CN100469900C - 一种基于激光冲击波技术孔壁的强化方法和装置 - Google Patents
一种基于激光冲击波技术孔壁的强化方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于激光冲击波技术的孔壁强化方法和装置，涉及激光加工领域。本发明首先根据待加工工件的孔尺寸的大小和孔轴配合原则，确定相应反射锥直径，在反射锥的锥面上涂上能量吸收层材料，再将反射锥插入工件中，并把工件安装到夹具上，向待加工的孔中注入约束层；激光器产生激光脉冲，经导光系统、约束层，照射在能量吸收层，能量吸收层吸收激光能量汽化、电离、形成等离子体爆炸，产生高幅冲击波，对孔壁进行强化。本发明不仅能对适应直径较大的孔径的孔壁进行强化，而且还能对微小孔的孔壁进行强化。孔壁强化后的强度和硬度得到显著提高，表层存在有益的残余压缩应力，并能获得较高的尺寸精度和较低表面粗糙度，可直接作为孔加工的最终工序。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，特指一种用激光冲击波对金属件孔壁的冲击强化，特别适合于中小孔径、深度较深孔的孔壁强化。
背景技术
在机械零件和机械设备中，孔占据着重要位置，由于工作环境的不同，它们承受的载荷不同，其中有一类孔在工作中要承受交变载荷，使其寿命受到很大影响，如高压喷嘴的喷孔，在工作时由于管壁受到压力高、流速快、脉动大的流体作用，孔的内壁材料受到冲击容易剥落；航空发动机涡轮盘的孔，交替被加热和冷却，材料反复被膨胀和收缩将会导致产生所谓的热裂纹；还有液压缸、承受交变载荷的运动副的孔等。为了使这类零件增加抗疲劳能力，延长其使用寿命，在制造时，不仅需要选用高性能的材料，而且对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满足一定要求，孔内壁要有一定厚度的致密硬化层组织，孔壁表层有一定深度的残余压缩应力层。为此，常见的加工方法有表面淬火、镀鉻和对孔进行冷挤压等处理。表面淬火和镀鉻二种处理手段虽然使孔壁的硬度提高，但同时给孔壁带来了有害的残余拉应力，使工件的抗疲劳强度降低，增加了腐蚀破坏的敏感性，而且表面淬火，使硬化层的深度不易控制，硬化层也不均匀，镀鉻工艺还涉及到有毒加工，它们不是机械加工中首选的工艺。冷挤压是采用挤压器具对孔壁进行无屑加工的一种方式，是孔强化时最常用的一种有效方法，但工艺复杂，对挤压内孔的前道工序也提出了较高要求，常常需要采用拉孔、绞孔、精镗等方法进行预加工，降低其表面粗糙度；而且待挤压的孔需要分级，以免挤压过程中的“卡死”；挤压刀具制造工艺复杂，而且刀具参数的选择不当，使孔壁表面成形擦伤、划伤等，降低其机械性能。
机械喷丸强化是孔壁强化的另一种方法，其主要方法是根据孔径的大小，在孔内设置一带有锥角的反射装置，当高速运动的弹丸喷射到反射装置时，由于锥角的反射作用，弹丸的运动方向发生改变，撞向孔壁，碰撞后的弹丸从反射锥和孔壁之间的间隙落下。和采用刀具挤压工艺相比，该方法零件的制造工艺简单，不会因为孔的尺寸不同而频繁更换器具，有一定柔性。但由于受孔径本身尺寸限制，进入孔中的弹丸数量少，孔壁受强化的位置不易控制，强化层的分布不均匀，尤其当孔的直径较小时，这种工艺不但存在弹丸落下不畅的缺点，还存在由于弹丸的质量小而导致强化效果不明显的不足，当孔的直径小到一定程度时，就不能进行喷丸强化了，因此采用机械喷丸对内孔壁强化存在着一定的局限性.
