基于CATIA与MATLAB开发激光喷丸强化轨迹的方法研究

（中国商用飞机有限责任公司 上海飞机设计研究院，上海 201210）

0 引言

激光喷丸强化是一种新型表面改性技术，该工艺过程可利用工业机器人执行轨迹[1]进行零部件喷丸处理。在金属件表面处理及维修领域，激光喷丸强化有很多实际工程应用，比如飞机机翼接头零件激光喷丸强化处理[2,3]，包括支座类、耳片等疲劳易损零件，表面喷丸强化处理后可以提高其应力腐蚀裂纹的抵抗能力[4,5]。国内外已有许多学者研究激光喷丸处理航空金属材料，包括铝合金（Al2024-T351）、铝锂合金（AA2198-T3）、钛合金（Ti-6Al-4V）、钢（AISI304）及高温合金（IN718）等[6～8]。Zabeen，S et al.[9]对铝锂合金（Al 2099）"T"型截面挤压材料激光喷丸强化的残余应力进行实验和数值分析，喷丸后T形截面上不同部位的残余应力分布有差异。Ayman M et al.[10]分析在无表面涂层情况下增大激光功率密度，可以提高Al7075试样喷丸后的表层硬度。Peng，Chong et al.[11]探究了激光喷丸强化能提高直齿轮根部的弯曲疲劳性能，增加激光能量密度有利于齿根部位喷丸残余压应力幅值增大，其弯曲疲劳强度也增大。Xing-quan ZHANG et al.[12]分析激光喷丸强化LY12CZ试验件的紧固件孔周围部位时得出试验件疲劳寿命可以很大程度的提高。Wang，JT et al.[13]分析出激光喷丸强化铝合金Al7075，材料在高温情况下的抗蠕变性能得到提高。

激光喷丸扫描轨迹路径对喷丸工艺效果有影响，包括残余应力分布、零件表面质量及完整性等。帅高鹏等[14]研究了采用四轴机器人进行激光喷丸精确定位轨迹的实现途径。Salimianrizi，A.et al.[15]和Amini，S.et al.[16]探究喷丸路径对残余应力及强度的影响总结出增加喷丸次数能提高材料硬度和强度。Samuel Adu-Gyamfi et.al[17]分析激光喷丸Al2024-T351试样得出L形螺旋轨迹对喷丸效果有利，喷丸轨迹扫描方式对残余应力及疲劳性能有重要影响。其中与喷丸轨迹有关的参数又涉及激光喷丸搭接率、光斑形状及大小、零件外表几何形状等。Luo，KY et al.[18]分析激光喷丸的光斑搭接率对LY12 Al残余应力分布及表面轮廓质量有影响，光斑搭接率超过50%时越大，残余压应力水平更高，分布更均匀，表面轮廓均匀性较好。Yadav，Mahesh J et al.[19]在分析激光光斑大小对残余压应力的影响时得出增大光斑直径有利于残余压应力层的形成。Karbalaian，H R et al.[20]分析不同搭接率情况下采用方形激光光斑喷丸钢板，搭接率增加会导致残余应力增大，对优化喷丸工艺参数有指导作用。Cao Ziwen et al.[21]采用数值模拟分析方形光斑条件下钛合金Ti-6Al-4V喷丸后光斑作用中心部位存在应力孔现象。Zou，Shikun et al.[22]研究了采用方形光斑喷丸Ti-17压缩机叶片后的表面完整性及疲劳性能，喷丸叶片两侧面的表面粗糙度降低，疲劳寿命提高一个数量级。Petan，Luca et al.[23]分析出在激光功率不变时，较小直径光斑喷丸X2NiCoMo18-9-5马氏体时效钢表层产生的残余应力较小。Sticchi，M et al.[24]针对不同牌号铝合金，对激光喷丸光斑大小及搭接率进行参数化探究时得出提高喷丸搭接率，残余压应力增大。Vasu，Anoop et al.[25,26]研究了零件表面曲率对喷丸后表层残余应力的影响规律，与平面情况相比，增大凹面曲率半径有利于残余应力增大，凸面情况效果则相反。Yang，Chunhui et al.[27]采用FEA对比分析不同直径AA7050圆棒激光喷丸后中心部位的残余应力，圆棒直径不同，喷丸中心部位径向及纵向（轴向）残余应力分布有很大差异，证实了零件几何特征影响残余应力分布。

以上研究大多侧重于激光喷丸机理及力学表征分析、喷丸材料及工艺参数的影响，涉及喷丸轨迹路径对激光喷丸质量的影响规律，而目前对激光喷丸强化轨迹的定制化生成及一体化集成平台的开发设计，包括轨迹路径可视化平台方面的相关研究成果还比较少见。

因此，文中基于CATIA二次开发进行激光喷丸强化工艺轨迹平台的一体化开发设计，并探究不同激光光斑形状、表面曲率及搭接率情况下喷丸轨迹的生成及数据点输出。同时借助MATLAB编程GUI界面对轨迹路径进行模拟分析仿真，实现了喷丸轨迹规划、生成、输出及可视化模拟分析的功能，为后续相关激光喷丸数值模拟及实验工作提供一定支持。

1 激光喷丸轨迹规划策略

基于CATIA 二次开发的激光喷丸轨迹平台界面，可以实现对变化曲率表面的零件喷丸区进行喷丸轨迹的规划生成、数据点信息提取、渲染及输出功能。将零件三维模型导入CATIA后，先提取零件喷丸区域的几何特征曲面，确定与轨迹有关的喷丸工艺参数包括喷丸光斑尺寸、光斑形状、喷丸搭接率和激光喷丸工艺类型等，选取喷丸点渲染功能等，程序自动计算喷丸点位并在CATIA软件界面以3D点线显示。最后进行喷丸点位数据输出，以Excel格式文件保存喷丸轨迹信息，其轨迹规划平台的基本流程如图1所示。

