该文已发表于2022年9月7日《中国机械工程》期刊
作者：舒林森，巩江涛，董月，苏成明，王昕
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导读：为了实现损伤阀芯零件高质量修复，提出了一种基于几何重构与路径位姿规划的阀芯再制造工艺方法。首先，引入再制造边界预制原则对阀芯损伤部位进行预处理设计并制定其实施步骤，随后基于 NURBS 理论实现再制造边界曲面及其待修复阀芯模型的高精度重构；然后，采用等距截平面法生成再制造工艺路径，根据直线逼近和误差控制原理计算各插补点坐标，并将光斑面积与插补点姿 态相结合去确定激光喷头动态位姿；最后，运用 ABB 机器人系统进行路径与位姿校验并导出代码进行阀芯再制造实践。结果表明：所提方法中规划路径及位姿能够有效跟随阀芯再制造边界曲面进行熔覆， 形成了无气孔、裂纹的致密涂层，涂层晶粒尺寸和平均硬度分别为 14~54μm 和(573.6±51.8)HV0.5，耐冲蚀腐蚀性能提高 30.8%，能够满足阀芯再制造要求。
关键词：阀芯、再制造、几何重构、工艺路径、位姿、性能
2.2 插补点姿态调整
为了保证激光与基材作用时，熔池尺寸和温度均匀的变化，需要基材表面上沿再制造路径的激光光斑面积恒定。对于曲面而言，为了达到以上要求，就必须保证激光轴线与插补点处的曲面法向矢量重合。图 8 为插补点姿态与光斑面积的关系示意图，可见：激光束垂直于 Q1 面时，获得了理想的圆形光斑（面积为 S1）；将 Q1偏转 φ 角后，激光束在 Q2 面则形成不理想的椭圆形光斑（面积为 S2）。
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图8 插补点姿态与光斑面积的关系示意图
若在曲面上取任意路径点 P(u0,v0)关于 u 和 v 的偏导数，即 u 向切矢量和 v 向切矢量，数学表达式为：
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且 Pj (u0,v0) × Pv (u0,v0) ≠ 0 ，则该点在曲面上的法向矢量为：
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运用 MATLAB 对曲面各点法向矢量进行求解如下图 9 所示。图 10 为第 4 条路径插补点的法向矢量。
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图9 曲面上插补点的法向矢量
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图10 第4条路径的各插补点法向矢量
2.3激光头动态位姿
再制造时要求激光喷头与加工表面保持恒定距离。激光喷头动态位置通过偏置法[7]获取，即沿曲面上某点的矢量方向偏置距离 d。若取曲面所有加工点的集合为Pi（i=1,2,…,k)，运用偏置法将点集 Pi 偏置距离 d，得到偏置点集合Si。
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式中 Si （i=1,2,…,k）表示激光喷头的位置信息，ni （i=1,2,…,k）为曲面上各插补点的法向矢量。表 1 为第 4 条路径的插补点的法向矢量及激光喷头的位置点。
获取激光喷头位置数据后，采用四元素法对机器人的姿态进行求解。与文献[19]采用的欧拉角法相比，本文采用的四元素法可避免关节机器人万向节锁死现象，效率更高。若定义某加工点在工件坐标系 OXYZ 下的坐标为图片，激光喷头所在坐标系为工具坐标系 PIJK，其中K=图片，若求得 I 和 J 即可求解激光喷头的姿态。可令J=图片为激光喷头前进方向的切线方向，I=图片为其法向方向，故可得在工具坐标系下的姿态矩阵 A。根据四元素法的姿态公式求解加工点的姿态，如式 11、12 所示。
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表1 第4条路径的插补点、法向矢量及激光喷头的位置点
将已规划再制造工艺路径及激光喷头的动态位姿数据在 ABB 机器人虚拟系统进行校验，并生成激光再制造加工代码，如图 11 所示。
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图11 激光再制造工艺路径