激光冲击强化技术是对材料强化一种先进的表面改性工艺，从现有的文献资料检索来看，其应用主要集中在对材料的表面进行强化，如飞机的叶片、齿轮、焊缝的去应力等.现有的对飞机蒙皮的紧固孔的激光冲击强化，实际上对紧固孔端口周围的材料进行强化，强化层仅存在孔的端口部位，孔壁中部材料未能得到强化，因此采用这种强化方式难以对深孔的整个孔壁进行强化。
与本发明最为接近的技术是炸药爆炸产生的瞬间高温、高压冲击波对孔壁进行强化，但对于细小的孔径，炸药装药困难，工艺参数难以控制，安全性较差等不足，使这一技术很难被采用.
发明内容
本发明的目的是要提供用于金属材料孔壁强化的方法和装置，它能直接对孔进行强化，不仅能对适应直径较大的孔径的孔壁进行强化，而且还能对微小孔的孔壁进行强化.孔壁强化后的强度和硬度得到显著提高，表层存在有益的残余压缩应力，并能获得较高的尺寸精度和较低表面粗糙度，可直接作为孔加工的最终工序.
本发明的特征在于用强激光诱导的冲击波作为孔
强化的力源，通过有序改变激光冲击波产生的位置而实现对深孔的整个孔壁进行强化.
实施该方法的装置包括激光器、导光系统、光斑大小调节装置、冲击头、工件夹具系统、控制系统.导光系统由导光管、全反镜、冲击头组成，聚焦透镜位于冲击头内，导光管把全反镜、光斑大小调节装置和冲击头串连起来，其一端连接着激光器，另一端对着工件夹具系统.工件夹具系统包括五轴联动工作台、约束层、能量吸收层、反射锥、工件、夹具.反射锥插入工件待强化的孔中，反射锥的表面覆盖了能量吸收层，在能最吸收层之上是约束层，工件装夹于夹具上，夹具固定在工作台上。控制系统包括计算机、控制器和激光器控制装置，计算机通过控制器分别控制激光器控制装置、光斑大小调节装置、五轴联动工作台，激光器控制装置控制激光器.光斑大小调节装置是由长度受控可调节的弹簧构成；反射锥是由钢制成，其头部带有锥角为2α圆锥面，00<α<900，其作用是受激光辐照后产生冲击波，反射锥的锥面以下的是与待加工孔配合的柱面，的束层为水，吸收层为黑漆.
本发明实施过程如下：
1)根据待加工工件的孔尺寸的大小，根据孔轴配合原则，确定相应反射锥直径.
2)在反射锥的锥面上涂上能量吸收层材料，再将反射锥插入工件中，并把工件安装到夹具上，向待加工的孔中注入约束层材料。
3)激光器产生激光脉冲，经导光系统、约束层，照射在能量吸收层，能量吸收层吸收激光能量汽化、电离、形成等离子体爆炸，产生高幅冲击波，对孔壁进行强化。
4)根据孔的深度，通过机床工作台的控制器，改变反射锥和孔壁的相对位置，使孔壁的另一位置得到强化。这样由反射锥位置的有序改变，逐步实现整个孔壁的强化。
5)完成一个孔的强化后，工件退出反射锥，工作台运动到指定的位置，再对下一个孔壁进行强化，直到工件上所有的孔都强化完。
本发明具有以下优势；
1.由于采用激光冲击波作为孔壁强化的力源，因而它属于非接触式加工，不存在刀具的磨损和消耗，工艺简单，强化前不需要对孔的尺寸进行分级，不受孔径大小的限制，具有较大的柔性，尤其适合于深孔、微小孔壁的强化。
2.激光参数精确可控，重复性好，冲击强化的效果均匀，冲击波在孔壁上往往多次反射，实现多次强化。可在孔壁某处实现一次或多次强化直到满足要求为至，喷丸后无需再处理。
3.激光喷丸形成的残余应力比机械喷丸形成的残余应力大，形成残余压应力层深度比机械喷丸形成的残余压应力层要深，且使孔壁表面的光洁度提高1～2个等级，同时使材料的硬度提高、晶粒细化、工件抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能大幅提高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是根据本发明提出的基于激光冲击波技术的微小孔壁强化的装置示意图。
图2是根据本发明提出的孔壁的强化的激光冲击波成形原理示意图。
