基于PLC控制的濕式噴砂機(jī)研究與設(shè)計

張海峰，王衛(wèi)華，趙愛玲，宋強(qiáng)

(安陽工學(xué)院飛行學(xué)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(jīng)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(jī)械性能和工藝特性等，是磨具加工的關(guān)鍵工序。噴砂通過砂丸混合射流磨蝕工件表面，使其表層產(chǎn)生塑性流動，細(xì)化表層金屬組織結(jié)構(gòu)，改善表層殘余壓縮應(yīng)力。工件表面強(qiáng)化能極大增進(jìn)其疲勞壽命和抵抗應(yīng)力腐蝕的能力，可廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、飛機(jī)等行業(yè)。汽車工業(yè)某些典型零件應(yīng)用噴砂強(qiáng)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(tǒng)干式噴砂存在比較嚴(yán)重的粉塵污染問題，無法直接布置在生產(chǎn)線內(nèi)，分開獨(dú)立設(shè)置增加了生產(chǎn)中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，但是限于使用習(xí)慣等原因，目前傳統(tǒng)干式噴砂仍有廣泛應(yīng)用。

此項目研究的濕式噴砂機(jī)，替代企業(yè)原有傳統(tǒng)干式噴砂機(jī)用于系列模具的表面處理和應(yīng)力改善。采用PLC 集中控制，通過CFD 仿真及參數(shù)優(yōu)化，消除傳統(tǒng)干式噴砂的粉塵污染，實(shí)現(xiàn)噴砂工藝全自動化，兼具環(huán)境整潔無污染、操作便利和應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢。實(shí)際測試表明:濕式噴砂處理后表面粗糙度和傳統(tǒng)干式噴砂效果相當(dāng)，表面應(yīng)力分布更加均勻，整體工藝效果優(yōu)于傳統(tǒng)干式噴砂，具有較高應(yīng)用價值和推廣前景。

1 濕式噴砂裝置工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)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(jīng)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(shí)現(xiàn)對工件表面強(qiáng)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(jù)工件不同材質(zhì)，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(huán)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(jié)構(gòu)

濕式噴砂機(jī)主要包括主機(jī)系統(tǒng) (含噴砂工作倉)，噴槍及驅(qū)動單元，PLC 控制系統(tǒng)，人機(jī)交互界面，工件驅(qū)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(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 濕式噴砂機(jī)組成原理圖

濕式噴砂機(jī)在PLC 控制系統(tǒng)作用下進(jìn)行噴砂加工。工作時通過人機(jī)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(qū)動工件進(jìn)入噴砂工作倉固定;驅(qū)動噴槍至工作原點(diǎn)，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(jìn)行噴砂加工;最后關(guān)閉氣、液壓力泵，噴槍復(fù)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(fù)回收利用。

2 工作方案與PLC 控制系統(tǒng)

2.1 工作方案

傳統(tǒng)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(zhuǎn)進(jìn)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(yán)重差異和不均勻問題;另外驅(qū)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(jī)構(gòu)移動工件進(jìn)行噴砂加工，較好解決了噴槍擺桿機(jī)構(gòu)造成的加工均勻性問題，但由于高速射流可能滲入滑臺機(jī)構(gòu)，造成滑臺磨損或失效。綜合傳統(tǒng)干式噴砂加工方案優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計噴槍驅(qū)動噴砂加工方案，如圖3 所示。

圖3 噴槍驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖

噴槍固定在推桿電機(jī)前端，由x、y 向步進(jìn)電機(jī)和z 向推桿電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動。整個驅(qū)動單元用鋁殼密封，與噴砂工作倉之間加裝軟質(zhì)卷閘式防護(hù)罩，防止磨液侵蝕。

2.2 噴槍驅(qū)動路徑

為提高噴砂加工均勻性，噴槍在驅(qū)動單元驅(qū)動下按照“S”路徑進(jìn)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(diǎn)沿x 方向到達(dá)終點(diǎn)，然后y向偏移Δy 距離后，再逆x 方向到達(dá)原點(diǎn)，多次往復(fù)完成x 方向“S”路徑噴砂過程;其次按照y 向行進(jìn)，x向偏移Δx 的方法，多次往復(fù)完成y 向“S”路徑噴砂過程。多次循環(huán)往復(fù)可保證噴砂加工當(dāng)量時間要求。

