基于PLC控制的湿式喷砂机研究与设计

张海峰，王卫华，赵爱玲，宋强

(安阳工学院飞行学院，河南安阳455000)

喷砂是以压缩空气为动力，将磨料固体颗粒经喷枪形成高速射流，高速喷射到工件表面，通过磨料冲击和切削作用，改变工件表面清洁度、粗糙度、机械性能和工艺特性等，是磨具加工的关键工序。喷砂通过砂丸混合射流磨蚀工件表面，使其表层产生塑性流动，细化表层金属组织结构，改善表层残余压缩应力。工件表面强化能极大增进其疲劳寿命和抵抗应力腐蚀的能力，可广泛应用于汽车、摩托车、飞机等行业。汽车工业某些典型零件应用喷砂强化后，疲劳寿命大大得到提高:如板簧提高600%，曲轴提高900%，齿轮提高1 500%［1－3］。传统干式喷砂存在比较严重的粉尘污染问题，无法直接布置在生产线内，分开独立设置增加了生产中转环节，但是限于使用习惯等原因，目前传统干式喷砂仍有广泛应用。

此项目研究的湿式喷砂机，替代企业原有传统干式喷砂机用于系列模具的表面处理和应力改善。采用PLC 集中控制，通过CFD 仿真及参数优化，消除传统干式喷砂的粉尘污染，实现喷砂工艺全自动化，兼具环境整洁无污染、操作便利和应用经济性等优势。实际测试表明:湿式喷砂处理后表面粗糙度和传统干式喷砂效果相当，表面应力分布更加均匀，整体工艺效果优于传统干式喷砂，具有较高应用价值和推广前景。

1 湿式喷砂装置工作原理与结构设计

1.1 工作原理

湿式喷砂以磨液泵为磨液供给动力，以压缩空气为喷砂加速动力，把混合均匀的磨料液体经喷嘴形成射流，高速喷射到零件表面，通过高速混合磨料射流的冲蚀磨削作用，实现对工件表面强化、清洗、喷涂和改性等工艺目的。磨液(磨料液体)一般用清水与一定粒度的磨料(根据工件不同材质，可选石英砂、玻璃丸、氧化铝、碳化硅等)按一定配比混合而成，循环使用，喷砂原理如图1 所示。

图1 湿式喷砂原理图

1.2 组成结构

湿式喷砂机主要包括主机系统 (含喷砂工作仓)，喷枪及驱动单元，PLC 控制系统，人机交互界面，工件驱动及固定单元，气、液泵压力单元，磨液池及收砂单元，限位单元及输送管线等，组成结构如图2 所示。

图2 湿式喷砂机组成原理图

湿式喷砂机在PLC 控制系统作用下进行喷砂加工。工作时通过人机交互界面和控制面板打开气、液压力泵电源，混合磨料磨液;选择模具型号，驱动工件进入喷砂工作仓固定;驱动喷枪至工作原点，打开喷枪气、液管线电磁阀;高速磨液射流喷射到工件表面，按照“S”路径进行喷砂加工;最后关闭气、液压力泵，喷枪复位，工件退出，完成喷砂加工。

收砂单元主要由旋流器和阶梯式沉淀箱组成，用于磨料磨液分离和重复回收利用。

2 工作方案与PLC 控制系统

2.1 工作方案

传统干式喷砂主要有喷枪摆杆和工件滑台两种工作方案。前者通过喷枪摆动和工件旋转进行喷砂加工，在处理大尺寸工件时，由于喷枪摆动造成喷砂加工距离和角度的显著变化，使得工件中心与边缘之间存在加工严重差异和不均匀问题;另外驱动大工件的动力成本和安全要求更高。后者固定喷枪，通过滑台机构移动工件进行喷砂加工，较好解决了喷枪摆杆机构造成的加工均匀性问题，但由于高速射流可能渗入滑台机构，造成滑台磨损或失效。综合传统干式喷砂加工方案优缺点，设计喷枪驱动喷砂加工方案，如图3 所示。

