CN105108334A - 一种车身表面激光冲击造型减阻的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车身表面激光冲击造型减阻的方法，具体步骤如下：首先对车身表面进行抛光处理，然后在其表面均匀喷涂吸收层材料，流水作为约束层，激光器发出的激光束经透镜聚焦在车身表面，最终在车身表面加工出一系列凹坑阵列。本发明的车身表面激光冲击造型减阻的方法，利用高能量、短脉冲的强激光作用于汽车表面，覆盖在表面上的吸收层吸收激光能量而汽化，汽化后的蒸汽急剧吸收激光能量形成等离子而发生爆炸，并产生动量脉冲，在约束层的作用下向材料内部传播强冲击波，利用冲击波的冲击力作为材料的塑性变形力，实现材料表面的塑性变形，可以在车身表面产生规则的凹坑造型。

Description

一种车身表面激光冲击造型减阻的方法
技术领域
本发明涉及汽车非光滑表面加工领域，具体涉及一种车身表面激光冲击造型减阻的方法。
背景技术
随着我国道路交通运输的不断发展和汽车的普及，汽车总数量在快速的增长，能源消耗大幅增加，与此同时，环境问题也日益严峻。据相关资料显示，到2014年底，汽车用汽柴油消费占全国汽柴油消费的比例已经达到55％左右。当汽车车速超过60km/h，用于克服空气阻力的功率和燃油消耗占行驶总功率和燃油消耗30％～40％。因此，降低汽车行驶过程中的空气阻力是降低成本，增加燃料利用率的重要方法。
传统的汽车减阻主要是采用流线型车身设计、加装导流装置、加装喷射装置、降低车身迎风面积等方法。通过流线型车身设计达到减阻是人们较早采用的方法,一直沿用至今。后来又有提出加装导流装置通过用光滑底板、前阻风板和轮轴以及凹窝等局部细化，在前端偏下部位预置前阻风板、在尾部加装绕流条,来达到改善汽车气动性能,减少气动阻力。加装喷射装置通过在车辆尾部使用均匀的气流喷射装置、在尾涡中心位置装一个气体喷射装置来达到减阻的目的。目前关于这些方面的研究已经很成熟了，甚至达到了研究瓶颈的阶段。近年来，仿生技术得到了快速发展，研究表明利用生物体非光滑表面减阻的特性应用于汽车车身的方法是可行的。国内外对非光滑车身减阻的效果和原理的研究较多，而对车身非光滑表面的加工方法很少。中国专利“申请号:201320512969.8”报道了一种湍流减阻贴膜，将减阻膜覆盖在汽车的表面，通过改变压力差来降低气动阻力。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种车身表面激光冲击造型减阻的方法，以减小车身的摩擦阻力，达到减阻效果，改善汽车的动力性和燃油经济性。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种车身表面激光冲击造型减阻的方法，利用激光冲击技术在车身表面加工出半球形凹坑，通过凹坑改变气流从而达到减阻效果。
一种车身表面激光冲击造型减阻的方法，包括以下步骤：
1)首先，将汽车的发动机前罩盖、车身顶盖和后备箱盖进行抛光处理，然后清洗干净并干燥，在其表面均匀喷涂黑漆作为能量吸收层，在能量吸收层上设有约束层；
2)其次，将待加工表面固定在工作台上，设置激光器参数，激光器发出的激光束经透镜聚焦在车身表面；
3)然后，通过数控控制移动工作平台，利用激光器在汽车表面加工出一系列凹坑阵列。
4)最后，除去车身表面残留的黑漆，清洗干净并干燥。
作为优选，步骤1)所述黑漆吸收层厚度为0.1mm的，约束层为3mm的流水。
作为优选，步骤2)中激光器参数分别是，波长为1064nm，能量0～12J，脉冲宽度为10ns，重复频率1～5Hz，激光经聚焦后在基材表面的光斑直径为3～8mm；
作为优选，步骤3)中的凹坑直径在0.6～3mm，凹坑深度0.1～1mm，相邻的凹坑之间相距为2mm～10mm。
有益效果：本发明的车身表面激光冲击造型减阻的方法，利用高能量、短脉冲的强激光作用于汽车表面，覆盖在表面上的吸收层吸收激光能量而汽化，汽化后的蒸汽急剧吸收激光能量形成等离子而发生爆炸，并产生动量脉冲，在约束层的作用下向材料内部传播强冲击波，利用冲击波的冲击力作为材料的塑性变形力，实现材料表面的塑性变形，可以在车身表面产生规则的凹坑造型。采用激光冲击表面造型技术，不仅可以在表面产生有益的残余压应力提高材料的强度，而且凹坑可以改善汽车表面气流的流向。
