針式雷射噴丸裝置的製作方法
2023-09-18 11:26:00
本發明涉及雷射加工領域，特指一種可以對零件狹窄部位進行雷射噴丸的針式雷射噴丸裝置，主要適用於孔、齒輪及整體葉盤的雷射噴丸強化。
發明背景
隨著航空航天事業的發展,對金屬零件的強度變得要求越來高,利用強雷射誘導衝擊波來強化金屬表面的新技術稱為雷射衝擊強化技術(簡稱lsp),由於其表面強化效果好,自產生之日起就得到了廣泛的關注和研究。1998年該技術被美國研發雜誌評為全美100項最重要的先進技術之一；美國上世紀90年代後期開始的航空發動機高頻疲勞研究計劃中,將雷射衝擊強化技術列為工藝技術措施首位,2005年,研製雷射衝擊強化系統的mic公司獲美國國防製造最高成就獎,美國將該技術列為第四代戰鬥機發動機關鍵技術之一,足見該項技術的重大價值,國內外的研究均表明,雷射衝擊強化對各種鋁合金、鎳基合金、不鏽鋼、鈦合金、鑄鐵以及粉末冶金等均有良好的強化效果,除了在航空工業具有極好的應用前景外,在汽車製造、醫療衛生、海洋運輸和核工業等都有潛在的應用價值；
然而，隨著零件結構的緊湊化設計，以及對零件整體壽命的要求提高，在實際應用中出現了一些難以進行衝擊的表面，如孔的內壁，整體葉盤的葉根，齒輪的齒根等。這些部位難以通過調整雷射與零件的角度來保證雷射的垂直入射，從而難以保證衝擊的穩定性。美國對整體葉盤複雜結構葉片強化的雷射入射角不超過60°，我國新型整體葉盤葉片扭轉角大於美國，隱蔽面強化時雷射入射角超過了60°，光束可達性更差。雷射衝擊波峰值壓力高達數gpa，用圓形光斑強化葉片薄邊緣(約0.5-0.6mm)時易產生正面鍋形凹陷和背面鼓起的大變形。薄壁曲面複雜(變曲率、變厚度)，雷射變入射角的大面積搭接衝擊的變形規律很複雜，整體變形量的控制很難。除本項目外，尚未見到國內外公開報導的控制變形量的相關技術與理論。
針對以上不足，本發明提出一種針式雷射噴丸裝置及隱蔽複雜薄壁零件表面雷射衝擊強化方法,使雷射衝擊技術能夠有效深入難衝擊表面，優化雷射參數，提高對這些表面的噴丸質量。
技術實現要素：
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本發明的目的在於提供一種針式雷射噴丸裝置，該裝置可以自由的進入孔、齒輪齒根、整體葉盤葉片根部等狹窄部位進行噴丸，保證噴丸質量。
一種針式雷射噴丸裝置，包括聚焦腔、針式導光管、塗水機器人、機械手。聚焦腔由機械手夾持，以便於調整其運動姿態。其特徵在於：所述聚焦腔由腔體、透鏡組、氣動微控單元組成。腔體的一段設有光纖入口和冷卻氣體入口，雷射通過光纖入口進入腔體，經過透鏡組調製成平行光束從腔體的另一端輸出。第一組透鏡之間設有氣動微控單元，氣動微控單元的外壁設有氣控氣體入口用於調節透鏡間的距離以獲取不同大小的光斑。腔體的另一端連接有空心軸電機，針式導光管的一端安裝在空心軸電機內。
一種針式雷射噴丸裝置，其特徵在於：所述針式導光管由管腔、反射鏡座，反射鏡，導氣端蓋，聚焦鏡組成。反射鏡安裝在反射鏡座上。反射鏡座內設有氣道便於冷卻氣流通過並保持反射鏡兩面的氣壓平衡。反射鏡座通過連杆與導氣端蓋相連。導氣端蓋的結構如圖3所示，其內圈設有螺紋，與管腔相連接。管腔的一端設有凹槽，聚焦鏡安裝在凹槽內，用於保護反射鏡。導氣端蓋將氣流引至聚焦鏡表面，防止水濺射到聚焦鏡上，影響出光質量，並保護聚焦鏡由於水流和雷射的共同作用而產生破裂。
