CN108754121A - 一种孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置及其方法，包括激光器发生装置、夹紧卡盘、复合挤压芯棒、数控移动工作平台、夹具和控制系统；所述数控移动工作平台顶部设有夹紧卡盘；所述复合挤压芯棒包括芯棒前锥和后锥，所述芯棒前锥和后锥内部中空，所述后锥一端伸入所述夹紧卡盘内部；所述后锥另一端与芯棒前锥连接；所述后锥内部设有全反镜，所述芯棒前锥内部设有圆锥全反镜，所述圆锥全反镜反射光束透过芯棒前锥形成环形激光带；所述后锥另一端上设有芯棒工作段，所述控制系统控制所述数控移动工作平台运动，所述控制系统还控制激光器发生装置和夹紧卡盘。本发明可以减少了激光传输过程中的能量损耗，能够实现大规模的连续喷丸强化。

Description

一种孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置及其方法
技术领域
本发明涉及激光喷丸强化技术领域或者挤压强化技术领域，特别涉及一种孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置及其方法。
背景技术
航空关键结构件之间的连接主要是靠螺接和铆接，而螺栓孔和铆接孔的存在会导致材料不连续，因此孔边在结构件服役过程中会出现明显的应力集中，尤其是在复杂的外加载荷下孔结构很容易发生疲劳断裂失效，从而导致整机的安全性、可靠性和使用寿命都大大降低。疲劳断裂是飞机结构件的主要失效形式，这些失效结构件中约有70％的疲劳裂纹源于连接孔，约有90％的机体事故是因孔结构失效导致，可见孔结构失效已成为制约飞机整体疲劳可靠性的主要因素。随着航空领域高端装备的快速发展，人们对其关键结构件孔壁的服役性能要求越来越高，一方面是研制性能更高的材料来取代现有材料，另一方面是通过各种表面强化技术来提高材料的服役性能。
目前国际上使用最为广泛的连接孔强化工艺是孔挤压强化，相比于其他强化方法，其具有不改变材料、不改变结构设计、不增加机体重量、孔壁质量好、成本低等优势。孔挤压强化是基于材料塑性变形特性来增加孔的疲劳寿命，用有一定相对过盈量的芯棒，施加外载驱使芯棒从孔的一端缓慢压入并匀速穿过零件孔，孔壁周边区域就发生一定的弹塑性变形，产生的残余压应力能够有效地降低材料的平均应力水平，一定程度上抑制疲劳裂纹扩展，从而提高零件的疲劳寿命。但是对于孔径较小的小孔挤压强化，强化难度很大，因为受孔径和可达性的限制，芯棒在挤压过程中由于太细在大过盈量的情况下容易折断，因而限制了小孔挤压强化的应用范围。同时，为了获得更好的强化效果，就必须采用相对过盈量更大的芯棒，这样在孔挤压强化时，芯棒的工作段和孔壁发生剧烈摩擦，容易造成轴向孔壁的划伤，从而降低其最终的强化效果。
激光喷丸强化作为一种新型的表面强化技术，在工业中也被广泛用来提高材料的强度、耐磨性和抗疲劳性，其强化原理主要是靠激光束和能量吸收层作用产生等离子体爆炸，在约束层的作用下诱导产生高压冲击波向材料内部扩散，冲击波的力学效应使金属材料表面发生塑性变形，从而使材料的组织致密化，并在材料表面形成一定深度的残余压应力层，能够有效地消除材料内部的应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，因此激光喷丸强化处理后材料的疲劳性能得到很大的改善。公开号CN101024862A的发明专利“一种基于激光冲击波技术孔壁的强化方法和装置”，提出了在待加工工件孔径内插入反射锥，将能量吸收层涂在反射锥的锥面上，充当能量吸收杆，激光束辐照在能量吸收杆上，产生等离子爆炸波在约束层的影响下作用在锥和孔壁上，从而实现对孔壁的强化。上述装置虽然实现了对孔壁的强化，但是仍然存在一些不足：(1)诱导的冲击波经过反射锥的反射消耗了大量的能量，降低了对于孔壁的强化效果；(2)能量吸收层在冲击过程中会产生消耗，不能实现大规模的连续喷丸；(3)对孔壁的强化区域做不到精准控制。