1.激光器 2.激光束 3.导光管 4.全反镜 5.光斑大小调节装置 6.冲击头 7.工件8.夹具 9.反射锥 10.五轴联动工作台 11.控制器 12.计算机 13.激光器控制装置 14.约束层(水) 15.高压等离子体 16.能量吸收层(黑漆) 17.聚焦透镜
具体实施方式
下面结合图1详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
该装置包括一个激光器1和导光系统、光斑大小调节装置5、冲击头8、工件夹具系统、控制系统。其中导光系统包括导光管3、全反镜4和冲击头6等。工件夹具系统包括工作台10、反射锥9、约束层14、吸收层16、工件7和夹具8。控制系统由计算机13、控制器11、激光器控制装置13组成。
激光器1发出经过优化的激光束2，激光束2的光斑模式可以是基模、多模等多种模式，其由激光器控制装置13调节和控制。由激光器1产生的激光束2经导光管3和全反射境4以及冲击头8中的聚焦透镜17和约束层14，辐照在反射锥9表面的能量吸收层16上。控制器11通过光斑大小调节装置5调节冲击头6与反射锥9的相对距离，可改变光斑大小。反射锥9固定在工作台10上，工作台可实现沿三个轴向的移动和绕二轴转动，从而实现对工件7不同位置的孔系进行强化。
如图2所示，经导光系统输出的激光束2从冲击头6发出，穿过约束层14，辐照作用在覆盖在工件表面上的上的能量吸收层16上，能量吸收层16吸收高能激光后，迅速汽化、电离形成等离子体15，等离子体15继续吸收激光能量，形成爆轰波，产生同时向工件7内部传播的高幅冲击波，传至孔壁处冲击波的峰值压力大于金属板料的动态屈服强度，使孔壁某一位置的表面受到强化。强化后，工件台10和光斑大小调节装置5接受控制器11的指令，使反射锥9和冲击头6在孔轴线方向上移动到一个新的位置，再进行对孔壁的强化，这样依次完成对整个孔壁的强化后，反射锥9在工作台10的带动下退出工件7，随后工作台10作移动，当移动到下一个位置的孔时，再对孔壁进行强化，完成后再移动工作台，直到工件上所有的孔都被强化。
Claims (4)
1、一种基于激光冲击波技术的孔壁强化的装置，其特征在于：装置包括激光器(1)、导光系统、光斑大小调节装置(5)、工件夹具系统和控制系统；导光系统由导光管(3)、全反镜(4)和冲击头(6)组成，聚焦透镜(17)位于冲击头(6)内，导光管(3)把全反镜(4)、光斑大小调节装置(5)和冲击头(6)串连起来，导光系统的前端连接着激光器(1)，导光系统的末端对着工件夹具系统；工件夹具系统包括五轴联动工作台(10)、约束层(14)、能量吸收层(16)、反射锥(9)、工件(7)和夹具(8)，反射锥(9)插入工件(7)待强化的孔中，反射锥(9)的表面覆盖了能量吸收层(16)，在能量吸收层(16)之上是约束层(14)，工件(7)装夹于夹具(8)上，夹具(8)固定在五轴工作台(10)上；控制系统包括计算机(12)、控制器(11)和激光器控制装置(13)，计算机(12)通过控制器分别控制激光器控制装置(13)、光斑大小调节装置(5)和五轴联动工作台(10)，激光器控制装置(13)控制激光器(1)。
2、根据权利要求1所述的一种基于激光冲击波技术的孔壁强化的装置，其特征在于：光斑大小调节装置由长度受控能够调节的弹簧构成。
3、根据权利要求1所述的一种基于激光冲击波技术的孔壁强化的装置，其特征在于：反射锥是由钢制成，其头部带有锥角为2α圆锥面，0°<α<90°，反射锥的锥面以下的是与待强化孔配合的柱面。
4、根据权利要求1所述的一种基于激光冲击波技术的孔壁强化的装置，其特征在于：约束层为水，能量吸收层为黑漆。
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