CN101942546B - 一种紧固孔激光冲击强化的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧固孔激光冲击强化的方法和装置，涉及紧固孔加工制造领域，本发明将能量吸收杆（6）置于紧固孔内部适当位置，激光脉冲（2）作用在能量吸收杆（6）头部斜面诱导等离子体（12）爆炸产生冲击波作用于紧固孔内壁，从而对紧固孔进行强化；本发明的装置包括激光器、聚光系统（1）、激光头（4）、能量吸收杆（6）、进给机构A（7）、进给机构B（9）、夹具（8）、工作台（10）。本发明将激光在紧固孔的内部诱导产生的等离子体（12）爆炸力作用于孔内壁，使孔内壁产生一定的塑性变形，从而引入比一般强化更深的残余应力，有效的提高紧固孔的疲劳寿命。
Description
技术领域
本发明涉及紧固孔加工制造领域，特指一种用于紧固孔激光冲击强化的方法和装置，特别适用于应力集中严重的小直径紧固孔的内表面强化。
技术背景
紧固孔是飞机构件上典型的应力集中细节，在交变载荷的作用下极易产生疲劳裂纹，从而导致整机的安全性、可靠性和使用寿命都大大降低。因此，在设计、选材和制造中，如何尽可能减小紧固孔应力集中的影响，改善飞机结构的抗疲劳性能，延长使用寿命，确保飞机结构的可靠性和安全性，是设计和材料研究者的重要研究课题。在工程实践中，通常对紧固孔进行表面强化处理来提高飞机的寿命。强化技术（fatigue life enhancement methods, FLEM）是增强飞机疲劳寿命的措施的简称，它是指在不改变结构形式、材料，不增加结构重量的前提下，经过对结构重要部位和关键部位的强化工艺处理而达到提高结构疲劳寿命的目的。如今，紧固孔强化技术主要有冷挤压和机械喷丸。
冷挤压主要是开缝衬套间接冷挤压美国疲劳技术公司的Darryl E. Quincey和Charles M. Copple等人申报了专利号为5305627的美国专利，名称为开缝衬套间接冷挤压（Split Sleeve Cold Expansion）。该专利将一开缝衬套放入紧固孔中，芯棒塞入紧固孔使开缝衬套膨胀来间接挤压紧固孔内壁，其工艺复杂，每次消耗一个衬套，并且大量直径小于Φ3.5mm的小孔无法采用挤压强化（如挤压芯棒直径小于Φ3.5mm，连接螺纹极易折断或疲劳），而铆钉孔属疲劳性能薄弱环节，急需一种新型强化方法。紧固孔的机械喷丸强化方法主要是利用喷丸枪或喷丸分流器实现间接喷丸，另外还有旋片喷丸和斜式喷丸。美国通用公司的Peter A. Simeone和Apostolos P. karafillis等人申报了专利号为US 6189356 B1的美国专利，名称为喷丸方法和装置（Method and Apparatus for Peening），该专利将顶端为锥面的分流杆在紧固孔伸入孔一端，丸粒在紧固孔另一端喷入，经分流杆的锥面反射对紧固孔的内壁进行喷丸，但是其导致材料表面粗糙度的增大，会在一定程度上抵消残余应力对延长疲劳寿命的贡献。张永康，张兴权等人申报的专利号为200610096476.5的中国专利，名称为一种基于激光冲击波技术孔壁的强化方法和装置，该专利应用激光冲击波对孔内壁进行强化，其产生冲击波的反射面为锥面，由于紧固孔较小，激光脉冲光斑直径便也很小，聚焦的激光脉冲极易作用在锥面尖顶部分，尖顶部分应力其中较严重，容易损坏，不利于连续作业，同时对孔壁的冲击力较小，强化效果不理想。
发明内容
本发明的目的是要提供一种紧固孔强化的方法和装置，通过在紧固孔内壁引入合适的残余应力，有效提高紧固孔疲劳寿命。该方法基于激光冲击波理论，将激光在孔的内部诱导产生的等离子体爆炸力作用于孔内壁，从而达到强化紧固孔的效果。