申请号为201010510712.X的发明专利“一种紧固孔激光冲击强化的方法和装置”，将能量吸收杆放置于紧固孔内部合适位置，激光脉冲束作用在能量吸收杆上顶端诱导等离子体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，但是强化后激光光斑搭接在孔壁上产生不同程度的凹坑，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。申请号为201210456285.0的发明专利“中小径长管内壁激光喷丸强化的方法与装置”，虽然利用环形激光束实现了对中小径长管的内壁进行激光喷丸处理，但是其强化效果并不明显，且管壁由于光束搭接会出现不同程度的凹坑凸起，影响管壁整体的光整度和粗糙度。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置及其方法，减少了激光传输过程中的能量损耗，能够实现大规模的连续喷丸强化。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置，包括激光发生装置、夹紧卡盘、复合挤压芯棒、数控移动工作平台、夹具和控制系统；所述激光发生装置用于产生激光束；所述数控移动工作平台顶部设有夹紧卡盘；所述复合挤压芯棒包括芯棒前锥和后锥，所述芯棒前锥和后锥内部中空，所述后锥一端伸入所述夹紧卡盘内部；所述后锥另一端与芯棒前锥连接；所述后锥内部设有全反镜，所述芯棒前锥内部设有圆锥全反镜，所述激光束穿过所述夹紧卡盘和所述后锥壁面射入全反镜，经过全反镜反射进入圆锥全反镜，所述圆锥全反镜反射光束透过芯棒前锥形成环形激光带；所述后锥另一端上设有芯棒工作段，所述芯棒工作段的直径大于芯棒前锥直径；所述数控移动工作平台上设有夹具，夹具上安装工件；所述控制系统控制所述数控移动工作平台运动，使工件的内孔穿入所述复合挤压芯棒；所述控制系统还控制激光发生装置和夹紧卡盘。
一种孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置，包括压机和控制系统，所述压机工作台上通过夹具安装工件，所述控制系统控制压机工作，还包括激光发生装置和复合挤压芯棒；所述激光发生装置安装在压机压头上，所述控制系统控制激光发生装置，用于产生激光束；所述复合挤压芯棒包括芯棒前锥和后锥，所述芯棒前锥和后锥内部中空，所述后锥一端伸入所述压机压头内；所述后锥另一端与芯棒前锥连接；所述后锥内部设有全反镜，所述芯棒前锥内部设有圆锥全反镜，所述激光束穿过所述压机压头和所述后锥壁面射入全反镜，经过全反镜反射进入圆锥全反镜，所述圆锥全反镜反射光束透过芯棒前锥形成环形激光带；所述后锥另一端上设有芯棒工作段，所述芯棒工作段的直径大于芯棒前锥直径；所述控制系统控制所述压机压头运动，使所述复合挤压芯棒穿入工件的内孔。
进一步，还包括喷淋系统，所述喷淋系统安装在夹具上，用于将润滑液喷射在工件表面。
进一步，所述芯棒前锥为透明透光的材料；所述芯棒前锥材料的硬度为350～500HV；所述后锥材料为高速钢。
进一步，所述芯棒前锥材料为透明蓝宝石玻璃；所述后锥材料为W6Mo5Cr4V2。
进一步，所述芯棒前锥与工件内孔过渡配合；所述芯棒工作段与工件内孔过盈配合。
进一步，所述工件内孔直径为D2，所述芯棒工作段直径为D1，所述芯棒工作段相对挤压量(D1-D2)/D2＝1％～8％。
一种孔壁激光喷丸复合挤压强化的方法，包括
前期处理：在所述工件内孔的孔壁上涂覆能量吸收层，并进行风干处理；
调整激光参数：通过控制系统调整激光发生装置的参数；
激光喷丸强化：所述控制系统控制激光发生装置产生激光束，所述激光束射入复合挤压芯棒，所述复合挤压芯棒底部射出环形激光带；所述控制系统控制所述数控移动工作平台上升或者控制所述压机压头下降，所述芯棒前锥作为约束层，使环形激光带与所述工件内孔搭接，形成激光喷丸区域；
挤压强化：所述芯棒工作段以恒定速度对激光喷丸区域进行挤压。
进一步，所述调整激光参数中激光束的功率密度为2～15GW/cm2，激光光斑直径范围为1～8mm；所述激光喷丸强化中环形激光带的宽度为0.5～4mm，环形激光带的搭接率为20％～50％。
进一步，所述能量吸收层为黑漆，黑漆厚度为50～100μm；所述工件内孔的孔深径比不大于5；所述移动工作平台上升速度或者所述压机压头下降速度为0.1mm/s～10mm/s。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置，通过环形激光带与能量吸收层的直接作用，减少了激光传输过程中的能量损耗；且数控移动工作平台与孔壁涂覆的能量吸收层的结合能够实现大规模的连续喷丸强化；通过控制数控移动工作平台与环形激光带的宽度可以实现对孔壁强化区域的精准控制。
2.本发明所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的方法，结合了激光喷丸和小孔挤压强化的增益效果，在保证孔壁表面加工质量的同时大幅提高残余压应力幅值。
