一種基於雷射衝擊波技術孔壁的強化方法和裝置的製作方法

2023-06-15 03:21:21 1

專利名稱：一種基於雷射衝擊波技術孔壁的強化方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射加工領域，特指一種用雷射衝擊波對金屬件孔壁的衝擊強化，特別適合於中小孔徑、深度較深孔的孔壁強化。
背景技術：
在機械零件和機械設備中，孔佔據著重要位置，由於工作環境的不同，它們承受的載荷不同，其中有一類孔在工作中要承受交變載荷，使其壽命受到很大影響，如高壓噴嘴的噴孔，在工作時由於管壁受到壓力高、流速快、脈動大的流體作用，孔的內壁材料受到衝擊容易剝落；航空發動機渦輪盤的孔，交替被加熱和冷卻，材料反覆被膨脹和收縮將會導致產生所謂的熱裂紋；還有液壓缸、承受交變載荷的運動副的孔等。為了使這類零件增加抗疲勞能力，延長其使用壽命，在製造時，不僅需要選用高性能的材料，而且對零件孔的加工提出了一些特殊的要求孔尺寸的精度和表面粗糙度滿足一定要求，孔內壁要有一定厚度的緻密硬化層組織，孔壁表層有一定深度的殘餘壓縮應力層。為此，常見的加工方法有表面淬火、鍍鉻和對孔進行冷擠壓等處理。表面淬火和鍍鉻二種處理手段雖然使孔壁的硬度提高，但同時給孔壁帶來了有害的殘餘拉應力，使工件的抗疲勞強度降低，增加了腐蝕破壞的敏感性，而且表面淬火，使硬化層的深度不易控制，硬化層也不均勻，鍍鉻工藝還涉及到有毒加工，它們不是機械加工中首選的工藝。冷擠壓是採用擠壓器具對孔壁進行無屑加工的一種方式，是孔強化時最常用的一種有效方法，但工藝複雜，對擠壓內孔的前道工序也提出了較高要求，常常需要採用拉孔、絞孔、精鏜等方法進行預加工，降低其表面粗糙度；而且待擠壓的孔需要分級，以免擠壓過程中的「卡死」；擠壓刀具製造工藝複雜，而且刀具參數的選擇不當，使孔壁表面成形擦傷、劃傷等，降低其機械性能。
機械噴丸強化是孔壁強化的另一種方法，其主要方法是根據孔徑的大小，在孔內設置一帶有錐角的反射裝置，當高速運動的彈丸噴射到反射裝置時，由於錐角的反射作用，彈丸的運動方向發生改變，撞向孔壁，碰撞後的彈丸從反射錐和孔壁之間的間隙落下。和採用刀具擠壓工藝相比，該方法零件的製造工藝簡單，不會因為孔的尺寸不同而頻繁更換器具，有一定柔性。但由於受孔徑本身尺寸限制，進入孔中的彈丸數量少，孔壁受強化的位置不易控制，強化層的分布不均勻，尤其當孔的直徑較小時，這種工藝不但存在彈丸落下不暢的缺點，還存在由於彈丸的質量小而導致強化效果不明顯的不足，當孔的直徑小到一定程度時，就不能進行噴丸強化了，因此採用機械噴丸對內孔壁強化存在著一定的局限性。
雷射衝擊強化技術是對材料強化一種先進的表面改性工藝，從現有的文獻資料檢索來看，其應用主要集中在對材料的表面進行強化，如飛機的葉片、齒輪、焊縫的去應力等。現有的對飛機蒙皮的緊固孔的雷射衝擊強化，實際上對緊固孔埠周圍的材料進行強化，強化層僅存在孔的埠部位，孔壁中部材料未能得到強化，因此採用這種強化方式難以對深孔的整個孔壁進行強化。
與本發明最為接近的技術是炸藥爆炸產生的瞬間高溫、高壓衝擊波對孔壁進行強化，但對於細小的孔徑，炸藥裝藥困難，工藝參數難以控制，安全性較差等不足，使這一技術很難被採用。

發明內容
本發明的目的是要提供用於金屬材料孔壁強化的方法和裝置，它能直接對孔進行強化，不僅能對適應直徑較大的孔徑的孔壁進行強化，而且還能對微小孔的孔壁進行強化。孔壁強化後的強度和硬度得到顯著提高，表層存在有益的殘餘壓縮應力，並能獲得較高的尺寸精度和較低表面粗糙度，可直接作為孔加工的最終工序。
本發明的特徵在於用強雷射誘導的衝擊波作為孔壁強化的力源，通過有序改變雷射衝擊波產生的位置而實現對深孔的整個孔壁進行強化。
