CN104372167A

CN104372167A - 一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法

Info

Publication number: CN104372167A
Application number: CN201410533301.0A
Authority: CN
Inventors: 鲁金忠; 邢佳; 王志龙; 罗开玉
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu Haiyu Machinery Co., Ltd.
Priority date: 2014-10-11
Filing date: 2014-10-11
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2034-10-11
Also published as: CN104372167B

Abstract

本发明涉及一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法，利用曲面的图像灰度信息，建立曲面曲率与投影灰度的关系，然后根据曲面的灰度信息选择激光光斑大小、脉冲能量及搭接率等激光冲击强化工艺参数对曲面进行激光冲击强化，使复杂曲面的冲击强化效果更加均匀，该方法适合具有复杂曲面的关键零部件的均匀强化。

Description

一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法

技术领域

本发明为一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法，涉及激光冲击强化技术领域，控制冲击区域的激光功率密度，使复杂曲面的冲击强化效果更加均匀，适合具有复杂曲面的关键零部件的均匀强化。

背景技术

在航空航天、汽车、能源、石油化工、动力、军事国防等行业中，带有复杂曲面的零部件用途十分广泛，如飞机机翼、船用螺旋桨、发动机叶片、汽车覆盖件模具、大型柴油机曲轴等，外形表面均为空间复杂曲面；飞机发动机叶片的疲劳断裂是影响发动机正常工作的主要因素之一，激光冲击强化飞机发动机叶片具有无可比拟的优势。

激光冲击强化是近年来精密制造和微纳制造发展最为迅速的先进制造技术之一。由于激光冲击加工的高效率、高精度、非接触、高柔性化程度、强的材料适应性(可加工超硬、超脆、超薄等特殊材质)等特性，使其成为满足自由曲面零件表面跨尺度精密加工需求的理想方法。

激光冲击加工将使处理区域产生高幅残余压应力，零件曲面有很多是不规则曲面，激光辐照在不同的部位时其投影面积将发生变化，这将导致激光功率密度发生变化，从而使残余应力场产生不规则变化，引起发零件产生不规则的变形，影响零件的使用性能，稳定的激光功率密度是零件产生规则变形的前提条件。

发明内容

针对自由曲面零件表面激光冲击强化现有方法的不足，本发明目的旨在提供一种曲面投影灰度的激光冲击强化方法，该方法工艺简单，所需要设备的复杂程度低，能够满足零件曲面的均匀强化，实现曲面的高可靠性、柔性化加工。

本发明提供的一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）将待加工复杂曲面工件的三维曲面模型投影在X-Y 基准平面，对其图像进行灰度梯度网格划分，灰度梯度阈值0~255，能够划分成8个灰度区间，分别为0~31、31~63、63~95、95~127、127~159、159~191、191~223、223~225；根据待加工复杂曲面工件实际的灰度梯度阈值，选择相应的灰度区间。

（2）由三维软件根据选取的灰度区间将待加工复杂曲面工件的三维曲面模型划分为若干曲面片，对每个曲面片建立曲面片坐标系，获得在该曲面片坐标系下曲面片外表面位置的法线正方向与Z 轴正方向的夹角为，且曲面片内包含的待加工图形沿曲面片坐标系的Z 轴方向平行投影至X-Y 基准平面，因此曲面片坐标系下曲面片外表面任意位置的法线正方向与Z 轴正方向的夹角有与此一一对应的灰度值，根据夹角从0~90°，依次分为8个区间，分别为0~11.25°、11.25°~22.5°、22.25°~33.75°、33.75°~45°、45°~56.25°、56.25°~67.5°、67.5°~78.75°、78.75°~90°，分别与灰度的8个区间一一对应，建立灰度信息和对应曲面曲率的关系。

（3）对整个需激光冲击的区域进行扫描，计算出加工路径。

（4）控制X-Y二维工作台将激光定位到作为加工起始位置的第一个子块的曲面片，再在Z轴方向上调节激光焦点与加工起始位置的Z坐标重合。

（5）通过激光器控制装置，由可知，W—激光功率密度，E—激光脉冲能量，A—激光光斑面积，P—激光脉冲宽度，而实际冲击的激光脉冲能量为，E—激光脉冲能量，—曲面片外表面任意位置的法线正方向与Z 轴正方向的夹角，A由激光光斑大小决定，改变光斑大小从而精确控制每个激光功率密度，达到均匀强化的效果，其中用方形光斑，由于实际冲击的激光能量为，需要确定光斑面积A来抵消激光能量的不均匀性，则光斑边长D可由公式D=，D₀—为0时的光斑边长；确定每个曲面片区域内灰度对应的夹角，设定加工路径上激光器的激光脉冲能量，光斑大小、脉冲宽度以及搭接率，其中脉冲宽度、搭接率根据实际情况取相应的定值，打开激光器，开始对工件进行激光冲击。