3.本发明所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置，通过调节复合挤压芯棒的相对过盈量和环形激光带的功率密度，避免了传统大过盈量孔挤压时芯棒的折断和孔壁的划伤。
附图说明
图1为本发明所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置实施例1结构示意图。
图2为本发明所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置实施例2结构示意图。
图3为本发明所述的复合挤压芯棒内部结构图。
图4为本发明所述的激光喷丸复合挤压强化步骤的示意图。
图5为环形激光带搭接示意图
图中：
1-激光器；2-激光束；3-光束调节系统；4-平凹透镜；5-双凸透镜；6-双凹透镜；7-夹紧卡盘；8-复合挤压芯棒；9-全反镜；10-后锥；11-芯棒前锥；12-圆锥全反镜；13-润滑液；14-工件；15-支撑垫板；16-数控移动工作平台；17-能量吸收层；18-夹具；19-芯棒工作段；20-支架；21-喷淋系统；22-控制系统；23-环形激光带。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1为本发明所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置实施例1，包括激光发生装置、夹紧卡盘7、复合挤压芯棒8、数控移动工作平台16、夹具18和控制系统22；所述激光发生装置用于产生激光束2；所述激光发生装置包括激光器1和光束调节系统3，所述光束调节系统3包括平凹透镜4、双凸透镜5和双凹透镜6。激光器1发出激光束2，依次通过平凹透镜4、双凸透镜5和双凹透镜6射入夹紧卡盘7。
所述数控移动工作平台16顶部设有夹紧卡盘7；所述复合挤压芯棒8包括芯棒前锥11和后锥10，所述芯棒前锥11和后锥10内部中空，所述后锥10一端伸入所述夹紧卡盘7内部；所述后锥10另一端与芯棒前锥11连接；所述后锥10内部设有全反镜9，所述芯棒前锥11内部设有圆锥全反镜12，所述激光束2穿过所述夹紧卡盘7和所述后锥10壁面射入全反镜9，经过全反镜9反射进入圆锥全反镜12，所述圆锥全反镜12反射光束透过芯棒前锥11形成环形激光带23；所述后锥10另一端上设有芯棒工作段19，所述芯棒工作段19的直径大于芯棒前锥11直径；圆锥全反镜12为90°圆锥全反镜，安装在芯棒前锥11的中心；
所述数控移动工作平台16上设有夹具18，夹具18上安装工件14；所述控制系统22控制所述数控移动工作平台16运动，使工件14的内孔穿入所述复合挤压芯棒8；所述控制系统22还控制激光发生装置和夹紧卡盘7。
如图2为本发明所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置实施例2，包括压机和控制系统22，所述压机工作台上通过夹具18安装工件14，所述控制系统22控制压机工作，还包括激光发生装置和复合挤压芯棒8；所述激光发生装置安装在压机压头上，所述控制系统22控制激光发生装置，用于产生激光束2；所述复合挤压芯棒8包括芯棒前锥11和后锥10，所述芯棒前锥11和后锥10内部中空，所述后锥10一端伸入所述压机压头内；所述后锥10另一端与芯棒前锥11连接；所述后锥10内部设有全反镜9，所述芯棒前锥11内部设有圆锥全反镜12，所述激光束2穿过所述压机压头和所述后锥10壁面射入全反镜9，经过全反镜9反射进入圆锥全反镜12，所述圆锥全反镜12反射光束透过芯棒前锥11形成环形激光带23；所述后锥10另一端上设有芯棒工作段19，所述芯棒工作段19的直径大于芯棒前锥11直径；所述控制系统22控制所述压机压头运动，使所述复合挤压芯棒8穿入工件14的内孔。圆锥全反镜12为90°圆锥全反镜，安装在芯棒前锥11的中心。
激光喷丸强化可以在孔壁上获得更高的残余压应力幅值和影响层深度，强化效果更加显著。因此，为了结合两种强化工艺的增益效果，本发明以解决现有技术的不足，在保留孔壁表面加工质量的同时大幅提高残余压应力幅值，从而拓展了激光喷丸和小孔挤压强化在航空关键结构件孔壁强化领域的应用，且当强化的孔径较小时，可以通过减小复合芯棒的过盈量和增大激光功率密度来达到相同的强化效果，避免了传统大过盈量孔挤压时芯棒的折断和孔壁的划伤。
实施例1和实施例2所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置都可以包括喷淋系统21，喷淋系统21安装在夹具18上，用于将润滑液13喷射在工件14表面，用于挤压强化过程中降温。