附图说明
图1为本发明的车身激光冲击加工示意图；
图2为本发明的凹坑阵列主视结构示意图；
图3为本发明的凹坑阵列俯视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种车身表面激光冲击造型减阻的方法，所采用车身模型的是与实车模型按比例缩小的铝合金板材，实施例以处理车身顶盖5为例，其加工装置如图1所示，包含激光器1和聚焦透镜3，激光器1发射的激光束2通过聚焦透镜3照射在待处理的车身顶盖5上，包括以下步骤：
1)首先，将汽车的车身顶盖5进行抛光处理，然后清洗干净并干燥，在其表面均匀喷涂厚度约为0.1mm的黑漆作为能量吸收层，在能量吸收层上设有3mm厚度的流水4作为约束层；
2)其次，将待加工车身顶盖5固定在工作台7上，设置激光器1参数，波长为1064nm，能量0～12J，脉冲宽度为10ns，重复频率1～5Hz，激光经聚焦后照射在车身顶盖5表面的光斑直径为3～8mm；
3)然后，通过数控控制移动工作平台7，利用激光器1在汽车表面加工出一系列凹坑阵列6。通过数控编程，设计微凹坑阵列分布情况，凹坑阵列分布为矩形分布，如图2和图3所示，每个凹坑间距L为2.5mm，微凹坑形状为小半球形，凹坑直径D为1.8～2mm，凹坑深度H为0.6～1mm；
4)最后，除去车身表面残留的黑漆，清洗干净并干燥。通过对光滑车身和非光滑车身进行CFD分析和风洞试验，对比发现非光滑表面的凹坑会对气流产生影响，减阻率达到5.5％。
在步骤(3)中，首先加工一排凹坑后，再进行下一排凹坑的加工，直到加工完成。
本发明利用激光冲击技术在汽车车身表面进行凹坑造型。激光冲击后带来的微观组织强化、表面硬度的提高以及有益的残余压应力分布，可以显著提高车身材料表面的强度。而产生的凹坑型非光滑表面能够改变近壁面气流的流动状态，在凹坑底部形成类似于球形小涡，将气－固表面滑动摩擦阻力转化为流层滚动摩擦阻力，从而使得气动阻力减小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种车身表面激光冲击造型减阻的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将汽车的发动机前罩盖、车身顶盖和后备箱盖进行抛光处理，然后清洗干净并干燥，在其表面均匀喷涂黑漆作为能量吸收层，在能量吸收层上设有约束层；
2)将待加工表面固定在工作台上，设置激光器参数，激光器发出的激光束经透镜聚焦在车身表面；
3)通过数控控制移动工作平台，利用激光器在汽车表面加工出一系列凹坑阵列。
4)除去车身表面残留的黑漆，清洗干净并干燥。
2.根据权利要求1所述的一种车身表面激光冲击造型减阻的方法，其特征在于：所述的步骤1)中，黑漆厚度为0.1mm，约束层为水，厚度为3mm。
3.根据权利要求1所述的一种车身表面激光冲击造型减阻的方法，其特征在于：所述的步骤2)中，激光器为固态激光器，波长为1064nm，能量0～12J，脉冲宽度为10ns，重复频率1～5Hz，激光经聚焦后在基材表面的光斑直径为3～8mm。
4.根据权利要求1所述的一种车身表面激光冲击造型减阻的方法，其特征在于：所述的步骤3)中，单个凹坑形状为小半球形，凹坑直径在0.6～3mm，凹坑深度0.1～1mm，相邻的凹坑之间相距为5mm～10mm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110592365A (zh) * 2019-09-04 2019-12-20 江苏科技大学 一种激光冲击灰铸铁构件表面微造型的方法
US20220049325A1 (en) * 2020-08-13 2022-02-17 Dalian University Of Technology Method for protection against fretting fatigue by compound modification via laser shock peening and coating lubrication

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