本发明提供的一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法，其特点在于；

（1）曲面投影在平面后，对图像进行灰度梯度网格划分，根据灰度阈值设置灰度图像。

（2）曲面片坐标系下曲面片外表面任意位置的法线正方向与Z 轴正方向的夹角有与此对应的灰度值，建立灰度信息和对应曲面曲率的关系。

（3）确定每个区域激光光斑的大小，改变每个冲击区域的光斑面积A从而平衡激光冲击能量E，达到均匀强化的效果。

本发明具有有益效果：利用曲面扫描后的曲率建立与投影灰度的关系，直接设置了冲击区域光斑大小与灰度的联系，只用识别出灰度就能确定其方形光斑大小，从而精确控制每一个激光脉冲的能量，使整个加工表面在激光冲击过程中每个激光光斑的功率密度精确可控，适合具有复杂曲面的关键零部件的均匀强化，同时也大大提高了效率和简洁度。

附图说明

图1为本发明一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法示意图。

图中：1计算机控制系统、2激光器、3激光束、4真空箱、5冲击监测装置、6激光发射头、7基体、8透视窗、9 活动盖、10工件夹具、 11五轴联动工作台、 12加气阀门、13排气阀门。

图2为本发明一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法曲面网格划分示意图。

图3为本发明一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法投影灰度示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出具体装置的细节和工作情况。

实施实例

本发明的一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法所采用的装置包括依次相连的计算机控制系统1、激光器2、激光发射头6、真空箱4、冲击监测装置5、透视窗8、活动盖9、基体7、加气阀门12、工件夹具10、五轴工作台11、排气阀门13。

抛光处理的基体7上，以铝箔为吸收层，打开真空箱4上方的活动盖9，将基体7装夹在固定在五轴工作台11上的工具夹具10上；通过计算机控制系统1将五轴工作台11移动到真空箱4内，关闭真空箱4上方的活动盖9。

密封真空箱4，调整激光发射头6与基体7的相对位置，关闭真空箱4上透视窗8，将真空箱4抽至真空；打开加气阀门12，向真空箱4内充入氮气，直至充满为止。

将待加工的拱形复杂曲面工件的三维曲面模型投影在X-Y 基准平面，对其图像进行灰度梯度网格划分，灰度梯度阈值0~255，划分成7个区间，从左至右分别为96~127、64~95、32~63、0~31、32~63、64~95、96~127；对整个激光冲击区域进行扫描，计算出加工路径。

由三维软件根据上述灰度阈值将待加工复杂曲面工件的三维曲面模型划分为7个曲面片，对每个曲面片建立曲面片坐标系，获得在该曲面片坐标系下曲面片外表面位置的法线正方向与Z 轴正方向的夹角为，且曲面片内包含的待加工图形沿曲面片坐标系的Z 轴方向平行投影至X-Y 基准平面，因此曲面片坐标系下曲面片外表面任意位置的法线正方向与Z 轴正方向的夹角有与此对应的灰度值，根据夹角从0~90°，依次分为7个区间分别为33.75°~45°、22.5°~33.75°、11.25°~22.5°、0~11.25°、11.25°~22.5°、22.5°~33.75°、33.75°~45°，分别与灰度的7个区间一一对应，建立灰度信息和对应曲面曲率的关系。

