中厚板材雷射噴丸成形的方法和裝置的製作方法
2023-04-24 04:52:56 1
專利名稱：中厚板材雷射噴丸成形的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及機械製造領域，特指一種基於高能脈衝雷射噴丸技術的板材成形的方法和裝置，其適用於有光滑曲率要求的中厚板材件的成形加工。特別適用於用常規方法難以成形或根本無法成形的中厚板材的小曲率成形件的加工。
背景技術：
中厚板材成形件在航空和國防工業中有著十分廣泛的應用。飛機上的大型結構零部件如機翼、蒙皮、整體壁板及渦輪發動機葉片等，為了承受有效的結構載荷和滿足空氣動力學性能，要求具有精確複雜的曲率形狀，並保持材料原有的結構特性；國防工業中飛彈、火箭，核反應堆中核反應金屬罐容器等零部件的成形加工，除了要有精確的外形外，其表面要求很高的機械力學性能和表面質量。這些中厚板材件的加工，用傳統的加工方法，如機械噴丸成形，加熱輔助彎曲成形等很難滿足零件的使用要求和性能。
傳統的機械噴丸成形是利用有質彈丸流高速撞擊板材表面，易產生加工硬化，且使受噴表面變得粗糙，降低表面質量。同時現有噴丸系統十分複雜，在每次噴丸以後，彈丸必須收集、清洗、分級和破粒去除。由於機械噴丸參數多而難以精確控制，因而目前機械噴丸成形仍採用試噴和樣板檢驗方法，導致生產周期長，成本費用高。並且由於機械噴丸產生的殘餘應力較小，所能成形的板材厚度較小(＜5mm)，適應的材料有限。加熱輔助彎曲成形是目前成形中厚板材的主要方法，其工藝是首先將待加工的板材加熱到一定溫度，使材料的屈服強度降低，然後採用模具壓力使之彎曲成形，由於加熱改變了材料的組織，使得成形後零件的力學性能降低，表面產生殘餘拉應力，從而影響使用壽命。
與本發明最為接近的是美國加州大學Hackel Lloyd和Harris Fritz申請的專利「CONTOUR FORMIMG OF METALS BY LASER PEENING」(專利號WO0105549)，提出用雷射單點錘擊金屬板材表面產生殘餘應力，再利用殘餘應力釋放產生微曲度進行的微變形成形，通過各點每次錘擊的微曲度的累積或在同一點實施多次衝擊，就可取得更大尺寸的彎曲。其缺點如下(1)由於是利用雷射單點錘擊產生的殘餘壓應力誘導的彎曲，所以變形量小；(2)在雷射錘擊前必須在待衝擊表面敷能量吸收層，再在塗層上用水作約束層。這種分開式處理方法，造成雷射能量利用率低、數據不穩、可靠性差等缺點，而且還需一道去除殘留能量吸收層的後處理工序；(3)用水作約束層時需額外的供水系統，並使工裝夾具變複雜，且雷射錘擊過程中水的飛濺難以控制，易損壞光學鏡片等。
現有專利「一種雷射衝擊精密成形方法及裝置」(專利號ZL01134063.0)，提出一種高性能雷射衝擊精密成形技術，它直接利用強脈衝雷射束(功率密度大於109W/cm2，脈衝寬度8-30ns)衝擊工件表面的柔性貼膜，使其表層氣化電離並形成衝擊波，由於產生的衝擊波壓力峰值超過材料動態屈服強度，致使板材發生明顯塑性變形。這種方法所採用的是單次雷射衝擊下板料產生宏觀的塑性變形，即直接成形凹形、凹形搭接的工藝，其適合於有拉深比要求的零件成形。由於每次雷射脈衝誘導的衝擊波壓力必須使板料產生宏觀的凹形變化，因而所採用的雷射脈衝能量必須足夠大，這給雷射器帶來了較高的要求。由於雷射衝擊成形過程中伴隨著表面強化，致使板材的屈服強度提高，後續變形困難，導致搭接區域的材料塑性流動較差，所能成形的板材厚度有限，表面的粗糙度無法保證，因此不能用於有光滑曲率要求的中厚板材成形。
發明內容
本發明的目的是要克服上述缺點，提供用於常規方法難於成形的中厚板材(＞6-15mm)成形的方法和裝置，特別適用於光滑小曲率板材零件的精密成形。
