陳智超，徐 鵬，高龍飛，陳羽雨，曹 安，汪 敏，王世杰

(上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324)

0 引 言

噴丸強(qiáng)化是一種表面強(qiáng)化技術(shù)，具有操作簡單、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、核電、汽車等領(lǐng)域。噴丸強(qiáng)化與滾壓、內(nèi)擠壓一樣屬于冷處理工藝，其利用高速運(yùn)動(dòng)的彈丸流沖擊零部件表面，使零部件表面發(fā)生彈塑性變形，產(chǎn)生一層很薄的殘余壓應(yīng)力層。噴丸強(qiáng)化除了產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力以外，還會(huì)導(dǎo)致表面材料的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為晶粒細(xì)化和位錯(cuò)密度增大。以上兩方面的綜合作用會(huì)顯著提高零部件的疲勞性能[1-3]、表面的硬度和強(qiáng)度[4]以及抗應(yīng)力腐蝕及耐高溫氧化等性能[5-6]。對(duì)于噴丸處理的強(qiáng)化效果，可以通過X射線衍射技術(shù)等方法測(cè)定殘余應(yīng)力在材料內(nèi)部的分布狀況進(jìn)行表征[7-8]。影響材料噴丸強(qiáng)化效果的因素有很多，有材料自身的屬性，比如密度、強(qiáng)度、泊松比、彈性模量、剪切模量等，此外還包括噴丸工藝參數(shù)，比如彈丸種類、彈丸尺寸、彈丸形狀、彈丸速度、噴丸時(shí)間以及噴丸覆蓋率等。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，工藝文件中通常規(guī)定了不同零件噴丸強(qiáng)化所需要的強(qiáng)化程度。噴丸強(qiáng)度通常用阿爾門試片的彎曲程度表征；彈丸能量越大，阿爾門試片的彎曲程度越大。對(duì)于車間生產(chǎn)現(xiàn)場來說，固定的零件所用彈丸材料大都固定，基于工藝操作便捷性的考慮，噴丸角度也基本不會(huì)進(jìn)行更改，因此彈丸速度成為了彈丸能量最主要的制約因素。之前在制定噴丸工藝時(shí)主要利用噴丸機(jī)進(jìn)行噴丸試驗(yàn)來確定各噴丸工藝參數(shù)，試驗(yàn)操作繁瑣，耗費(fèi)大量人力、物力，而且需要對(duì)比大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)才能得出合理的噴丸參數(shù)。一旦車間設(shè)備進(jìn)行升級(jí)換代，前期積累的人工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往無法運(yùn)用。仿真分析能夠?qū)娡柽^程進(jìn)行模擬，具有成本低和迭代快的優(yōu)勢(shì)，是一種很好的輔助方法。以往研究噴丸強(qiáng)化的仿真分析工作[9-13]，大多選擇有限元(Finite Element Method，F(xiàn)EM)或者離散元(Discrete Element Method，DEM)方法對(duì)噴丸工藝過程進(jìn)行仿真分析，然后配合噴丸試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。但是在試驗(yàn)驗(yàn)證過程中，由于沒有很好的方法對(duì)彈丸速度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)試，這些方法仿真的準(zhǔn)確性并不是很高。因此，尋找一種準(zhǔn)確測(cè)定彈丸速度的方法，是相關(guān)研究人員努力的方向之一。

第五代(5G)移動(dòng)通信技術(shù)是具有高速率、低時(shí)延和大連接特點(diǎn)的新一代寬帶移動(dòng)通信技術(shù)，5G通信設(shè)施是實(shí)現(xiàn)人機(jī)物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。高速拍照技術(shù)是一種采用高性能的拍照設(shè)備，用極快的快門速度來捕捉圖像的技術(shù)。采用這兩種技術(shù)的結(jié)合，可對(duì)噴丸工藝過程中的瞬時(shí)彈丸信息進(jìn)行拍照采集，并將圖片高速率傳輸至云端，通過云端部署的視覺識(shí)別算法對(duì)圖片中的彈丸速度信息進(jìn)行計(jì)算分析，從而得到噴丸工藝過程中的實(shí)時(shí)彈丸速度。為此，作者基于Eulerian-Eulerian雙流體模型，采用Fluent和EDEM軟件耦合計(jì)算的方式，對(duì)噴丸過程中的彈丸瞬時(shí)速度和速度分布進(jìn)行仿真分析，并基于5G通信和高速拍照技術(shù)，對(duì)噴丸強(qiáng)化工藝過程進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集，獲得彈丸的真實(shí)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 仿真模型與方法