所述芯棒前锥11为透明透光的材料；所述芯棒前锥11材料的硬度为350～500HV；所述后锥10材料为高速钢。所述芯棒前锥11材料为透明蓝宝石玻璃；所述后锥10材料为W6Mo5Cr4V2。
图3所示，所述芯棒前锥11与工件14内孔过渡配合；所述芯棒工作段19与工件14内孔过盈配合。所述工件14内孔直径为D2，所述芯棒工作段19直径为D1，所述芯棒工作段19相对挤压量(D1-D2)/D2＝1％～8％。
如图4和图5所示，本发明所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的方法，包括如下步骤：
S1：在工件14内孔的内壁上涂覆一层50～100μm黑漆17，并进行风干处理；
S2：支撑垫板15放置于工件14的下面，保证垫板15的内孔中心线和工件14的内孔中心线在一条直线上，并用夹具18夹紧；
S3：调整数控移动工作平台16或者压机工作台，使得工件14的内孔中心线与复合芯棒8的中心线在一条直线上；
S4：设定激光输出参数，编写程序控制激光器1和数控移动工作平台16或者压机工作台协同工作，开启喷嘴21喷出润滑液13；
S5：调整数控移动工作平台16或者压机工作台，使得工件14的内孔上端面与90°圆锥全反镜12的顶点重合；
S6：激光器1发出激光束2，通过复合芯棒8产生环形激光带23，环形激光带23对所在的孔壁区域进行激光喷丸强化，芯棒前锥11作为约束层，数控移动工作平台16或者压机工作台以恒定速度进给，实现环形激光带的搭接；
S7：同时芯棒工作段19对激光喷丸区域进行挤压，从而完成对整个孔壁的激光喷丸复合挤压强化；
S8：强化完成后取下工件14，清理孔壁上的残留黑漆。
所述调整激光参数中激光束的功率密度为2～15GW/cm2，激光光斑直径范围为1～8mm；所述激光喷丸强化中环形激光带23的宽度为0.5～4mm，环形激光带的搭接率为20％～50％。所述能量吸收层17为黑漆，黑漆厚度为50～100μm；所述工件14内孔的孔深径比不大于5；所述移动工作平台16上升速度或者所述压机压头下降速度为0.1mm/s～10mm/s。
举例说明：
以激光喷丸复合挤压强化铝合金工件小孔为例，初孔径为Φ5.95H7，孔深为10mm，其具体过程为：
对孔壁进行抛光处理，并涂覆一层100μm厚黑漆17，然后进行风干处理。
在铝合金工件14下放置支撑垫板15并一起装夹在夹具18上，调整数控移动工作平台16位置，使得工件14的内孔中心线与复合挤压芯棒8的中心线在一条直线上。
通过控制系统22，设定激光输出参数：环形激光带功率密度为8GW/cm2，宽度为2mm，进给机构19的进给速度为1mm/s，搭接率为50％。
开启喷嘴21喷出润滑液13。
调节数控移动工作平台16，使得工件14的内孔上端面与90°圆锥全反镜12的顶点重合。
激光器1发出激光束2，对环形激光带24所在的孔壁区域进行激光喷丸强化，芯棒前锥11作为约束层，数控移动工作平台16以1mm/s速度进给，实现环形激光带的搭接。
同时芯棒工作段19对激光喷丸区域进行挤压，芯棒工作段19直接为Φ6.069r6，相对挤压量为2％，从而完成对整个孔壁的激光喷丸复合挤压强化。
强化完成后，数控移动工作平台16反向退出，到达起始安全工位后停止。关闭喷嘴21，取下工件14，清理孔壁上的残留黑漆。整个过程简单高效，得到的孔壁表面光洁完整性好且强化效果显著。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置，其特征在于，包括激光发生装置、夹紧卡盘(7)、复合挤压芯棒(8)、数控移动工作平台(16)、夹具(18)和控制系统(22)；所述激光发生装置用于产生激光束(2)；所述数控移动工作平台(16)顶部设有夹紧卡盘(7)；
所述复合挤压芯棒(8)包括芯棒前锥(11)和后锥(10)，所述芯棒前锥(11)和后锥(10)内部中空，所述后锥(10)一端伸入所述夹紧卡盘(7)内部；所述后锥(10)另一端与芯棒前锥(11)连接；所述后锥(10)内部设有全反镜(9)，所述芯棒前锥(11)内部设有圆锥全反镜(12)，所述激光束(2)穿过所述夹紧卡盘(7)和所述后锥(10)壁面射入全反镜(9)，经过全反镜(9)反射进入圆锥全反镜(12)，所述圆锥全反镜(12)反射光束透过芯棒前锥(11)形成环形激光带(23)；所述后锥(10)另一端上设有芯棒工作段(19)，所述芯棒工作段(19)的直径大于芯棒前锥(11)直径；
