CN103014276A - 一种锥压与激光冲击相结合的小孔强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锥压与激光冲击相结合的小孔强化方法，属于零件表面强化技术领域。本发明先对板料/工件待加工孔位置进行激光冲击强化，再在待加工孔位置用硬度较高的锥形压头压入板料/工件，最后再对板料/工件加工小孔；或者是用硬度较高的锥形压头压入板料/工件待加工小孔中心位置，抽出锥形压头后，再在其背面/对面待打孔位置及周围进行激光强化处理，最后对板料/工件进行打孔。本方法解决了采用单一的激光冲击强化对板料待加工孔位置进行处理后产生压应力层不够深或出现拉应力问题，同时也可解决某些仅有单面可进行激光板料强化的板料类零件小孔强化问题，使加工后的小孔沿厚度方向都呈现压应力。

Description

一种锥压与激光冲击相结合的小孔强化方法

技术领域

本发明属于零件表面强化技术领域，涉及零件表面的激光喷丸强化与压入处理，提供了一种锥压与激光冲击相结合的小孔强化方法。

背景技术

在航空航天等领域的机械结构中，孔在机械连接机构占有重要地位。一般而言，孔往往是整个零件的应力集中部位。零部件往往都是从孔位置开始发生失效而导致整个零件的报废。换言之，由于孔本身的寿命从而降低整个零部件的使用寿命。因此，急待有效的小孔强化工艺，目的就是为了改善带孔零部件的机械性能，从而在使用的过程中能够更加安全更加可靠有更长的疲劳寿命。

在王玉梅的深孔滚压工艺参数及复合滚压工具的研究中可知，目前国内外孔的强化主要采用机械喷丸和滚压两种强化工艺方法。传统采用机械喷丸的方法对孔壁进行强化，即在孔内设置一带有锥角的反射装置，将高速运动喷丸喷射到反射装置上，使弹丸与空内壁发生撞击，从而起到强化的效果。但是这种强化方法受到孔尺寸的限制，当孔径小到一定程度的时候就无法或者很难实现，且喷丸强化后厚度方向的应力分布也不均匀。

在陈洁的专利 CN 102205488A 中叙述了一种开缝衬套冷挤压加工孔的办法，其原理是将开缝衬套装在一根具有过盈量的锥形挤压棒上，使挤压芯棒强行通过零件内孔，挤压力通过开缝衬套均匀传递到零件的内孔壁上，使内孔的周围产生残余压应力，但是在挤压过程中极易断棒，一旦断棒，其折断的芯棒极难从零件中取出，开缝衬套是消耗性工艺衬套，每挤一个孔就要扔掉一个开缝衬套，每根挤压芯棒二百多美元，小直径开缝衬套每个1～2美元，费用巨大难以承受，生产成本太大难以接受。

在专利CN 101024862A中叙述了一种基于激光冲击波技术孔壁的强化方法和装置，该专利主要是在现有的孔内安装反射锥的锥面上涂上能量吸收层材料，再进行激光冲击强化，且能得到均匀的强化层，但是针对小孔，特别是直径在3mm以下的小孔，该强化方法的使用受到限制，强化效果难以得到保证。

在专利CN 101126117A中叙述了一种孔结构的激光冲击处理方法，其实施方法为在激光冲击强化之前将芯棒或衬套放置于孔内，芯棒或者衬套与处理孔表面平齐，完成激光冲击强化后去除芯棒或者衬套，该专利的特点是先开孔后强化，加入芯棒或者是衬套是为了保证孔口位置激光冲击强化后不变形，保证强化后孔口的质量，但是采用这种强化方法很可能在激光冲击强化后，芯棒或者衬套很难从小孔中取出或者是无法取出，也很容易对小孔造成伤害。

在专利CN 102517423A中叙述了一种小孔强化方法，其实施方法是先用大光斑大能量的激光对金属板件待开孔表面进行冲击强化，使金属板件沿厚度方向较深处产生残余压应力，再用小光斑小能量的激光对金属板件待开孔位置四周的表面进行二次冲击强化，使金属板件表面产生较好的残余压应力，最后进行打孔，这种方法避免了先开孔后进行激光冲击强化而产生的孔端面质量不高的问题，但是当板件厚度较大时，该方法还不能保证孔壁整个厚度方向上都是压应力，较难得到理想的压应力效果。

因此，开发一种新的小孔强化工艺，保证孔壁沿厚度方向上均为压应力具有深远的意义，在本发明中结合激光冲击强化与机械压入的方法，能够有效的保证待加工孔位置厚度方向上均为压应力，且压应力较为均匀，经对国内外现有文献的检索结果发现，目前国内外还没有与本发明方法类似的研究报导。