1.1 喷丸点位计算

激光喷丸点位的计算要考虑喷丸表面变化、轨迹曲线及喷丸搭接率等因素，喷丸搭接率的计算如式(1)所示。图2所示为曲面上任意轨迹线，确定每条喷丸轨迹长度，再依据喷丸搭接率确定取点间隔，并采用曲线参数取点计算喷丸点数、喷丸点位置及法向坐标，法向代表激光束入射方向。在轨迹曲线起始点处，曲线参数t=0，终点处t=1.0，中间曲线参数ti在0～1.0之间变化，喷丸位置取点计算如式(2)～式(3)所示。

图1 平台开发功能及流程图

图2 空间曲面上任意轨迹线

式中：η为喷丸搭接率；r为激光光斑半径/mm；d为激光光斑间距/mm；L为每条轨迹长度/mm；n为喷丸点数（向上取圆整值）；ni为轨迹上第i个喷丸点；ti为第i个喷丸点处的曲线参数。

1.2 3D点线表达技术

在CATIA平台设计采用3D点线表达喷丸点位置信息，解决喷丸轨迹生成后喷丸点可视化显示功能，可以快速检查轨迹点生成过程中可能出现的错误等问题。对于不同形状的激光光斑，分别采用不同的几何元素表达，其中，“○”圆形几何元素代表激光光斑大小及位置；“直线”表示喷丸激光束入射方向。图3所为CATIA软件环境下圆形激光光斑喷丸点3D点线表达。

图3 CATIA 软件环境下圆形光斑喷丸点3D点线表达

1.3 轨迹平台界面实现

为了便于实现友好的人机交互界面平台操作，该平台分为安全登录模块和喷丸轨迹规划及生成输出的主界面模块。

1）登录模块：输入用户名和密码，验证访问权限后进入主界面，且新用户可以进行注册实现权限安全管理，如图4(a)所示。

2）主界面模块

该平台主界面，如图4(b)所示。分为若干个功能区，各个功能区的实现如下：

（1）喷丸轨迹生成区：选择并设定喷丸轨迹生成几何参数；

（2）工艺参数设置区：设置喷丸轨迹工艺参数，比如搭接率，光斑显隐等；

（3）零组件信息显示区：显示与喷丸零件关联的CATIA几何特征；

（4）激光喷丸强化类型区：选择喷丸工艺类型，按需可选择单面和双面喷丸；

（5）工作任务进度区：显示用户当前的任务进度及工作量；

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（6）界面提示信息区：提示用户当前操作的信息及状态。

2 MATLAB平台轨迹模拟界面

为了校验激光喷丸生成轨迹的正确性，采用MATLAB编程设计可视化交互界面，可实现加载CATIA轨迹平台生成的输出Excel结果文件，实现对喷丸轨迹的模拟仿真和查看。如图5所示的MATLAB平台轨迹运动仿真界面。

图4

运用上述GUI模拟界面可实现轨迹文件的加载，显示/隐藏喷丸轨迹曲线及喷丸点，控制轨迹仿真运动视图，并校验喷丸过程轨迹运动情况。

图5 MATLAB软件平台轨迹运动仿真界面

3 实例分析

利用上述CATIA二次开发设计的轨迹生成平台，考虑在不同激光光斑形状、零件表面曲率及喷丸搭接率情况下，分析验证激光喷丸轨迹生成平台的适用性，并采用开发设计的MATLAB模拟界面对轨迹进行仿真运动查看。

3.1 激光光斑形状

图6 不同形状光斑情况下的表面轨迹生成

3.2 变曲率表面

在激光喷丸搭接率为50%，圆形光斑直径3.0mm的情况下，对变曲率马鞍形表面进行喷丸轨迹路径规划及输出，如图7所示。其中，图7(b)为生成后的轨迹路径显示，图7(c)为局部放大效果。

图7 变化曲率表面轨迹生成

3.3 不同搭接率

在圆形激光光斑直径2.0mm的条件下，对平板表面中心部位规划喷丸轨迹路径，分别在搭接率为0%，25%，50%，75%的情况下进行喷丸轨迹的生成显示，结果如图8所示。

图8 不同搭接率情况下表面轨迹生成

3.4 喷丸轨迹模拟仿真

在激光喷丸搭接率为50%，光斑圆形直径为3.0mm的条件下，变曲率马鞍形状表面规划生成的喷丸点分布如图9所示，对喷丸轨迹路径进行MATLAB平台界面模拟运动仿真，不同时刻的运动状态分别如图10(a)～图10(d)所示。

图9 马鞍面激光喷丸点分布

图10 不同时刻喷丸轨迹运动模拟显示

4 结语

1）借助CATIA二次开发技术，实现了激光喷丸强化轨迹规划平台的人机交互界面，并能与CAD平台很好的一体化集成。

2）该轨迹规划平台能实现不同激光光斑（圆形和方形）形状、变曲率表面及不同喷丸搭接率情况下的激光喷丸轨迹生成，可为后续进行数值模拟分析及相关试验工作提供了支持。

3）利用MATLAB开发设计的轨迹运动模拟界面，初步实现了轨迹的运动仿真模拟分析，为前期生成轨迹的校验查看提供一种途径。