图3 喷枪驱动结构示意图

喷枪固定在推杆电机前端，由x、y 向步进电机和z 向推杆电机联合驱动。整个驱动单元用铝壳密封，与喷砂工作仓之间加装软质卷闸式防护罩，防止磨液侵蚀。

2.2 喷枪驱动路径

为提高喷砂加工均匀性，喷枪在驱动单元驱动下按照“S”路径进行喷砂加工，如图4 所示。

图4 喷枪“S”路径移动喷砂示意图

喷枪首先从喷砂原点沿x 方向到达终点，然后y向偏移Δy 距离后，再逆x 方向到达原点，多次往复完成x 方向“S”路径喷砂过程;其次按照y 向行进，x向偏移Δx 的方法，多次往复完成y 向“S”路径喷砂过程。多次循环往复可保证喷砂加工当量时间要求。

2.3 PLC 控制系统组成

喷砂机依靠PLC 控制系统单机运行。受控制电机主要有工件驱动电机、喷枪驱动步进电机、推杆电机、砂泵(磨液泵、收砂泵)、气泵、工件清洗水泵和工作仓排雾电机。其他输入输出器件主要有控制面板、接近开关、压力报警传感器等，组成如图5 所示。另外，为保证整个装置正常运行的其他辅助器件，如步进电机驱动器、正反转互锁开关、电机热保护器、运行指示器件等未在图中标注。

选用欧姆龙公司的CPM2A-60CDT-D 型PLC 作为控制器。该控制器有60 个输入输出(I/O)点，其中有36 个输入点、24 个输出点，具有体积小、功能强、耐用性高等优点，晶体管输出与电磁阀连接控制液(水、气、砂)泵或排雾电机，自带2 路脉冲输出(脉冲频率10 Hz ～10 kHz)与驱动器连接控制步进电机［4－5］。

图5 PLC 控制系统组成框图

2.4 PLC 输入输出端口分配

控制系统设置手动和自动两种喷砂作业模式。手动模式主要用于装置的调试或工件手动加工，自动模式主要完成喷枪驱动单元“S”路径喷砂加工过程，工件驱动电机的正反转控制，接近开关、压力传感控制和运行状态指示。主要I/O 端口分配如表1 所示。

表1 I/O 端口分配表

2.5 喷枪驱动单元控制

PLC 控制器01000、01001 端口输出脉冲，连接步进电机驱动器分别控制x、y 向步进电机，通过丝杆转换为喷枪运动。驱动原理如图6 所示。

图6 喷枪驱动原理图

喷枪运动受伺服机构即驱动单元脉冲当量d 影响。脉冲当量即单个脉冲的位移量，它与步进电机步距角γ、丝杠螺距p 和传动机构传速比k 的关系可表示为:

PLC 控制器输出脉冲数量n 通过喷枪移动位移量s 和脉冲当量d 计算:

PLC 脉冲频率f 可通过喷枪实际驱动速度v 和脉冲当量d 计算:

通过脉冲频率设置和步进电机选择可以调整喷枪移动速度，保证喷砂加工当量时间要求。实际应用中驱动单元选用扭矩5 N·m、步距角0.9°/1.8°的森创110BYG250C-0502 两相混合式步进电机，电动推杆选用220 V/100 W 同步电机。

3 CFD 仿真研究与参数优化

喷砂加工距离H 决定磨液、磨料射流在工件表面的动能和压力，对喷砂加工效果有直接影响。

3.1 磨液射流动能与速度

磨液射流动能与射流速度的平方成正比，由水力学知识可知，射流轴心速度vH与喷嘴出口距离H 关系为［6］:

式中:vH为微粒喷嘴出口距离为H 处的射流轴心速度，m/s;

C 为试验常数，约等于6;

v0为射流初速度，m/s;

D 为喷枪喷嘴孔径，mm;

H 为喷嘴出口至喷射物距离，mm。

式(4)表明:轴心速度vH与距离成反比关系，距离H 越小，vH越大，实际射流冲蚀磨削动能越大，反之亦然。实际应用中，距离H 过小虽然增加了射流颗粒的速度和动能，但会引起磨料颗粒之间相互干涉和碰撞，造成磨料破碎率显著增加，磨料尖角嵌入工件表面概率显著提升，反而影响喷砂表面加工效果效率。当H=6D 时，其射流轴心速度仍能保持初始速度v0不变。

3.2 射流压力分布的CFD 仿真研究

喷砂加工不仅与射流轴心速度和动能有关，还与射流在工件表面有效截面上的径向动能和压力分布有关，即喷砂加工效果还与全压分布密切相关。全压分布可用CFD 平板射流仿真技术进行仿真研究。取距离H 分别为10、20、50、100 mm 4 个位置进行模拟仿真研究。其基本假设为:

(1)磨液射流对工件表面的作用与总压呈正比，即与固体颗粒在该位置的动量大小和射流静压呈正比;

(2)不考虑固体颗粒温度变化及动能影响。

仿真按照液固两相之间的耦合模型，依次计算连续相流场，计算每个喷射源开始的颗粒轨道，利用相间动量等交换项重新计算连续相流场和修正后颗粒轨迹，直至获得收敛解。选择S-A 湍流模型，采用遵循欧拉－拉格朗日方法的离散相模型进行仿真［7－8］。

液固两相射流在平板表面距轴心径向总压分布如图7 所示，射流出口孔径10 mm，径口总压0.6 MPa，环境压力一个标准大气压。

图7 射流在平板表面全压分布图

由图7 可知:射流距离平板距离为10 ～20 mm时，全压沿轴心径向距离分布梯度过大，径向分布极不均匀;距离为100 mm 时，全压沿轴心径向距离分布均匀，梯度小，但全压值太小;距离为50 mm 时，即喷砂距离5 倍于射流初始孔径时，喷砂全压在沿轴心径向距离1.5 倍处位置，仍可达到全压峰值的70%以上，全压沿轴心径向距离分布比较均匀(图中全压值均为表压)。

综合公式(4)和CFD 仿真结果，喷砂加工在5 ～6 倍喷枪孔径距离时，全压分布和轴心速度比较合理，可选为喷砂加工距离。

湿式喷砂加工效果还与喷枪喷嘴孔径与结构、压缩空气压力p、磨料浓度与类型S 等参数选择有关，限于篇幅，不再赘述。设计的湿式喷砂机实际选用孔径为12.5 mm、碳化硼材质的二次进风型喷枪，空气压力在0.55 ～0.75 MPa 之间，磨料粒度为0.3 mm 玻璃丸和46#～220#之间各种粒度的刚玉磨料，磨液浓度在6% ～8%之间，喷砂加工距离60 mm。

4 试验结果及分析

选用12.5 mm 孔径喷枪，距离60 mm 进行喷砂测试，气源动力0.6 MPa，实际喷砂加工时间约40 min，当量时间为2 min，测试结果如下。

4.1 表面粗糙度测试

用2206B 型粗糙度测量仪测试喷砂后1 号工件，发现工件表面磨削条纹明显减轻，并有轻微捶击凹坑，产生了均匀细微的凹凸面(基础图式)，表明湿式喷砂装置有效地改变了工件表面微形貌，使工件表面产生塑性变形，其表面粗糙度Ra 在1.6 ～3.2 μm之间，达到了预期要求。

4.2 表面残余应力测试

通过MAX2500 型X 射线衍射仪对湿式喷砂和干式喷砂工件进行应力测试对比，测试位置依次为工件内切圆半径r 处、r/2 处和中心点处，其他条件同前。测试结果表明:工件经湿式喷砂后表面应力分布无论在中心点、r/2、r 处都均匀一致。传统干式喷砂处理后工件表面仅在中心处和湿式喷砂应力分布一致，随着测试点距离中心外移到 r 处、r/2处，应力显著下降，应力分布不均匀问题突出。两种喷砂处理工件表面不同位置处残余应力沿表面距离的分布对照如图8 所示。

图8 表面残余应力分布对照图

测试结果表明:湿式喷砂后工件表面的应力分布较传统干式喷砂更加均匀一致，喷砂效果更加稳定，增加了工件表面应力层厚度，改善了工件表面的应力分布，有利于提高工件表面强度。

5 结论

基于PLC 控制的湿式喷砂机已经成功应用于企业的自动化喷砂加工生产，粗糙度达到生产工艺要求，表面残余应力分布显著优于原有喷砂工艺效果。经工作方案改进、CFD 仿真和参数优化，通过PLC集中控制和人机交互界面操作，实现湿式喷砂过程自动化要求，操作简单方便，运行稳定可靠。湿式喷砂有效消除了传统干式喷砂存在的粉尘污染问题，减少喷砂加工中的周转环节，提高了加工效率，兼具操作便利和应用经济性等优势，不仅满足当地企业实际生产要求，也可广泛应用到其他企业单位的金属表面强化与改性处理等方面，具有较高的应用推广价值。

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