对整个需激光冲击区域进行扫描，计算出加工路径。

控制X-Y二维工作台将激光定位到曲面上第一个子块的加工起始位置，再在Z轴方向上调节激光焦点与加工起始位置的Z坐标重合。

通过激光器控制装置,由可知，W—激光功率密度，E—激光脉冲能量，A—激光光斑面积，P—激光脉冲宽度，而实际冲击的激光能量为，E—激光输出脉冲能量，—曲面片外表面任意位置的法线正方向与Z 轴正方向的夹角，确定每个区域灰度对应参数，设定加工路径上激光器的输出脉冲能量1-20 J，用方形光斑，灰度梯度阈值0~255，划分成7个区间，从左至右分别为127~95、95~63、63~31、0~31、31~63、63~95、95~127，曲率越大，其均匀强化的效果越不明显，需要用光斑面积大小来抵消，由于实际冲击的激光能量为，需要确定的光斑面积A，则光斑边长D可由公式D=，D₀—为0时的光斑边长，设定D₀为5mm，则对应以上区间的光斑边长分别为4.2mm~4.5mm、4.5mm~4.8mm、4.8mm~4.95mm、5mm~4.95mm、4.95mm~4.8mm、4.8mm~4.5mm、4.5mm~4.2mm，脉冲宽度P为15ns，搭接率为8%，打开激光器，开始对工件进行激光冲击。

激光冲击强化后，关闭激光发生器2，通过排气阀门13排出真空箱4内的氮气；打开真空箱4，取出基体7。

计算机控制系统1控制激光发射器2发射光束3，同时控制五轴工作台11的移动控制激光光束3和基体7的相对位置。控制系统1还可根据冲击监测装置5的信号确定下一步的冲击过程。

Claims

1.一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）将待加工复杂曲面工件的三维曲面模型投影在X-Y 基准平面，对其图像进行灰度梯度网格划分，灰度梯度阈值0~255，能够划分成为若干灰度区间，根据待加工复杂曲面工件实际的灰度梯度阈值，选择相应的灰度区间；

（2）由三维软件根据选取的灰度区间将待加工复杂曲面工件的三维曲面模型划分为若干曲面片，对每个曲面片建立曲面片坐标系，获得在该曲面片坐标系下曲面片外表面位置的法线正方向与Z 轴正方向的夹角为，且曲面片内包含的待加工图形沿曲面片坐标系的Z 轴方向平行投影至X-Y 基准平面，因此曲面片坐标系下曲面片外表面任意位置的法线正方向与Z 轴正方向的夹角有与此一一对应的灰度值，根据夹角从0~90°，依次划分为与灰度区间一一对应的若干夹角区间，建立灰度信息和对应曲面曲率的关系；

（3）对整个需激光冲击的区域进行扫描，计算出加工路径；

（4）控制X-Y二维工作台将激光定位到作为加工起始位置的第一个子块的曲面片，再在Z轴方向上调节激光焦点与加工起始位置的Z坐标重合；

（5）实际冲击的激光脉冲能量为，E—激光脉冲能量，—曲面片外表面任意位置的法线正方向与Z 轴正方向的夹角，由激光功率密度公式可知，由于实际冲击的激光能量为，需要确定光斑面积A来抵消激光能量的不均匀性，A由激光光斑大小决定，改变光斑大小从而精确控制每个激光功率密度，达到均匀强化的效果；确定每个曲面片区域内灰度对应的夹角，设定加工路径上激光器的激光脉冲能量，光斑大小、脉冲宽度以及搭接率，其中脉冲宽度、搭接率根据实际情况取相应的定值，打开激光器，开始对工件进行激光冲击。

2.如权利要求1所述的一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法，其特征在于：所述若干灰度区间指8个灰度区间，分别为0~31、31~63、63~95、95~127、127~159、159~191、191~223、223~225。

3.如权利要求1所述的一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法，其特征在于：所述划分为与灰度区间一一对应的若干夹角区间为8个区间，分别为0~11.25°、11.25°~22.5°、22.25°~33.75°、33.75°~45°、45°~56.25°、56.25°~67.5°、67.5°~78.75°、78.75°~90°。

4.如权利要求1所述的一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法，其特征在于：所述激光光斑为方形光斑，光斑边长D可由公式D=确定，D₀—为0时的光斑边长。

5.如权利要求1所述的一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法，其特征在于：所述激光功率密度公式为，W—激光功率密度，E—激光脉冲能量，A—激光光斑面积，P—激光脉冲宽度。

6. 如权利要求6所述的一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法，其特征在于：所述方形光斑，设定灰度值为0时的光斑边长为D₀，其对应灰度区间的光斑边长分别为D₀~0.99 D₀、0.99 D₀~0.96 D₀、0.96 D₀~0.91 D₀、0.91 D₀~0.84 D₀、0.84 D₀~0.75 D₀、0.75 D₀~0.62 D₀、0.62 D₀~0.44 D₀、0.44 D₀~0；搭接率为8%-10%。