本發明採用以下方法實現上述目的根據加工零件的曲面形狀，通過計算機控制系統模擬出所需的應力場分布形狀，優化出作用在板料表面的衝擊波壓力及噴丸軌跡分布；根據優化的衝擊波壓力及噴丸軌跡分布參數，計算機控制系統自動選擇雷射脈衝參數、光束變換裝置及光學掩模的參數，編制NC加工程序用於計算機控制系統以控制導光系統、工作檯所走軌跡；雷射器發出的一個高能量的短脈衝強雷射，通過光束變換裝置可轉變成若干個群脈衝，再通過光學掩模作用在工件表面的能量轉換體上，能量轉換體把吸收的群脈衝雷射能量轉變成衝擊波壓力作用在工件表面，實現成形。
雷射器發出的雷射束的光斑模式可以是基模和多模中的一種，脈衝能量為15-60J，脈衝寬度為20-30ns。
計算機控制系統控制輪廓掃描測量系統，測量板料噴丸成形中板料的變形量，再由計算機控制系統進行誤差分析、應力場和板料變形量動態模擬，由雷射控制器和雷射噴丸頭調節雷射脈衝能量、噴丸強度以及噴丸軌跡，實現板料的精密成形。
實施該方法的裝置包括雷射發生器、導光系統、雷射噴丸頭、工件夾具系統、控制系統。
雷射發生器由三級組成一級調Q釹玻璃(φ16mm×280mm)雷射振蕩器，諧振腔長800mm，一級前置釹玻璃(φ16mm×200mm)雷射放大器和一級釹玻璃(φ20mm×500mm)雷射主放大器，所輸出的雷射波長為1.06μm，脈衝能量為10～60J，脈衝寬度為5～30ns，重複頻率2Hz，最峰值功率密度5×109W/cm2。
導光系統是連接雷射發生器至工件之間的光路傳輸系統，由導光管、折返鏡、光束變換裝置組成；雷射噴丸頭內設有聚焦鏡和光學掩模，其中聚焦鏡組包含聚焦鏡、可旋轉反射鏡、三稜鏡，光學掩模可根據噴丸要求，對雷射脈衝進行篩選，從而獲得所需的脈衝分布方式。
工件夾具系統包括五軸聯動數控工作檯和工件夾具，表面貼有能量轉換體的工件板料裝夾在工件夾具中，工件夾具安裝在數控工作檯上，工作檯根據工具機控制器的指令實現三軸移動和兩軸轉動，滿足噴丸過程所需的運動要求；控制系統由輪廓掃描測量系統、工具機控制器、雷射控制器、計算機控制系統組成，由計算機控制系統分別控制雷射控制器、工具機控制器、和輪廓掃描測量系統。
雷射發生器發出的雷射經導光系統連接雷射噴丸頭，在雷射控制器的控制下對工件板料實施噴丸動作，同時工件夾具系統在工具機控制器控制下作多軸運動，以獲得所需的形狀；雷射控制器、工具機控制器和輪廓掃描測量系統、雷射噴丸頭與計算機控制系統相連，從而實現對整個系統工作過程的有效控制。
本發明實施過程如下根據加工零件的曲面形狀，通過專用計算機控制系統模擬所需的應力場分布形狀，優化出作用在板料表面的衝擊波壓力及軌跡分布；(1)根據優化的衝擊波壓力及軌跡分布等參數，計算機控制系統自動選擇雷射脈衝參數、光學變換裝置及光學掩模的參數，編制NC加工程序用於控制系統以控制導光系統、工作檯所走軌跡；(2)在工件表面覆蓋能量轉換體，激發高能脈衝雷射，經光學變換裝置形成的群脈衝通過光學掩模衝擊能量轉換體，轉換為高幅衝擊波壓力作用在工件表面，以此作為板料塑性成形的變形力。通過改變雷射脈衝能量、脈衝寬度、脈衝形狀以及雷射光束模式，可獲取不同大小的塑性變形力；(3)根據選定的脈衝雷射工藝參數，雷射噴丸軌跡以及作用的脈衝次數，通過五軸聯動數控系統進行有序地施加應力脈衝，實現板料內預定的應力場分布，實現所需形狀的板料成形；(4)通過輪廓掃描測量系統，測量板料噴丸成形中板料的變形量，由計算機控制系統進行誤差分析，應力場和板料變形量動態模擬，由控制系統調節雷射脈衝能量、噴丸強度以及噴丸軌跡，實現板料的精密成形。
