總共確定了5個(gè)工位（其余工位類似工位1，區(qū)別在于進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)和平移）才完成了零件的加工，操作工勞動(dòng)強(qiáng)度高，耗時(shí)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(dòng)自適應(yīng)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(hù)零件的不噴丸部位，利用機(jī)床工件輸送系統(tǒng)上配置的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)夾持零件及工作臺(tái)往復(fù)移動(dòng)由機(jī)器人實(shí)現(xiàn)8軸聯(lián)動(dòng)，僅用低轉(zhuǎn)速形成不同的翻轉(zhuǎn)工位，無(wú)需連續(xù)回轉(zhuǎn)，達(dá)到彈丸流100%覆蓋零件的目的。零件設(shè)計(jì)質(zhì)量為249.156 kg，通過(guò)查閱機(jī)床資料，機(jī)床工件輸送系統(tǒng)上配置的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)矩（15.3 N·m）大于零件低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)所需最大轉(zhuǎn)矩（8.39 N·m）。

3 工裝主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該套工裝主要由推車、浮動(dòng)支撐座和夾緊接頭三部分組成，主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 浮動(dòng)工裝裝夾示意圖

支撐架結(jié)構(gòu)如圖5所示，其作用主要是為了支撐零件，抵消零件軸向質(zhì)量，使零件夾持更安全可靠，并且保證零件在旋轉(zhuǎn)噴丸過(guò)程中零件中心軸線與噴丸旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高度上下浮差，因此支撐架應(yīng)當(dāng)具有高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，為滿足上下浮差跳動(dòng)量，支撐架支撐滾輪可自適應(yīng)調(diào)整上下最大高度為30 mm，且支撐力保持不變。在自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置上主要零件為液壓緩沖器，該緩沖器特點(diǎn)是支撐力可調(diào)，可調(diào)范圍為15～300 kg，緩沖行程為30 mm，為保證支撐力平衡和穩(wěn)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(hù)零件接觸表面以免擦傷，滾輪內(nèi)部軸承兩端均有骨架油封進(jìn)行密封，防止在噴丸過(guò)程中彈丸顆粒進(jìn)入軸承內(nèi)。支撐架支撐高度可通過(guò)絲杠與螺母調(diào)節(jié)和鎖緊，最大調(diào)節(jié)高度為90 mm，可適用于更多不同直徑的零件。

夾緊接頭結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示，導(dǎo)向凸臺(tái)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(zhuǎn)輸出軸中心一致，對(duì)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(guò)渡連接盤，機(jī)床卡盤夾持連接盤一端，提供轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速角度定向，導(dǎo)向凸臺(tái)和鎖緊軸銷上都選用并安裝了摩擦因數(shù)較低的聚四氟乙烯材料的襯套，可防止轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中銷軸碰傷零件內(nèi)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(wú)間隙，零件正反轉(zhuǎn)時(shí)不受影響。

圖5 浮動(dòng)支撐座結(jié)構(gòu)放大草圖

5 應(yīng)用及效果

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，該零件使用此套夾具進(jìn)行表面噴丸加工時(shí)需要設(shè)定3個(gè)工位來(lái)進(jìn)行100%覆蓋率噴丸，即分別將零件轉(zhuǎn)動(dòng)至0°、90°、-90°狀態(tài)，如圖6所示。選擇的工藝參數(shù)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(qiáng)度要求，零件切換角度全過(guò)程由程序控制，不需要停機(jī)操作，極大地節(jié)省了加工時(shí)間，單件加工時(shí)間由原來(lái)的24 h縮短至9 h。

表1 噴丸工藝參數(shù)

圖6 工位示意簡(jiǎn)圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文在技術(shù)條件及工藝分析的基礎(chǔ)上，介紹了一種浮動(dòng)自適應(yīng)噴丸工裝，該工裝主體采用一夾一架的裝夾方式，并應(yīng)用了浮動(dòng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置——液壓緩沖器，實(shí)現(xiàn)了不規(guī)則、大型工件的噴丸加工。