本发明特征在于，头部带有角度为a的斜面的能量吸收杆，0°< a <90°；特别设计的激光头，所述激光头包括、环形喷水口和激光出口，激光出口位于环形喷水口的中间，所述进水口设于激光头外壁，与环形喷水口相通，水流通过激光头下端环形喷水口向紧固孔喷射，使水流均匀的射入紧固孔内。
本发明的具体步骤如下：
（1）根据需要强化的紧固孔的尺寸和孔轴配合原则，制作相应尺寸的头部带有角度为a的斜面的能量吸收杆，保证能量吸收杆在孔内根据要求上下和旋转运动；
（2）将工件和能量吸收杆分别安装在两个进给机构上，将能量吸收杆塞入需要强化的紧固孔中并调节能量吸收杆与孔的相对高度，然后调节两个进给机构，使能量吸收杆的头部斜面的中部调节到激光焦点光斑的位置；
（3）根据加工要求调节装置参数，参数包括：激光脉冲参数，两个进给机构运动参数。
（4）控制系统控制激光器和两个进给机构的配合运行，激光脉冲按照一定频率冲击能量吸收杆的头部斜面，同时进给机构A作匀速旋转运动，将能量吸收杆的斜面有序旋转到新的位置，当进给机构A旋转360°，即紧固孔同一深度处的孔壁全部被处理后，进给机构B运动到一个新的位置，从而紧固孔和能量吸收杆的相对位置发生改变，使孔壁的另一深度的位置得到强化。这样通过能量吸收杆的旋转运动和工件上下运动的方式，实现整个孔壁的强化。
实施本发明方法的装置包括激光器、聚光系统、激光头、能量吸收杆、进给机构A、进给机构B、夹具、工作台；激光头包括、环形喷水口和激光出口，激光出口位于环形喷水口的中间，所述进水口设于激光头外壁，与环形喷水口相通；激光头设于工作台正上方，进给机构A设于工作台中间、进给机构B设于工作台的一侧，进给机构A和进给机构B上设夹具，能量吸收杆安装在进给机构A的夹具上。能量吸收杆由对激光波长吸收率高的材料制作而成，头部带有角度为a的斜面，0°< a <90°，其作用是受到激光脉冲辐射后产生冲击波，能量吸收杆外圆是与待加工紧固孔配合的圆柱面，约束层为水。
本发明的优点：1.聚焦的激光脉冲所作用的位置是能量吸收杆的斜面，能量吸收杆不易被损坏，有利于连续作业，强化效果好。2.特别适合于强化小直径紧固孔，弥补了冷挤压和喷丸强化不适于强化小直径紧固孔的不足。3.该方法将激光在孔的内部诱导产生的等离子体爆炸力作用于孔内壁，使孔内壁产生一定的塑性变形，从而引入比一般强化更深的残余应力，有效的提高紧固孔的疲劳寿命。4.这种方法以激光为加工工具，无工具损伤，绿色环保。
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是紧固孔激光冲击强化装置示意图。
图2是紧固孔激光冲击强化原理图。
图3是激光头结构示意图。
图4是紧固孔冲击区域示意图。
图中，1.激光聚光装置，2.激光脉冲，3.进水口，4.激光头，5.工件，6.能量吸收杆，7.进给机构A，8.夹具，9.进给机构B，10.工作台，11.水，12.等离子体，13.激光出口，14.环形喷水口，15.已冲击区域。
具体实施方式
下面结合图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
用本发明进行紧固孔的激光冲击强化装置包括：激光器、聚光系统1、激光头4、工件5、能量吸收杆6、进给机构A7、进给机构B9、夹具8、工作台10、控制系统。其中进水口3接水管，水流进入进水口3通过激光头4下端环形喷水口14向紧固孔喷射，从而使水流能够均匀的射入小孔内。能量吸收杆6置于紧固孔内部，能量吸收杆6装夹在进给机构A7上。进给机构B9通过夹具8实现工件5的上下运动。
本发明的原理见图2，激光脉冲2在能量吸收杆6头部斜面被吸收，产生的等离子体12爆炸，爆炸的等离子体12在紧固孔内受到水11的约束，产生的冲击波向底部和圆孔四周传播，向圆孔四周传播的冲击波使紧固孔内壁的材料发生塑性变形，从而引入残余应力来强化紧固孔。