所述数控移动工作平台(16)上设有夹具(18)，夹具(18)上安装工件(14)；所述控制系统(22)控制所述数控移动工作平台(16)运动，使工件(14)的内孔穿入所述复合挤压芯棒(8)；所述控制系统(22)还控制激光发生装置和夹紧卡盘(7)。
2.一种孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置，包括压机和控制系统(22)，所述压机工作台上通过夹具(18)安装工件(14)，所述控制系统(22)控制压机工作，其特征在于，还包括激光发生装置和复合挤压芯棒(8)；所述激光发生装置安装在压机压头上，所述控制系统(22)控制激光发生装置，用于产生激光束(2)；
所述复合挤压芯棒(8)包括芯棒前锥(11)和后锥(10)，所述芯棒前锥(11)和后锥(10)内部中空，所述后锥(10)一端伸入所述压机压头内；所述后锥(10)另一端与芯棒前锥(11)连接；所述后锥(10)内部设有全反镜(9)，所述芯棒前锥(11)内部设有圆锥全反镜(12)，所述激光束(2)穿过所述压机压头和所述后锥(10)壁面射入全反镜(9)，经过全反镜(9)反射进入圆锥全反镜(12)，所述圆锥全反镜(12)反射光束透过芯棒前锥(11)形成环形激光带(23)；所述后锥(10)另一端上设有芯棒工作段(19)，所述芯棒工作段(19)的直径大于芯棒前锥(11)直径；所述控制系统(22)控制所述压机压头运动，使所述复合挤压芯棒(8)穿入工件(14)的内孔。
3.根据权利要求1或2所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置，其特征在于，还包括喷淋系统(21)，所述喷淋系统(21)安装在夹具(18)上，用于将润滑液(13)喷射在工件(14)表面。
4.根据权利要求1或2所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置，其特征在于，所述芯棒前锥(11)为透明透光的材料；所述芯棒前锥(11)材料的硬度为350～500HV；所述后锥(10)材料为高速钢。
5.根据权利要求4所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置，其特征在于，所述芯棒前锥(11)材料为透明蓝宝石玻璃；所述后锥(10)材料为W6Mo5Cr4V2。
6.根据权利要求1或2所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置，其特征在于，所述芯棒前锥(11)与工件(14)内孔过渡配合；所述芯棒工作段(19)与工件(14)内孔过盈配合。
7.根据权利要求6所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置，其特征在于，所述工件(14)内孔直径为D2，所述芯棒工作段(19)直径为D1，所述芯棒工作段(19)相对挤压量(D1-D2)/D2＝1％～8％。
8.一种根据权利要求1或2所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置的方法，其特征在于，包括
前期处理：在所述工件(14)内孔的孔壁上涂覆能量吸收层(17)，并进行风干处理；
调整激光参数：通过控制系统(22)调整激光发生装置的参数；
激光喷丸强化：所述控制系统(22)控制激光发生装置产生激光束(2)，所述激光束(2)射入复合挤压芯棒(8)，所述复合挤压芯棒(8)底部射出环形激光带(23)；所述控制系统(22)控制所述数控移动工作平台(16)上升或者控制所述压机压头下降，所述芯棒前锥(11)作为约束层，使环形激光带(23)在所述工件(14)内孔搭接，形成激光喷丸区域；
挤压强化：所述芯棒工作段(19)以恒定速度对激光喷丸区域进行挤压。
9.根据权利要求8所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的方法，其特征在于，所述调整激光参数中激光束的功率密度为2～15GW/cm2，激光光斑直径范围为1～8mm；所述激光喷丸强化中环形激光带(23)的宽度为0.5～4mm，环形激光带(23)的搭接率为20％～50％。
10.根据权利要求8所述的孔壁激光喷丸复合挤压强化的方法，其特征在于，所述能量吸收层(17)为黑漆，黑漆厚度为50～100μm；所述工件(14)内孔的孔深径比不大于5；所述移动工作平台(16)上升速度或者所述压机压头下降速度为0.1mm/s～10mm/s。
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