一種隱蔽面雷射噴丸方法：首先通過計算機預讀取隱蔽面的三維圖形信息，計算模擬出雷射掃描路徑及入射角度，計算出實際處理表面的光斑尺寸及所需功率密度，當隱蔽面扭轉角度過大，則將雷射改為斜入射待處理表面，在待處理表面形成橢圓形光斑，此時同時通過氣動微控單元調整透鏡間的距離進一步縮小光斑，同時通過雷射能量補償單元保證光斑為橢圓時光斑內的雷射功率密度與圓形光斑近似，機械手通過調整針式雷射噴丸裝置的位移來補償縮小光斑帶來的位置偏差。所述雷射能量補償單元由諧振腔、前置放大器、一級放大器、二級放大器、分光鏡、能量計、計算機組成。
一種防止薄壁結構變形的雷射噴丸方法：根據薄板受力和氣化物擴散模型建立了薄板運動方程，推導出雷射衝擊波作用下薄板塑性變形量xm，
其中h為衝擊區域材料厚度，y為材料屈服強度，a為變形區域半徑，p0為衝擊波峰值壓力，δ0為被雷射氣化的物質厚度(取決於雷射功率密度和脈寬)。
首先通過計算機預估薄壁件的變形量並根據衝擊件幾何模型優化雷射衝擊參數，進行衝擊時，如圖1所示，雷射由諧振腔射出，經前置放大器、一級放大器、二級放大器射出，一小部分雷射能量經分光鏡反射至能量計，能量計將數據傳輸給計算機來計算射出的雷射能量，計算機通過預製的雷射功率變化規律不斷控制前置放大器、一級放大器、二級放大器來調節雷射能量，完成對變截面薄壁件的雷射衝擊。對衝擊區域過薄，減小雷射能量又難以產生足夠的殘餘壓應力時，則在衝擊區域的背面黏貼特製的吸波片，來增加材料剛度並吸收反射波，阻止材料的過度變形。
本發明的有益效果為：
(1)自由度高，調節範圍大，能夠實現對任意曲率表面的衝擊。
(2)體積小，可以方便的深入孔，齒輪以及葉輪根部進行衝擊。
(3)使用方便，對易處理的零件可以將針式導光管取下進行衝擊，也可以直接用使用針式導光管對普通零件進行衝擊。
(4)具有氣體保護，避免了裝置由於熱積累產生變形帶來的不穩定性，同時氣流對透鏡的保護也提高的裝置的穩定性。
(5)採用六軸聯動姿態控制的柔性光學關節小型雷射加工頭和水約束層、隱蔽面雷射傳輸技術，解決了複雜結構的光束可達性差的技術難題。
(6)採用雷射入射能量補償技術，解決了雷射變入射角能量分布均勻性的技術難題。
(7)提出了方形光斑雷射衝擊軌跡規劃、葉片邊緣背面貼吸波層和邊緣過渡區變雷射功率的控制變形方法，解決了薄壁零件強化後變形量大的技術難題。
附圖說明：
本發明裝置結構附圖說明如下：
圖1是本發明結構示意圖；
圖2是本發明聚焦腔結構圖；
圖3是針狀導光管結構圖；
圖4是孔噴丸示意圖；
圖5是隱蔽薄壁變截面表面的雷射衝擊作業示意圖。
聚焦腔1、針式導光管2、塗水機器人3、待衝擊零件4、機械手5、腔體6、雷射7、加持裝置8、空心軸電機9、水流10、透鏡組11、冷卻氣體入口12、光纖入口13、管腔14、氣流15、反射鏡16、反射鏡座17、氣道18、連杆19、導氣端蓋20、水膜21、聚焦鏡22、吸收層23、孔24、分光鏡25、反射鏡26、氣控氣體入口27、氣動微控單元28、吸波片29。
具體實施方式：