本發明由於採用高能脈衝雷射束替代有質彈丸實施板料的噴丸成形，因而它是非接觸式成形，成形表面無明顯的機械損傷，表面粗糙度值低，光潔度好；由於採用能量轉化體技術，實現把雷射能量向衝擊波壓力的轉變，保護了工件表面免受雷射的熱損傷；由於採用了光學變換裝置，採用群脈衝壓力作用方式，大大提高了雷射噴丸成形的效率；由於採用控制脈衝雷射參數，在每次雷射作用的過程中，板料不產生宏觀的塑性變形，而在板材表面形成適度的殘餘壓縮應力，因而可採用小能量實現大變形；由於通過控制雷射參數和作用軌跡，控制工件表面的應力場分形態實現板料成形，因此工藝過程及控制較易實現；因為雷射參數精確可控，所以工藝過程的重複性好、易實現自動化生產；因為雷射噴丸過程在材料表面形成硬化層和高幅殘餘壓應力，提高了板料成形件的穩定性，幾乎無回彈，因此可實現小曲率零件的成形。同時成形件的表面質量提高和高幅殘餘應力的存在，可使工件的抗疲勞性能和抗應力腐蝕性能大幅提高，省去了後續的加工工序和表面處理工序。由於雷射噴丸過程導致更深的殘餘壓縮應力(大於1mm)，且殘餘應力大小可由雷射參數精確控制，因而在中厚板材的柔性精密成形方面具有潛在優勢。
圖1雷射噴丸成形方法和裝置的示意圖。
圖2中厚板材雷射噴丸成形原理示意圖。
圖3直線噴丸軌跡下雷射噴丸次數與板料彎曲變形量的關係圖4圓柱型零件的雷射噴丸成形工藝示意5雷射噴丸成形馬鞍形零件示意圖1-雷射發生器 2-導光壁 3-折返鏡 4-光束變換裝置 5-光學掩模 6-噴丸頭 7-輪廓掃描測量儀 8-工件夾具 9-多軸聯動工作檯 10-工具機控制器 11-雷射器控制器 12-計算機控制系統 13-脈衝雷射束 14-能量轉換體 15-工件 16-成形件具體實施方式
下面結合圖1詳細說明本發明提出的具體裝置的細節和工作情況。
該裝置包括一個雷射器發生器(1)和導光系統、噴丸頭(6)、工件夾具系統、控制系統。雷射器採用的晶體是Nd:YAG，產生能量在10～60焦爾、持續時間為5～30納秒的雷射脈衝，雷射束(13)的光斑模式可以是基模、多模等多種模式，其由雷射控制器(11)調節和控制。導光系統包括導光壁(2)、折返鏡(3)、光束變換裝置(4)，噴丸頭(6)內設有多個聚焦鏡和光學掩模(5)，可沿垂直方向移動，通過調節聚焦鏡和光學掩模尺寸(5)，可改變光斑大小。工件夾具系統包括工件夾具(8)和多軸聯動工作檯(9)，該裝置有三個坐標的移動和和兩個轉動，可實現五軸聯動，從而可方便地對工件(15)實施雷射噴丸成形。控制系統由輪廓掃描測量系統(7)、工具機控制器(10)、雷射控制器(11)、計算機控制系統(12)組成。由雷射器(1)產生的雷射束經導光壁(2)、折返鏡(3)、光束變換裝置(4)、光學掩模(5)經噴丸頭(6)衝擊到待加工板料(15)上，輪廓掃描測量系統(7)、工具機控制器(10)、雷射控制器(11)與計算機控制系統相連，從而實現對整個系統工作過程的有效控制。
圖2為雷射噴丸成形原理示意圖，經圖1中導光系統輸出的群脈衝雷射束(13)從噴丸頭(6)發出，作用在粘附在工件上的能量轉換體(14)，能量轉換體把吸收的高能雷射瞬間氣化、電離轉化為衝擊波機械能，作用在待加工工件(15)表面。工件(15)固定在圖1中的夾具(8)上，工件夾具(8)再固定在多軸聯動工作檯(9)上。工具機控制器(10)發出數控指令多軸聯動工作檯(9)作多軸運動，在群脈衝雷射作用下，使板料內部產生所需的高幅應力場分布，實現板料變形而獲得所需形狀的成形件(16)。
圖3所示為經噴丸頭輸出的脈衝雷射束(13)，沿著某一條直線軌跡對厚度為8mm的45鋼進行噴丸的實驗結果，噴丸後的板料變形的形狀為帶有圓角的V形。沿同一條路徑增加噴丸的次數，分別為1～3次，板料的彎曲變形量增加。
圖4為雷射噴丸成形圓柱面的示意圖，雷射束(13)從噴丸頭(6)輸出後沿著相互平行的三條直線對工件進行噴丸，噴丸窄條間的距離如足夠大，使二噴丸窄條間存在平面時，就可形成稜柱面。當相鄰噴丸窄條中心線間的距離較近，變形區相互連接，可以形成光滑的圓柱面。