1.1 噴口處彈丸速度的模型

噴丸的本質(zhì)就是大量的彈丸在氣流的作用下快速運(yùn)動(dòng)撞擊零件表面的氣固耦合的多項(xiàng)流模型，既要考慮氣體運(yùn)動(dòng)又要考慮單個(gè)彈丸的受力情況。基于Fluent軟件和EDEM軟件的耦合建模過程可完美地考慮上述情況。針對(duì)這個(gè)過程，除考慮流體相(氣體相)和顆粒相(彈丸)之間的動(dòng)量交換外，還要考慮顆粒相對(duì)于流體相的影響。噴丸過程中彈丸與氣體之間存在動(dòng)量和能量的相互交換，因此選擇Eulerian-Eulerian氣固兩相流模型，以考慮高速氣流噴射下彈丸的運(yùn)動(dòng)情況。噴丸過程中氣體的運(yùn)動(dòng)滿足連續(xù)方程和動(dòng)量方程：

(1)

(2)

式中：ρa(bǔ)ir為氣體質(zhì)量密度；t為時(shí)間；v為速度矢量；μ為流體動(dòng)力黏度；p為氣體壓力；S為動(dòng)量方程的廣義源項(xiàng)。

彈丸運(yùn)動(dòng)及阻力方程為

ma=F

(3)

式中：m，a分別為彈丸的質(zhì)量、加速度；F為彈丸受到的合力。

在Fluent-EDEM耦合建模[14-16]過程中，采用一種改進(jìn)的自由流阻力來計(jì)算作用在彈丸上的作用力，計(jì)算公式為

F=0.5CdρA|v|v

(4)

(5)

式中：Cd為阻力系數(shù)，取決于Re；Re為流體的雷諾數(shù)；A為彈丸顆粒的投影面積；ρ為彈丸顆粒的密度；v為彈丸與氣流間的相對(duì)速度。

1.2 噴口處彈丸速度的仿真方法

噴丸強(qiáng)化是一個(gè)典型的氣力輸送過程，涉及連續(xù)氣體相和離散的顆粒相的模擬。EDEM軟件采用離散元方法模擬彈丸的運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)luent軟件采用有限體積法模擬氣相的流動(dòng)，兩者耦合來計(jì)算噴丸的氣力輸送過程。為了仿真彈丸噴射過程，對(duì)實(shí)際噴丸設(shè)備進(jìn)行了簡化處理。設(shè)置一段噴嘴前的管道用于模擬簡化的噴丸設(shè)備。設(shè)定邊界壓力為噴丸設(shè)備的操作壓力，設(shè)定一段管道長度用來模擬顆粒相被氣體夾帶的加速過程，以使彈丸到達(dá)噴嘴處的速度與試驗(yàn)值基本一致。彈丸運(yùn)動(dòng)過程仿真模型如圖1所示，為了減少邊界對(duì)仿真的影響，仿真區(qū)域(管道)設(shè)為半徑0.5 m的圓柱狀區(qū)域，如圖1(a)所示，經(jīng)過仿真得到的彈丸運(yùn)動(dòng)過程分布如圖1(b)所示。模擬時(shí)管道長度為60 cm，彈丸顆粒位置距離管道邊界10 cm，重力加速度為9.81 m·s-2。在Fluent軟件中將管道起始段壓力設(shè)置為400 kPa，噴嘴后方空間邊界壓力設(shè)置為0。EDEM軟件中彈丸直徑設(shè)置為0.6 mm，彈丸流量設(shè)置為5 kg·min-1。

圖1 噴丸仿真模型Fig.1 Simulation model of shot peening: (a) simulation model area setting and (b) simulation of shot movement

1.3 仿真模型的反向優(yōu)化方法

由于仿真模型在一定程度上對(duì)真實(shí)情況進(jìn)行了簡化，其預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)的測(cè)試結(jié)果之間必然存在一定程度的偏差。為了縮小仿真預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)測(cè)量結(jié)果之間的偏差，需要根據(jù)實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型進(jìn)行反向的迭代優(yōu)化。首先對(duì)仿真模型中的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，即通過一系列改變參數(shù)大小的試驗(yàn)矩陣來評(píng)判每個(gè)參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響程度，這些參數(shù)包括入口壓力、出口壓力、彈丸流量、控制方程參數(shù)等。然后在各參數(shù)的可信范圍區(qū)間內(nèi)進(jìn)行參數(shù)的修正，使得仿真模型在不同的輸入條件下得到的仿真預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)測(cè)量結(jié)果盡可能接近。