以下實施例用於說明本發明，但不是用來限制本發明。
一種針式雷射噴丸裝置，包括聚焦腔1、針式導光管2、塗水機器人3、機械手5。聚焦腔1由機械手5夾持，以便於調整其運動姿態。聚焦腔1由腔體6、透鏡組11組成。腔體6的一段設有光纖入口13和冷卻氣體入口12，雷射7通過光纖入口13進入腔體，經過透鏡組11調製成平行光束從腔體6的另一端輸出。腔體6的另一端連接有空心軸電機9，第一組透鏡之間設有氣動微控單元28，氣動微控單元28的外壁設有氣控氣體入口27用於調節透鏡間的距離以獲取不同大小的光斑。針試導光管2的一端安裝在空心軸電機9內。
所述針式導光管2由管腔14、反射鏡座17，反射鏡16，導氣端蓋20，聚焦鏡22組成。反射鏡16安裝在反射鏡座17上。反射鏡座內設有氣道18便於冷卻氣流通過並保持反射鏡16兩面的氣壓平衡。反射鏡座17通過連杆19與導氣端蓋20相連。導氣端蓋20的結構如圖3所示，其內圈設有螺紋，與管腔14相連接。管腔14的一端設有凹槽，聚焦鏡22安裝在凹槽內，用於保護反射鏡16。導氣端蓋20將氣流15引至聚焦鏡22表面，防止水濺射到聚焦鏡22上，影響出光質量，並保護聚焦鏡22由於水和雷射7的共同作用而產生破裂。
附圖說明：
具體實施例1：
窄間隙部位的噴丸：在待衝擊零件4的待衝擊表面粘貼上吸收層23，將聚焦腔1通過加持裝置8夾持在機械手5上，機械手5調整針式導光管16的位置，將其插入待衝擊零件4狹窄部位。塗水機器人3調整好水流10的角度，在待衝擊表面形成一定厚度的水膜21。氣流15由冷卻氣體入口進入，經聚焦腔進入針式導光管16，氣流15通過導氣端蓋20中的氣道18引導至聚焦鏡22表面，形成保護氣膜。雷射7通過光纖入口13導入聚焦腔4，經過調製後形成平行光束導入針式導光管16，經反射鏡16反射後穿過聚焦鏡22輻照在待衝擊零件4表面形成衝擊。機械手5不斷調整針式導光管16的位置，同時空心軸電機9配合待衝擊表面的曲率調整雷射7的入射角度，進而對全表面進行衝擊。
具體實施例2
孔的衝擊：如圖4所示，孔24的直徑為5cm，深10cm，針式光導管2的直徑為1.5cm，長度為15cm，導氣端蓋20出氣口處直徑為2cm，首先在孔24內噴塗吸收層23，塗水機器人3調整水流10的角度，使水流10沿孔壁流動，機械手5調整針式導光管2的位置，使其管腔14平行於孔壁，機械手5帶動針式導光管2插入孔24的底部，空心軸電機9控制針式導管的轉速為2mm/s。雷射7經聚焦腔4聚焦後形成直徑為4mm的雷射光束，經針式導光管2中的反射鏡16反射後輻照孔壁，形成雷射衝擊，機械手5控制針式導光管2的提升，使其每旋轉一圈上升2mm，逐步完成對整個孔壁的噴丸。
具體實施例3
隱蔽薄壁變截面表面的雷射衝擊
首先通過計算機預估薄壁件的變形量並根據衝擊件幾何模型優化雷射衝擊參數，進行衝擊時，如圖5所示，雷射由諧振腔射出，經過反射鏡26反射，經前置放大器、一級放大器、二級放大器射出，一小部分雷射能量經分光鏡25反射至能量計，能量計將數據傳輸給計算機來計算射出的雷射能量，計算機通過預製的雷射功率變化規律不斷控制前置放大器、一級放大器、二級放大器來調節雷射能量。對衝擊區域過薄，減小雷射能量又難以產生足夠的殘餘壓應力時，則在衝擊區域的背面黏貼特製的吸波片29，來增加材料剛度並吸收反射波，阻止材料的過度變形。