實施該方法的裝置包括雷射器、導光系統、光斑大小調節裝置、衝擊頭、工件夾具系統、控制系統。導光系統由導光管、全反鏡、衝擊頭組成，聚焦透鏡位於衝擊頭內，導光管把全反鏡、光斑大小調節裝置和衝擊頭串連起來，其一端連接著雷射器，另一端對著工件夾具系統。工件夾具系統包括五軸聯動工作檯、約束層、能量吸收層、反射錐、工件、夾具。反射錐插入工件待強化的孔中，反射錐的表面覆蓋了能量吸收層，在能量吸收層之上是約束層，工件裝夾於夾具上，夾具固定在工作檯上。控制系統包括計算機、控制器和雷射器控制裝置，計算機通過控制器分別控制雷射器控制裝置、光斑大小調節裝置、五軸聯動工作檯，雷射器控制裝置控制雷射器。光斑大小調節裝置是由長度受控可調節的彈簧構成；反射錐是由鋼製成，其頭部帶有錐角為2α圓錐面，0°＜α＜90°，其作用是受雷射輻照後產生衝擊波，反射錐的錐面以下的是與待加工孔配合的柱面，約束層為水，吸收層為黑漆。
本發明實施過程如下1)根據待加工工件的孔尺寸的大小，根據孔軸配合原則，確定相應反射錐直徑。
2)在反射錐的錐面上塗上能量吸收層材料，再將反射錐插入工件中，並把工件安裝到夾具上，向待加工的孔中注入約束層材料。
3)雷射器產生雷射脈衝，經導光系統、約束層，照射在能量吸收層，能量吸收層吸收雷射能量汽化、電離、形成等離子體爆炸，產生高幅衝擊波，對孔壁進行強化。
4)根據孔的深度，通過工具機工作檯的控制器，改變反射錐和孔壁的相對位置，使孔壁的另一位置得到強化。這樣由反射錐位置的有序改變，逐步實現整個孔壁的強化。
5)完成一個孔的強化後，工件退出反射錐，工作檯運動到指定的位置，再對下一個孔壁進行強化，直到工件上所有的孔都強化完。
本發明具有以下優勢1.由於採用雷射衝擊波作為孔壁強化的力源，因而它屬於非接觸式加工，不存在刀具的磨損和消耗，工藝簡單，強化前不需要對孔的尺寸進行分級，不受孔徑大小的限制，具有較大的柔性，尤其適合於深孔、微小孔壁的強化。
2.雷射參數精確可控，重複性好，衝擊強化的效果均勻，衝擊波在孔壁上往往多次反射，實現多次強化。可在孔壁某處實現一次或多次強化直到滿足要求為至，噴丸後無需再處理。
3.雷射噴丸形成的殘餘應力比機械噴丸形成的殘餘應力大，形成殘餘壓應力層深度比機械噴丸形成的殘餘壓應力層要深，且使孔壁表面的光潔度提高1～2個等級，同時使材料的硬度提高、晶粒細化、工件抗疲勞性能和抗應力腐蝕性能大幅提高。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1是根據本發明提出的基於雷射衝擊波技術的微小孔壁強化的裝置示意圖。
圖2是根據本發明提出的孔壁的強化的雷射衝擊波成形原理示意圖。
1.雷射器2.雷射束3.導光管4.全反鏡5.光斑大小調節裝置6.衝擊頭7.工件8.夾具9.反射錐10.五軸聯動工作檯11.控制器12.計算機13.雷射器控制裝置14.約束層(水)15.高壓等離子體16.能量吸收層(黑漆)17.聚焦透鏡具體實施方式
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(1)和導光系統、光斑大小調節裝置(5)、衝擊頭(8)、工件夾具系統、控制系統。其中導光系統包括導光管(3)、全反鏡(4)和衝擊頭(8)等。工件夾具系統包括工作檯(10)、反射錐(9)、約束層(14)、吸收層(16)、工件(7)和夾具(8)。控制系統由計算機(13)、控制器(11)、雷射器控制裝置(13)組成。
雷射器(1)發出經過優化的雷射束(2)，雷射束(2)的光斑模式可以是基模、多模等多種模式，其由雷射器控制裝置(13)調節和控制。由雷射器(1)產生的雷射束(2)經導光管(3)和全反射境(4)以及衝擊頭(8)中的聚焦透鏡(17)和約束層(14)，輻照在反射錐(9)表面的能量吸收層(16)上。控制器(11)通過光斑大小調節裝置(5)調節衝擊頭(6)與反射錐(9)的相對距離，可改變光斑大小。反射錐(9)固定在工作檯(10)上，工作檯可實現沿三個軸向的移動和繞二軸轉動，從而實現對工件(7)不同位置的孔系進行強化。