发明内容

本发明提供了一种锥压与激光冲击相结合的小孔强化方法，目的是为了保证强化后孔壁沿厚度方向上均为压应力，同时该工艺也适应于较厚的板料类零件、仅单面便于激光冲击强化的板料类零件为小孔的强化提供了一种新的思路。

对现有的小孔强化工艺进行检索，没有检索到类似的强化工艺方法，本发明的具体步骤如下：

A）对板料/工件（4）进行清洁表面处理，保持表面的清洁平整，无脂类等残留物；

B）在板料/工件（4）待加工小孔及周围表面贴上能量吸收层（3）和约束层（2）；

C）将板料/工件（4）放置于激光器的工作台上且定位，对板料/工件（4）待加工小孔及周围进行单面激光冲击强化；

D）板料/工件（4）完成激光冲击强化后用锥形压头（5）从没有进行激光冲击强化的一面压入板料/工件（4）的小孔待加工位置；

E）在板料/工件（4）预定位置加工小孔；

F）加工完成后对板料/工件（4）进行后处理。

上述步骤C）和D）可先后顺序对调，并且抽出锥形压头或不抽出锥形压头（5）后，对板料/工件（4）待加工小孔及周围进行单面或两面激光冲击强化。

所述锥形压头（5）材料为淬火钢、硬质合金、金刚石烧结体中的一种。锥形压头（5）锥度在1:6~1:0.5之间，锥形压头截面最大直径与孔径比在0.25~0.85之间。

所述步骤C）或D）中，激光冲击的参数根据板料/工件（4）加工小孔需要调节，激光脉冲宽度的调节范围为0.002-99ns、激光光斑半径的调节范围为0.2-10mm、激光脉冲能量大小的调节范围为0.1-99J。

所述步骤B）中，能量吸收层为铝箔、黑漆或黑胶带；约束层为水、K9光学玻璃或有机玻璃。

本发明的有益效果在于：

1）与类似的专利相比本工艺的强化特点在于先强化后开孔，相比于先开孔后强化的优点在于避免激光强化对孔端面产生的不良影响，诸如造成孔端面的粗糙度降低、孔端面位置的变形、孔精度下降等问题；

2）综合了激光冲击强化和机械强化各自的优点，结合锥形压头的压入与激光冲击强化使得强化后待加工孔位置沿厚度方向上都为压应力，提高了零件上小孔的疲劳寿命和抗应力腐蚀性能，使小孔位置的使用寿命和强度得到提高；

3）激光冲击过程中由于吸收层和约束层的热保护，减少对板料造成热伤害；

4）适用范围广，能适用于不同材质不同厚度的板料类零件。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明小孔强化工艺示意图；

图2是激光强化的工艺路线图；

图3是7050铝合金、厚度为4mm板料处理后孔壁沿厚度方向残余应力示意图；

图4是304不锈钢、厚度为6mm板料处理后孔壁沿厚度方向残余应力示意图。

图中：（1）激光束、（2）约束层、（3）吸收层、（4）板料/工件、（5）锥形压头；（6）光斑、（7）激光冲击路线、（8）激光冲击起始位置、（9）4mm厚7050铝合金激光冲击强化应力、（10）4mm厚7050铝合金激光冲击强化与锥压应力、（11）6mm厚304不锈钢双面激光冲击强化应力、（12）6mm厚304不锈钢两面激光冲击强化与锥压处理后应力。

具体实施方式

以下结合附图所示实例作进一步详述。

如图1所示，本发明提供一种锥压与激光冲击相结合的小孔强化方法，本实例以铝合金板料为例，对工艺中的一种实施方式结合图1详细阐述，实例中的板料为7050铝合金，板厚为4mm，将铝合金板料进行预处理后，保证零件表面的清洁与光洁度，在铝合金板料表面贴上铝箔作为能量吸收层（3），再在铝箔外以常温流动水为约束层（2），在激光冲击过程中对板料/工件（4）进行热保护，减小激光对板料/工件（4）的热伤害；将带有铝箔的铝合金板料/工件（4）固定于激光器的操作平台上，对板料进行激光冲击强化，在本实例中选用的激光参数为35J、光斑直径为4mm、激光束的脉宽为20ns、光斑之间的搭接率为50%、冲击路线如图2 所示，激光诱导会产生冲击波，冲击波产生后，等离子体迅速膨胀，但其被限制在铝合金表面和吸收层铝箔之间，从而产生一个向板料内部传播的冲击压缩波，该冲击压缩波就会对铝合金产生强化作用，对板料/工件（4）上未贴吸收层的一面进行压入处理，在本次实例中采用的是硬质合金锥形压头，压头的锥度为1：1.5，锥形压头截面的最大直径为2mm，压入深度为3mm；完成后得到我们所需要的强化效果；最后对预定位置加工小孔，小孔直径为2.6mm，对小孔内壁厚度方向上各点的应力加以检测，与仅仅使用激光冲击强化后加工小孔，应力检测对比结果如图3所示。