接著通過計算機預讀取隱蔽面的三維圖形信息，計算模擬出雷射掃描路徑及入射角度，計算出實際處理表面的光斑尺寸及所需功率密度，當隱蔽面扭轉角度過大，則將雷射改為斜入射待處理表面，在待處理表面形成橢圓形光斑，此時同時通過氣動微控單元28調整透鏡組11間的距離進一步縮小光斑，同時通過雷射能量補償單元(圖5)保證光斑為橢圓時光斑內的雷射功率密度與圓形光斑近似，機械手6通過調整針式導光管2的位移來補償縮小光斑帶來的位置偏差進而完成對變截面薄壁件的雷射衝擊。
具體實施例4
一種針式雷射噴丸裝置，包括聚焦腔、針式導光管、塗水機器人、機械手。聚焦腔由機械手夾持，以便於調整其運動姿態。所述聚焦腔由腔體、透鏡組、氣動微控單元組成。腔體的一段設有光纖入口和冷卻氣體入口，雷射通過光纖入口進入腔體，經過透鏡組調製成平行光束從腔體的另一端輸出。第一組透鏡之間設有氣動微控單元，氣動微控單元的外壁設有氣控氣體入口用於調節透鏡間的距離以獲取不同大小的光斑。腔體的另一端連接有空心軸電機，針式導光管的一端安裝在空心軸電機內。
所述針式導光管由管腔、反射鏡座，反射鏡，導氣端蓋，聚焦鏡組成。反射鏡安裝在反射鏡座上。反射鏡座內設有氣道便於冷卻氣流通過並保持反射鏡兩面的氣壓平衡。反射鏡座通過連杆與導氣端蓋相連。導氣端蓋的結構如圖3所示，其內圈設有螺紋，與管腔相連接。管腔的一端設有凹槽，聚焦鏡安裝在凹槽內，用於保護反射鏡。導氣端蓋將氣流引至聚焦鏡表面，防止水濺射到聚焦鏡上，影響出光質量，並保護聚焦鏡由於水流和雷射的共同作用而產生破裂。
應用所述針式雷射噴丸裝置的一種隱蔽面雷射噴丸方法：首先通過計算機預讀取隱蔽面的三維圖形信息，計算模擬出雷射掃描路徑及入射角度，計算出實際處理表面的光斑尺寸及所需功率密度，當隱蔽面扭轉角度過大，則將雷射改為斜入射待處理表面，在待處理表面形成橢圓形光斑，此時同時通過氣動微控單元調整透鏡間的距離進一步縮小光斑，同時通過雷射能量補償單元保證光斑為橢圓時光斑內的雷射功率密度與圓形光斑近似，機械手通過調整針式雷射噴丸裝置的位移來補償縮小光斑帶來的位置偏差。所述雷射能量補償單元由諧振腔、前置放大器、一級放大器、二級放大器、分光鏡、能量計、計算機組成。
應用所述針式雷射噴丸裝置的一種防止薄壁結構變形的雷射噴丸方法：根據薄板受力和氣化物擴散模型建立了薄板運動方程，推導出雷射衝擊波作用下薄板塑性變形量xm，
其中h為衝擊區域材料厚度，y為材料屈服強度，a為變形區域半徑，p0為衝擊波峰值壓力，δ0為被雷射氣化的物質厚度(取決於雷射功率密度和脈寬)。
首先通過計算機預估薄壁件的變形量並根據衝擊件幾何模型優化雷射衝擊參數，進行衝擊時，如圖1所示，雷射由諧振腔射出，經前置放大器、一級放大器、二級放大器射出，一小部分雷射能量經分光鏡反射至能量計，能量計將數據傳輸給計算機來計算射出的雷射能量，計算機通過預製的雷射功率變化規律不斷控制前置放大器、一級放大器、二級放大器來調節雷射能量，完成對變截面薄壁件的雷射衝擊。對衝擊區域過薄，減小雷射能量又難以產生足夠的殘餘壓應力時，則在衝擊區域的背面黏貼特製的吸波片，來增加材料剛度並吸收反射波，阻止材料的過度變形。