2.3 PLC 控制系統(tǒng)組成

噴砂機(jī)依靠PLC 控制系統(tǒng)單機(jī)運(yùn)行。受控制電機(jī)主要有工件驅(qū)動電機(jī)、噴槍驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)、推桿電機(jī)、砂泵(磨液泵、收砂泵)、氣泵、工件清洗水泵和工作倉排霧電機(jī)。其他輸入輸出器件主要有控制面板、接近開關(guān)、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(yùn)行的其他輔助器件，如步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、正反轉(zhuǎn)互鎖開關(guān)、電機(jī)熱保護(hù)器、運(yùn)行指示器件等未在圖中標(biāo)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(diǎn)，其中有36 個輸入點(diǎn)、24 個輸出點(diǎn)，具有體積小、功能強(qiáng)、耐用性高等優(yōu)點(diǎn)，晶體管輸出與電磁閥連接控制液(水、氣、砂)泵或排霧電機(jī)，自帶2 路脈沖輸出(脈沖頻率10 Hz ～10 kHz)與驅(qū)動器連接控制步進(jìn)電機(jī)［4－5］。

圖5 PLC 控制系統(tǒng)組成框圖

2.4 PLC 輸入輸出端口分配

控制系統(tǒng)設(shè)置手動和自動兩種噴砂作業(yè)模式。手動模式主要用于裝置的調(diào)試或工件手動加工，自動模式主要完成噴槍驅(qū)動單元“S”路徑噴砂加工過程，工件驅(qū)動電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，接近開關(guān)、壓力傳感控制和運(yùn)行狀態(tài)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(qū)動單元控制

PLC 控制器01000、01001 端口輸出脈沖，連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器分別控制x、y 向步進(jìn)電機(jī)，通過絲桿轉(zhuǎn)換為噴槍運(yùn)動。驅(qū)動原理如圖6 所示。

圖6 噴槍驅(qū)動原理圖

噴槍運(yùn)動受伺服機(jī)構(gòu)即驅(qū)動單元脈沖當(dāng)量d 影響。脈沖當(dāng)量即單個脈沖的位移量，它與步進(jìn)電機(jī)步距角γ、絲杠螺距p 和傳動機(jī)構(gòu)傳速比k 的關(guān)系可表示為:

PLC 控制器輸出脈沖數(shù)量n 通過噴槍移動位移量s 和脈沖當(dāng)量d 計算:

PLC 脈沖頻率f 可通過噴槍實(shí)際驅(qū)動速度v 和脈沖當(dāng)量d 計算:

通過脈沖頻率設(shè)置和步進(jìn)電機(jī)選擇可以調(diào)整噴槍移動速度，保證噴砂加工當(dāng)量時間要求。實(shí)際應(yīng)用中驅(qū)動單元選用扭矩5 N·m、步距角0.9°/1.8°的森創(chuàng)110BYG250C-0502 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，電動推桿選用220 V/100 W 同步電機(jī)。

3 CFD 仿真研究與參數(shù)優(yōu)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(xué)知識可知，射流軸心速度vH與噴嘴出口距離H 關(guān)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(yàn)常數(shù)，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(guān)系，距離H 越小，vH越大，實(shí)際射流沖蝕磨削動能越大，反之亦然。實(shí)際應(yīng)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(dāng)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(guān)，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(guān)，即噴砂加工效果還與全壓分布密切相關(guān)。全壓分布可用CFD 平板射流仿真技術(shù)進(jìn)行仿真研究。取距離H 分別為10、20、50、100 mm 4 個位置進(jìn)行模擬仿真研究。其基本假設(shè)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(xù)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(xù)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(jìn)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(huán)境壓力一個標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(jié)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(jié)構(gòu)、壓縮空氣壓力p、磨料濃度與類型S 等參數(shù)選擇有關(guān)，限于篇幅，不再贅述。設(shè)計的濕式噴砂機(jī)實(shí)際選用孔徑為12.5 mm、碳化硼材質(zhì)的二次進(jìn)風(fēng)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(yàn)結(jié)果及分析