如圖2所示，經導光系統輸出的雷射束(2)從衝擊頭(6)發出，穿過約束層(14)，輻照作用在覆蓋在工件表面上的上的能量吸收層(16)上，能量吸收層(16)吸收高能雷射後，迅速汽化、電離形成等離子體(15)，等離子體(15)繼續吸收雷射能量，形成爆轟波，產生同時向工件(7)內部傳播的高幅衝擊波，傳至孔壁處衝擊波的峰值壓力大於金屬板料的動態屈服強度，使孔壁某一位置的表面受到強化。強化後，工件臺(10)和光斑大小調節裝置(5)接受控制器(11)的指令，使反射錐(9)和衝擊頭(6)在孔軸線方向上移動到一個新的位置，再進行對孔壁的強化，這樣依次完成對整個孔壁的強化後，反射錐(9)在工作檯(10)的帶動下退出工件(7)，隨後工作檯(10)作移動，當移動到下一個位置的孔時，再對孔壁進行強化，完成後再移動工作檯，直到工件上所有的孔都被強化。
權利要求
1.一種基於雷射衝擊波技術的孔壁強化方法，其特徵在於根據待加工工件(7)的孔尺寸的大小和孔軸配合原則，確定相應反射錐(9)直徑，在反射錐(9)的錐面上塗上能量吸收層(16)材料，再將反射錐(9)插入工件(7)中，並把工件(7)安裝到夾具(8)上，向待加工的孔中注入約束層(14)；雷射器(1)產生雷射脈衝，經導光系統、約束層(14)，照射在能量吸收層(16)，能量吸收層(16)吸收雷射能量汽化、電離、形成等離子體爆炸，產生高幅衝擊波，對孔壁進行強化。
2.一種基於雷射衝擊波技術的孔壁強化的裝置，其特徵在於裝置包括雷射器(1)、導光系統、光斑大小調節裝置(5)、衝擊頭(6)、工件夾具系統、控制系統；導光系統由導光管(3)、全反鏡(4)、衝擊頭(6)組成，聚焦透鏡(17)位於衝擊頭(6)內，導光管(3)把全反鏡(4)、光斑大小調節裝置(5)和衝擊頭(6)串連起來，其一端連接著雷射器(1)，另一端對著工件夾具系統；工件夾具系統包括五軸聯動工作檯(10)、約束層(14)、能量吸收層(16)、反射錐(9)、工件(7)、夾具(8)，反射錐(9)插入工件(7)待強化的孔中，反射錐(9)的表面覆蓋了能量吸收層(16)，在能量吸收層(16)之上是約束層(14)，工件(7)裝夾於夾具(8)上，夾具(8)固定在五軸工作檯(10)上；控制系統包括計算機(12)、控制器(11)和雷射器控制裝置(13)，計算機(12)通過控制器分別控制雷射器控制裝置(13)、光斑大小調節裝置(5)、五軸聯動工作檯(10)，雷射器控制裝置(13)控制雷射器(1)。
3.根據權利要求2所述的一種基於雷射衝擊波技術的孔壁強化的裝置，其特徵在於光斑大小調節裝置由長度受控可調節的彈簧構成。
4.根據權利要求2所述的一種基於雷射衝擊波技術的孔壁強化的裝置，其特徵在於反射錐是由鋼製成，其頭部帶有錐角為2 α圓錐面，0°＜α＜90°，反射錐的錐面以下的是與待加工孔配合的柱面。
5.根據權利要求2所述的一種基於雷射衝擊波技術的孔壁強化的裝置，其特徵在於約束層為水，吸收層為黑漆。
全文摘要
一種基於雷射衝擊波技術的孔壁強化方法和裝置，涉及雷射加工領域。本發明首先根據待加工工件的孔尺寸的大小和孔軸配合原則，確定相應反射錐直徑，在反射錐的錐面上塗上能量吸收層材料，再將反射錐插入工件中，並把工件安裝到夾具上，向待加工的孔中注入約束層；雷射器產生雷射脈衝，經導光系統、約束層，照射在能量吸收層，能量吸收層吸收雷射能量汽化、電離、形成等離子體爆炸，產生高幅衝擊波，對孔壁進行強化。本發明不僅能對適應直徑較大的孔徑的孔壁進行強化，而且還能對微小孔的孔壁進行強化。孔壁強化後的強度和硬度得到顯著提高，表層存在有益的殘餘壓縮應力，並能獲得較高的尺寸精度和較低表面粗糙度，可直接作為孔加工的最終工序。
文檔編號C22F3/00GK101024862SQ20061009647
公開日2007年8月29日 申請日期2006年9月27日 優先權日2006年9月27日
發明者張永康, 張興權, 顧永玉, 周建忠, 杜建鈞 申請人:江蘇大學