圖5所示為根據計算機控制系統優化的軌跡噴丸，用6×6個Φ2的群脈衝雷射束(13)對工件表面(15)連續噴丸，所能獲得的馬鞍形曲面形狀示意圖。在噴丸過程中，根據成形零件的曲率大小，可不斷改變雷射參數，實現精確成形。當沿著某條或幾條曲線進行噴丸時，可以得到複合曲率的異形件，如飛機機翼雙曲率上下氣動彎折區。
更多的成形事例不勝枚舉，噴丸軌跡和噴丸強度的不同，能成形出各種複雜的形狀，這裡僅闡明它的技術方案和部分實施例。
權利要求
1.一種中厚板材雷射噴丸成形的方法，其特徵在於根據加工零件的曲面形狀，通過計算機系統模擬出所需的應力場分布形狀，優化出作用在板料表面的衝擊波壓力及噴丸軌跡分布；根據優化的衝擊波壓力及噴丸軌跡分布參數，計算機系統自動選擇雷射脈衝參數、光束變換裝置及光學掩模的參數，編制NC加工程序用於計算機控制系統以控制導光系統、工作檯所走軌跡；雷射器發出的一個高能量的短脈衝強雷射，通過光束變換裝置可轉變成若干個群脈衝，再通過光學掩模作用在工件表面的能量轉換體上，能量轉換體把吸收的群脈衝雷射能量轉變成衝擊波壓力作用在工件表面，實現成形。
2.根據權利要求1所述的一種中厚板材雷射噴丸成形的方法，其特徵在於雷射器發出的雷射束的光斑模式可以是基模和多模中的一種，脈衝能量為15-60J，脈衝寬度為20-30ns。
3.根據權利要求1所述的一種中厚板材雷射噴丸成形的方法，其特徵在於在雷射衝擊成形的同時，計算機系統控制輪廓掃描測量系統，測量板料噴丸成形中板料的變形量，再由計算機系統進行誤差分析、應力場和板料變形量動態模擬，由雷射控制器和雷射噴丸頭調節雷射脈衝能量、噴丸強度以及噴丸軌跡，實現板料的精密成形。
4.一種中厚板材雷射噴丸成形裝置，其特徵在於裝置包括雷射發生器、導光系統、雷射噴丸頭、工件夾具系統、控制系統；其中雷射發生器由三級組成一級調Q釹玻璃(φ16mm×280mm)雷射振蕩器，諧振腔長800mm，一級前置釹玻璃(φ16mm×200mm)雷射放大器和一級釹玻璃(φ20mm×500mm)雷射主放大器，所輸出的雷射波長為1.06μm，脈衝能量為10～60J，脈衝寬度為5～30ns，重複頻率2Hz，最大峰值功率密度5×109W/cm2；導光系統是連接雷射發生器至工件之間的光路傳輸系統，由導光管、折返鏡、光束變換裝置組成；雷射噴丸頭內設有聚焦鏡和光學掩模，其中聚焦鏡組包含聚焦鏡、可旋轉反射鏡、三稜鏡；工件夾具系統包括五軸聯動數控工作檯和工件夾具，表面貼有能量轉換體的工件板料裝夾在工件夾具中，工件夾具安裝在數控工作檯上；控制系統由工具機控制器、雷射控制器、計算機系統組成，由計算機系統分別控制雷射控制器、工具機控制器；雷射發生器發出的雷射經導光系統連接雷射噴丸頭，工件夾具系統位於噴丸頭的下方並與工具機控制器相連，雷射發生器與雷射控制器相連，雷射噴丸頭、工具機控制器與雷射控制器分別與計算機系統相連。
5.根據權利要求4所述的一種中厚板材雷射噴丸成形裝置，其特徵在於設有輪廓掃描測量系統，其與計算機控制系統相連。
全文摘要
本發明提供一種中厚板材雷射噴丸成形的方法和裝置，裝置包括雷射發生器、導光系統、雷射噴丸頭、工件夾具系統、控制系統。根據加工零件的曲面形狀，通過計算機控制系統模擬出所需的應力場分布形狀，優化出作用在板料表面的衝擊波壓力及噴丸軌跡分布；根據優化的衝擊波壓力及噴丸軌跡分布參數，計算機控制系統自動選擇雷射脈衝參數、光束變換裝置及光學掩模的參數，編制NC加工程序用於計算機控制系統以控制導光系統、工作檯所走軌跡；雷射器發出的一個高能量的短脈衝強雷射，通過光束變換裝置可轉變成若干個群脈衝，再通過光學掩模作用在工件表面的能量轉換體上，能量轉換體把吸收的群脈衝雷射能量轉變成衝擊波壓力作用在工件表面，實現成形。
文檔編號B23K26/18GK1695873SQ20051004011
公開日2005年11月16日 申請日期2005年5月20日 優先權日2005年5月20日
發明者周建忠, 張永康, 張興權, 舒洪紅, 馮愛新, 楊繼昌 申請人:江蘇大學