2 試驗(yàn)方案

2.1 5G通信快速組網(wǎng)

噴丸強(qiáng)化過程中，彈丸的運(yùn)動(dòng)速度很快，一般為幾十米每秒。為了精確采集彈丸的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而獲得準(zhǔn)確的彈丸運(yùn)動(dòng)速度，采用2 040 Hz的高速工業(yè)相機(jī)對(duì)噴口位置進(jìn)行連續(xù)拍攝。由于噴丸設(shè)備為實(shí)時(shí)加工設(shè)備，很難采用有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。高速相機(jī)拍攝高清照片經(jīng)壓縮后上傳需求的上行帶寬約300 MB·s-1，為滿足如此大上行的要求，研究中搭建了極簡5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，攝像頭通過專用無線路由器接入5G網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入商飛私有云。使用云上資源進(jìn)行圖像識(shí)別學(xué)習(xí)，并轉(zhuǎn)化為彈丸分布信息。數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.2 Network topology of data acquisition

為快速實(shí)現(xiàn)工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，采用了一套有別于to-C(面向消費(fèi)者)的核心網(wǎng)架構(gòu)，運(yùn)用本地輕量級(jí)核心網(wǎng)和一體機(jī)柔性化部署。該網(wǎng)絡(luò)在核心網(wǎng)網(wǎng)元功能上進(jìn)行了針對(duì)現(xiàn)場業(yè)務(wù)的優(yōu)化，剔除了計(jì)費(fèi)、語音等工業(yè)場景不需要的網(wǎng)元模塊，增加了對(duì)于業(yè)務(wù)的針對(duì)性QoS(Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量)調(diào)度優(yōu)化。無線側(cè)采用更適合工業(yè)的隙配比，同時(shí)采用載波聚合技術(shù)增大載波帶寬保障大上行，實(shí)測(cè)最大上行帶寬達(dá)到500 MB·s-1，網(wǎng)絡(luò)可用性達(dá)到99.999%。

2.2 噴丸速度測(cè)試試驗(yàn)

噴丸設(shè)備由2臺(tái)工業(yè)機(jī)械臂和4路噴頭組成，2臺(tái)機(jī)械臂可同時(shí)作業(yè)，4路噴頭可噴不同型號(hào)的彈丸。噴丸設(shè)備的噴口直徑為10 mm，噴口處彈丸的速度范圍為10～70 m·s-1，所用彈丸為鑄鋼丸，牌號(hào)為ASR230，彈丸直徑為0.6 mm。拍照用的高速相機(jī)類型為2 040 Hz的高速工業(yè)相機(jī)，分辨率為1 080 P(逐行掃描，沿垂直方向有1 080條掃描線)，物距為100 m，景深為5 mm，視野大小為100 mm。

如圖3所示，在自動(dòng)噴丸設(shè)備噴口處架設(shè)高速相機(jī)采集圖像，調(diào)整相機(jī)參數(shù)以確保同一彈丸在前后兩幀圖片中都出現(xiàn)。通過在噴丸設(shè)備內(nèi)部加設(shè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，采集噴丸設(shè)備的壓力、流量等參數(shù)。通過新一代通信技術(shù)將實(shí)時(shí)采集到的工藝參數(shù)及圖片信息上傳至云數(shù)據(jù)庫中用于數(shù)據(jù)分析。

圖3 基于高速相機(jī)的噴丸強(qiáng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.3 Shot peening data acquisition system based on high-speed camera

使用單格大小為3 mm的標(biāo)定板對(duì)相機(jī)進(jìn)行內(nèi)外參標(biāo)定。試驗(yàn)設(shè)定了不同的噴丸壓力和流量。每組采集圖像為10張，分別選取2個(gè)時(shí)刻的連續(xù)5張圖像。相鄰的前后兩幀圖像如圖4所示，通過多幀數(shù)據(jù)對(duì)比，基于智能算法識(shí)別圖片中的同一彈丸，通過計(jì)算前后兩幀同一彈丸的像素距離和標(biāo)定數(shù)據(jù)來得到彈丸的平均速度。通過對(duì)所有圖像的采集和分析得出在100，200，300，400 kPa壓力下，5 kg·min-1流量下的平均彈丸速度。