实例2 如图1（c）所示，本实例以304不锈钢板料为例，对工艺中的一种实施方式结合图1（c）详细阐述，实例中的板料板厚为6mm，将试件进行预处理后，保证零件表面的清洁与光洁度，在试件待加工小孔位置贴上铝箔作为能量吸收层（3），再在铝箔外以常温流动水为约束层（2），在激光冲击过程中对板料/工件（4）进行热保护减小激光对板料/工件（4）的热伤害；接着对304不锈钢试件进行压入处理，在本次实例中采用的是金刚石烧结体锥形压头，压头的锥度为1：2，锥形压头截面的最大直径为2mm，压入深度为4mm，完成后保持锥形压头与304不锈钢的挤压状态且将试件连同锥形压头一起安装于激光器操作平台上；接着对304不锈钢进行激光强化，在本实例中选用的激光参数为46J、光斑直径为4mm、激光束的脉宽为20ns、光斑之间的搭接率为50%、冲击路线如图2 所示；完成强化后清理试件，对调上述压头压入面与激光强化面，重复上述操作，即板料的双面都将被激光强化和压入处理过；最后对预定位置加工小孔，小孔直径为3mm，对小孔内壁厚度方向上各点的应力加以检测，与仅仅对试件两面使用激光冲击强化后加工小孔，应力检测对比结果如图4所示。

Claims (7)

1.一种锥压与激光冲击相结合的小孔强化方法，其特征在于，对待加工板料/工件（4）进行激光冲击强化和采用在待加工孔位置用硬度较高的锥形压头（5）压入板料/工件（4）相结合的方法，具体步骤为：

A）对板料/工件（4）进行表面清洁处理，保持表面的清洁平整，无脂类等残留物；

B）在板料/工件（4）待加工小孔及周围表面贴上能量吸收层（3）和约束层（2）；

C）将板料/工件（4）放置于激光器的工作台上且定位，对板料/工件（4）待加工小孔及周围进行单面激光冲击强化；

D）板料/工件（4）完成激光冲击强化后用锥形压头（5）从没有进行激光冲击强化的一面压入板料/工件（4）的小孔待加工位置，待压入一定深度后取出； 

E）在板料/工件（4）预定位置加工小孔；

F）加工完成后对板料（4）进行后处理。

2.根据权利要求1所述的一种锥压与激光冲击相结合的小孔强化方法，其特征在于，所述步骤C）、D）替换为：C）将板料/工件（4）放置于激光器的工作台上且定位，对板料/工件（4）待加工小孔及周围进行单面或双面激光冲击强化；D）板料/工件（4）完成激光冲击强化后用锥形压头（5）从两面压入板料/工件（4）的小孔待加工位置，压入后取出。

3.根据权利要求1所述的一种锥压与激光冲击相结合的小孔强化方法，其特征在于，所述步骤C）、D）替换为：C）将锥形压头（5）从不进行激光冲击强化的一面压入板料/工件（4）待加工小孔中心位置；D）抽出锥形压头（5）后，在待加工小孔及周围对板料/工件（4）未进行压入处理的一面进行激光冲击强化。

4.根据权利要求1所述的一种锥压与激光冲击相结合的小孔强化方法，其特征在于，所述步骤C）、D）替换为：C）将锥形压头（5）从不进行激光冲击强化的一面压入板料/工件（4）待加工小孔中心位置；D）不抽出锥形压头（5），保持锥形压头（5）与板料/工件（4）呈挤压状态，在待加工小孔及周围对板料/工件（4）未进行压入处理的一面进行激光冲击强化。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种锥压与激光冲击相结合的小孔强化方法，其特征在于，所述步骤C）或D）中，激光冲击的参数根据板料/工件（4）加工小孔需要调节，激光脉冲宽度的调节范围为0.002 ns -99ns、激光光斑半径的调节范围为0.2 mm -10mm、激光脉冲能量大小的调节范围为0.1 J -99J。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种锥压与激光冲击相结合的小孔强化方法，其特征在于，所述步骤B）中，能量吸收层为铝箔、黑漆或黑胶带；约束层为水、K9光学玻璃或有机玻璃。

7.根据权利要求1、2或3所述的一种锥压与激光冲击相结合的小孔强化方法，其特征在于，所述步骤B）中，所述锥形压头（5）材料为淬火钢、硬质合金、金刚石烧结体中的一种，锥度在1:6~1:0.5之间，锥形压头截面最大直径与孔径比在0.25~0.85之间，锥头通过刀柄与进给系统连接。

Images