根据需要强化的紧固孔的尺寸和孔轴配合原则，制作相应尺寸的头部带有角度为a的斜面的能量吸收杆6，保证能量吸收杆6在紧固孔内根据要求上下和旋转运动；将工件5和能量吸收杆6分别安装在两个进给机构上，将能量吸收杆6塞入需要强化的紧固孔中并调节能量吸收杆6与孔的相对高度，然后调节两个进给机构，使能量吸收杆6的头部斜面的中部调节到激光焦点光斑的位置；根据加工要求调节装置参数，参数包括：激光脉冲参数，两个进给机构运动参数。控制系统控制激光器和两个进给机构的配合运行，激光脉冲2按照一定频率冲击能量吸收杆6的头部斜面，同时进给机构A7作匀速旋转运动，将能量吸收杆6的斜面有序旋转到新的位置，当进给机构A7旋转360°，即紧固孔同一深度处的孔壁全部被处理后，进给机构B9运动到一个新的位置，从而紧固孔和能量吸收杆6的相对位置发生改变，使孔壁的另一深度的位置得到强化。这样通过能量吸收杆的旋转运动和工件上下运动的方式，实现整个孔壁的强化。紧固孔的部分冲击区域的示意图见图4。
Claims (3)
1.一种紧固孔激光冲击强化的装置，其特征在于，包括激光器、聚光系统（1）、激光头（4）、能量吸收杆（6）、进给机构A（7）、进给机构B（9）、夹具（8）、工作台（10）；所述激光头（4）包括激光出口（13）和环形喷水口（14），所述激光出口（13）位于环形喷水口（14）的中间，进水口（3）设于激光头（4）外壁，与环形喷水口（14）相通；激光头（4）设于工作台（10）正上方，进给机构A（7）设于工作台（10）中间、进给机构B（9）设于工作台（10）的一侧，进给机构A（7）和进给机构B（9）上设夹具，能量吸收杆（6）安装在进给机构A（7）的夹具上；所述能量吸收杆（6）由对激光波长吸收率高的材料制作而成，头部带有角度为a的斜面，0°< a <90°，能量吸收杆（6）外圆是与待加工紧固孔配合的圆柱面。
2.一种实施权利要求1所述的紧固孔激光冲击强化的装置的方法，其特征在于，将能量吸收杆（6）置于紧固孔内部适当位置，激光脉冲（2）作用在能量吸收杆（6）顶端诱导等离子体（12）爆炸产生冲击波作用于紧固孔内壁，从而对紧固孔进行强化；具体步骤如下：
（A）根据需要强化的紧固孔的尺寸和孔轴配合原则，制作相应尺寸的头部带有角度为a的斜面的能量吸收杆（6），其中0°< a <90°，保证能量吸收杆（6）在孔内根据要求上下和旋转运动；
（B）将工件（5）和能量吸收杆（6）分别安装在两个进给机构上，将能量吸收杆（6）塞入需要强化的紧固孔中并调节能量吸收杆（6）与紧固孔的相对高度，然后调节两个进给机构，使能量吸收杆（6）的头部斜面的中部调节到激光焦点光斑的位置；
（C）根据加工要求调节装置参数，参数包括：激光脉冲参数，两个进给机构运动参数；
（D）控制系统控制激光器和两个进给机构的配合运行，激光头（4）向紧固孔喷水，激光脉冲（2）按照一定频率冲击能量吸收杆（6）的头部斜面，同时进给机构A（7）作匀速旋转运动，将能量吸收杆（6）的斜面有序旋转到新的位置，当进给机构A（7）旋转360°，即紧固孔同一深度处的孔壁全部被处理后，进给机构B（9）运动到一个新的位置，从而紧固孔和能量吸收杆（6）的相对位置发生改变，使孔壁的另一深度的位置得到强化；这样通过能量吸收杆的旋转运动和工件上下运动的方式，实现整个孔壁的强化。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤（D），通过激光头（4）下端环形喷水口（14）向紧固孔喷射水流，使水流均匀的射入紧固孔内。
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