3 阀芯再制造试验研究 3.1 试验条件
在阀芯零件再制造前，先进行表面清洁处理，再进行损伤状态评价，然后进行再制造边界曲面预制设计与加工，最后以路径规划的位姿放置阀芯进行激光再制造。图 12 为激光再制造系统及阀芯零件再制造前后外观形貌。阀芯零件再制造的 工艺参数为：激光功率 2400W，离焦量+1mm，送粉速度 20g/min，扫描速度 16mm/s，搭接率 40%。为了满足涂层的耐腐蚀、耐冲蚀及耐磨的要求，涂层粉末选用 Fe-Cr-Ni-Si 合金。该粉末含Cr、Ni、Si 等强化元素，可提高涂层的耐腐耐蚀 性和强度。激光再制造使阀芯零件损伤区域的几何尺寸得以复原并保持 0.5mm 加工余量，最后机加去除涂层余量，达到阀芯设计的尺寸及精度要求即可。
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图12 激光再制造系统及阀芯再制造前后效果
3.2 涂层组织与硬度
图 13 为阀芯再制造涂层的截面组织形貌及硬度。在阀芯再制造涂层及其结合边界处，均可发现涂层道次搭接良好、边界清晰圆润，未见明显的气孔、裂纹等缺陷，如图 13（a）和图 13（c） 所示。图 13（b）所示为涂层顶部任意区域放大 后的微观组织，发现在涂层顶部组织主要为等轴晶和树枝晶，其原因在于再制造涂层顶部与空气接触，过冷区变宽，次级晶臂在极热极冷的过程下断裂为组织均匀、细小的等轴晶。图 13（d） 所示为涂层及其结合边界处区域放大后的微观组织，发现涂层底部受温度梯度影响，其组织横向生长受到抑制，形成垂直边界生长的柱状晶，但是在结合界面处形成尺寸均匀的平面晶。阀芯涂层的组织尺寸为 14μm~54μm，属于细小晶粒结构，组织形态良好且分布均匀，反映再制造效果 好。为了检验阀芯涂层硬度，以 300μm 为间隔沿涂层横向及纵向进行维氏硬度测量，发现涂层硬度较为稳定，平均硬度值为(573.6±51.8) HV0.5， 约为 40Cr 基材的 2.4 倍。综上所述，涂层与基材形成了无气孔、裂纹等缺陷的致密涂层，显微硬 度稳定，冶金结合效果理想，可满足阀芯零件微观结构和耐磨性能要求。
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图13 涂层截面组织形貌及硬度分布
3.3 抗冲蚀腐蚀性能
利用 MCF-20 型冲蚀腐蚀试验机测试再制造阀芯涂层的抗冲蚀腐蚀能力，采用累计质量损失作为评价标准。再制造涂层试样与阀芯基材试样均被置于弱酸性溶液条件下，以速度10m/s、冲刷角45°进行同步测试，结果如图14 所示。可见，阀芯基材的质量损失曲线明显高于再制造涂层，实验后基材和再制造涂层的材料累积质量损失分别 0.083g 和 0.056g；稳定阶段冲蚀腐蚀后，基材和再制造涂层的质量损失率分别为 0.0065g/h 和 0.0045g/h，表明再制造涂层在 45°角下的抗冲蚀腐蚀性能显著优于阀芯基材，可满足阀芯零件抗冲蚀腐蚀的性能要求。
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图14 再制造阀芯涂层冲蚀腐蚀性能测试
4 结论
（1）提出了一种基于 NURBS 理论的损伤阀芯零件几何重构方法。将阀芯零件损伤表面特征点坐标的快速获取、损伤边界再设计、关键几何特征曲面拟合以及阀芯零件实体化整合进再制造阀芯零件几何模型重构过程，降低了几何建模误 差，提高了激光再制造精度，为阀芯再制造工艺 规划创造了前提条件。
（2）形成了一种阀芯零件再制造工艺路径生成及位姿规划方法。以保证激光功率密度的稳定性为出发点，利用等距截平面法对重构的再制造边界曲面进行分割，产生了基于割线轨迹的激光再制造路径；再用直线段逼近和弓高误差控制原 理，完成了激光再制造路径上各插补点坐标计算，结合插补点姿态与光斑面积的关系提出了激光喷头位姿计算方法，为制备优质的再制造涂层提供了理论支持。
（3）形成了一个阀芯类零件再制造的典型案例。以受损阀芯零件为再制造对象，进行再制造实验，发现涂层与阀芯基材结合状态良好、组织均匀、硬度稳定，抗冲蚀腐蚀性能较基材提高了30.8%，验证了方法的可靠性，可满足阀芯零件服役性能要求，具有较好的工业应用潜力。
阀门再制造全流程解决方案
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