選用12.5 mm 孔徑噴槍，距離60 mm 進(jìn)行噴砂測試，氣源動力0.6 MPa，實(shí)際噴砂加工時間約40 min，當(dāng)量時間為2 min，測試結(jié)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(fā)現(xiàn)工件表面磨削條紋明顯減輕，并有輕微捶擊凹坑，產(chǎn)生了均勻細(xì)微的凹凸面(基礎(chǔ)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(chǎn)生塑性變形，其表面粗糙度Ra 在1.6 ～3.2 μm之間，達(dá)到了預(yù)期要求。

4.2 表面殘余應(yīng)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(jìn)行應(yīng)力測試對比，測試位置依次為工件內(nèi)切圓半徑r 處、r/2 處和中心點(diǎn)處，其他條件同前。測試結(jié)果表明:工件經(jīng)濕式噴砂后表面應(yīng)力分布無論在中心點(diǎn)、r/2、r 處都均勻一致。傳統(tǒng)干式噴砂處理后工件表面僅在中心處和濕式噴砂應(yīng)力分布一致，隨著測試點(diǎn)距離中心外移到 r 處、r/2處，應(yīng)力顯著下降，應(yīng)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(yīng)力沿表面距離的分布對照如圖8 所示。

圖8 表面殘余應(yīng)力分布對照圖

測試結(jié)果表明:濕式噴砂后工件表面的應(yīng)力分布較傳統(tǒng)干式噴砂更加均勻一致，噴砂效果更加穩(wěn)定，增加了工件表面應(yīng)力層厚度，改善了工件表面的應(yīng)力分布，有利于提高工件表面強(qiáng)度。

5 結(jié)論

基于PLC 控制的濕式噴砂機(jī)已經(jīng)成功應(yīng)用于企業(yè)的自動化噴砂加工生產(chǎn)，粗糙度達(dá)到生產(chǎn)工藝要求，表面殘余應(yīng)力分布顯著優(yōu)于原有噴砂工藝效果。經(jīng)工作方案改進(jìn)、CFD 仿真和參數(shù)優(yōu)化，通過PLC集中控制和人機(jī)交互界面操作，實(shí)現(xiàn)濕式噴砂過程自動化要求，操作簡單方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。濕式噴砂有效消除了傳統(tǒng)干式噴砂存在的粉塵污染問題，減少噴砂加工中的周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，提高了加工效率，兼具操作便利和應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢，不僅滿足當(dāng)?shù)仄髽I(yè)實(shí)際生產(chǎn)要求，也可廣泛應(yīng)用到其他企業(yè)單位的金屬表面強(qiáng)化與改性處理等方面，具有較高的應(yīng)用推廣價值。

［1］李國英．表面工程手冊［M］．北京:中國機(jī)械工業(yè)出版社，2004:21－27．

［2］卯福生，王麗，馮益華．基于氣固兩相流理論的陶瓷噴砂嘴沖蝕磨損研究［J］．山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2005，15(2):1－4．

［3］程謨棟，王成勇，樊晶明，等．微磨料水射流加工技術(shù)的發(fā)展［J］．金剛石與磨料磨具工程，2007(4):63－67．

［4］程培源．模具壽命與材料［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:66－68．

［5］陶院，楊方，羅俊，等．基于應(yīng)力波驅(qū)動的金屬微滴按需噴射裝置開發(fā)及試驗(yàn)研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報，2013，49(7):162－167．

［6］賈光政．氣動噴砂噴嘴內(nèi)顆粒運(yùn)動特性分析［J］．大慶石油學(xué)院學(xué)報，2006，30(1):63－66．

［7］任延巋，呂玉山，孫建章．微磨料氣射流加工機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究［J］．沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2007，26(5):5－10．

［8］李濤，趙慧．兩級軸流血泵CFD 性能仿真［J］．機(jī)床與液壓，2013，41(13):151－157．