圖4 相鄰兩幀圖片中的彈丸位置Fig.4 Shot position in two adjacent frames: (a) previous frame and (b) next frame

3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 噴口處彈丸速度的試驗(yàn)驗(yàn)證

在100，200，300，400 kPa壓力及5 kg·min-1流量下仿真及試驗(yàn)得到的彈丸速度如圖5所示。由圖5可以看出：隨著壓力的增大，彈丸速度近似呈線性增大；仿真得到的彈丸速度與試驗(yàn)得到的彈丸速度基本相等，最大相對(duì)誤差為12.1%?？紤]到仿真模型的簡化以及相機(jī)拍攝過程中定位誤差等因素，可以認(rèn)定所建立的氣固兩相流模型具有較好的準(zhǔn)確性。

圖5 試驗(yàn)與仿真得到噴丸壓力與彈丸速度的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between shot peening pressure and shot velocity obtained by test and simulation

3.2 彈丸速度空間分布仿真結(jié)果

基于圖1中的仿真模型，在噴嘴下方設(shè)置了直徑50 cm、長1 m的圓柱狀空間，分析了噴口下方不同位置處彈丸速度的大小，以400 kPa噴丸壓力下的建模為例，描述彈丸速度的空間分布仿真情況。提取EDEM軟件在運(yùn)行0.2～0.5 s時(shí)間段內(nèi)的平均速度，分析彈丸速度隨距噴口距離的變化情況。由圖6可以看出，彈丸速度的空間分布呈近似拋物線的趨勢(shì)。從噴口處噴出后(0～20 cm)，由于空氣的夾帶作用，彈丸速度繼續(xù)小幅上升(2%)，隨著空氣速度的衰減，在空氣曳力和重力加速度的競爭作用下，彈丸速度有一段起伏階段(15～40 cm)，之后速度緩慢下降(40～100 cm)，但是彈丸從噴口噴出后的60 cm范圍內(nèi)，速度整體上并沒有出現(xiàn)太大的衰減。通過仿真分析可知彈丸噴出后速度的空間分布有很強(qiáng)的規(guī)律性，可以以此作為彈丸速度描述模型的基準(zhǔn)。

圖6 彈丸速度在空間的分布曲線Fig.6 Distribution curve of shot velocity in space

3.3 噴丸強(qiáng)度分析軟件

基于上述分析，可以得到彈丸速度等工藝參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)既定參數(shù)下噴丸強(qiáng)度的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，及目標(biāo)噴丸強(qiáng)度下的工藝參數(shù)推薦，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真分析結(jié)果進(jìn)行了人工智能學(xué)習(xí)，得到了不同工藝參數(shù)下噴丸強(qiáng)度的深度學(xué)習(xí)模型；該模型可隨著生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的積累進(jìn)行升級(jí)。根據(jù)此模型機(jī)理，開發(fā)了如圖7所示的噴丸強(qiáng)度分析軟件。用此軟件實(shí)現(xiàn)了在6個(gè)工藝參數(shù)下的噴丸強(qiáng)度預(yù)測(cè)和目標(biāo)噴丸強(qiáng)度的工藝參數(shù)推薦。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，其預(yù)測(cè)精度達(dá)到95%。該噴丸強(qiáng)度分析軟件極大提升了生產(chǎn)現(xiàn)場的工作效率。

圖7 噴丸強(qiáng)度分析軟件界面Fig.7 Shot peening intensity analysis software interface

4 結(jié) 論

(1) 建立了基于5G通信和高速拍照技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠有效收集實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場的彈丸速度數(shù)據(jù)；基于Eulerian-Eulerian模型，對(duì)彈丸速度進(jìn)行仿真分析，彈丸速度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，相對(duì)誤差為12.1%，模型的準(zhǔn)確性得到了驗(yàn)證。

(2) 彈丸從噴口噴出后速度先升后降，在距離噴口60 cm范圍內(nèi)速度變化不大，存在小范圍波動(dòng)。

(3) 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真分析結(jié)果進(jìn)行了人工智能學(xué)習(xí)，得到了不同工藝參數(shù)下噴丸強(qiáng)度的深度學(xué)習(xí)模型，開發(fā)了噴丸強(qiáng)度分析軟件；此軟件的預(yù)測(cè)精度達(dá)到95%。