CN109022756A - 一种提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的方法 - Google Patents

一种提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光冲击强化技术领域，公开一种提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的方法。利用UG三维软件对弱刚度零件的刚度进行分析，获得不同刚度的冲击区域；设置激光冲击参数，较弱刚度区域使用较小功率密度的激光，较大刚度使用较大功率密度激光；调整脉宽和增加冲击次数使残余压应力的深度和强度达到要求；通过传感器监测加工时弱刚度零件的弹性变形，控制参数和变形监测如此反复，最终实现提高弱刚度零件激光冲击的精度和效率。本发明通过实时改变激光参数对零件不同刚度区域进行激光冲击，实现减小弹性变形程度，缩短弹性变形恢复时间。避免在弹性变形过大的情况下冲击零件，造成光斑形状改变、作用位置偏移而影响加工精度和强化效果。

Description

一种提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的方法
技术领域
本发明属于激光冲击强化技术领域，更具体地，涉及一种提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的方法。
背景技术
激光冲击强化是一种利用短脉宽激光束与物质作用产生的强冲击波对材料进行改性，提高材料的抗疲劳、耐磨损和耐腐蚀等性能的技术。作为一种新型的表面处理技术，激光冲击强化效果已在航空、航天、生物医疗、能源等领域上得到验证，并逐步走向成熟。
随着我国工业化的发展，对零件的要求越来越高，零件日趋整体化复杂化和轻量化。高精度弱刚度零件应用广泛，特别是在航空航天和通信领域，但这类零件普遍具有刚度弱的特点。这是由于弱刚度零件在加工过程中容易发生弹性变形，而现有的激光冲击强化技术对弱刚度零件进行加工时，并未考虑弱刚度弹性变形的问题，从而造成零件加工精度降低。由于零件的弹性变形，会导致激光的参数不能精确可控，会降低加工零件的精度和强化的效果。激光作用于靶材后产生冲击力，弱刚度零件会发生弹性变形。如果在零件的弹性变形还没有恢复的情况下进行下一次激光冲击，激光的光斑形状就会发生改变，从而影响作用于靶材的激光功率的大小和能量分布，也会改变激光加工的位置，最终影响激光冲击强化的效果。如果等待足够长的时间，待弹性变形完全恢复后再进行下一次激光冲击，这样会显著降低加工的效率。因此，如何提高弱刚度零件激光冲击精度的同时又不降低加工效率，是研究人员亟待解决的一个问题。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明目的在于提供一种提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的方法。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的方法，包括以下具体步骤：
S1.利用UG三维软件对弱刚度零件的刚度进行分析，获得不同刚度的冲击区域；
S2.根据步骤S1得到的不同刚度冲击区域设置激光冲击参数，较弱刚度区域使用较小功率密度的激光，较大刚度使用较大功率密度激光；通过调整激光脉宽和增加冲击次数使残余压应力的深度和强度达到要求；
S3.通过传感器监测加工时弱刚度零件的弹性变形，在弱刚度零件的表面贴上吸收层黑胶带并安装在夹具上，在吸收层黑胶带上喷水形成的水流为约束层，对弱刚度零件进行激光冲击强化，按设计的激光冲击路径激光束对弱刚度零件冲击区域的第一个冲击点进行冲击强化，传感器监测冲击后零件的弹性变形情况，并将信号传送给计算机控制系统进行分析；待弹性变形恢复到偏离平衡位置的最大位移时，再对下一点进行激光冲击，通过控制参数和变形监测如此反复，最终实现提高弱刚度零件激光冲击的精度和效率。
优选地，步骤S1中所述弱刚度零件材料为TC4钛合金、TC11钛合金、TC17钛合金、铝合金或不锈钢。
优选地，步骤S2中所述残余压应力的深度为0.3～1.5mm。
优选地，步骤S2中所述残余压应力的强度为150～1000Mpa。
优选地，步骤S2中所述冲击次数为1～5次。
优选地，步骤S3中所述偏离平衡位置的最大位移为3mm。
本发明中激光冲击参数的设定根据弱刚度零件而定，较弱刚度区域使用较小功率密度的激光，较大刚度使用较大功率密度激光，所述的较小功率密度指能使该弱刚度零件产生较好的强化效果范围内取偏小值。对于TC4钛合金使用的能产生较好强化效果的功率密度的范围为4～7GW/cm2，较小功率密度为4～5GW/cm2，较大功率密度为6～7GW/cm2。
本发明是以加工零件各冲击区域刚度为依据设置激光的参数，减小激光冲击弱刚度零件所发生的弹性变形。通过传感器对加工时弹性变形进行监测，待弹性变形恢复到一定程度时再对下一点进行激光冲击，避免光斑形状改变和激光作用位置偏移。通过实时改变激光参数对零件不同刚度区域进行激光冲击，实现减小弹性变形程度，缩短弹性变形恢复时间。弱刚度零件中刚度足够大，产生的弹性变形微小的冲击区域不必降低冲击的功率密度。当进行多次冲击时，应根据具体情况选择合理的冲击次数，冲击次数当然是越少越好，一般在5次以内。在表面残余应力达到饱和前达到预定的强化效果。激光脉宽影响残余应力的深度，可适当加长脉冲宽度来加大残余应力的影响层，但不能导致零件表面产生烧蚀现象。激光脉宽具体零件具体材料而定，最小时要使零件产生强化效果，最大不能让零件表面出现烧蚀现象。根据零件的复杂程度，零件可安装在数控工作台或者自由度机械臂上。根据零件的结构与变形情况，可安装一个或者多个距离传感器。激光头保持不动，激光束辐射的位置不变。残余压应力的深度和强度满足设计人员所设计的要求，残余压应力的深度一般0.3～1.5mm，不同材料能达到的最大强度也不一样，比如TC4等钛合金的表面残余压应力一般要求500Mpa以上，最大能达到1000Mpa以上；而铝合金的残余压应力一般在150～500Mpa。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的方法是以加工弱刚度零件各冲击区域刚度为依据设置激光的参数，减小激光冲击弱刚度零件所发生的弹性变形。通过传感器对加工时弹性变形进行监测，待弱刚度零件弹性变形恢复到一定程度时，再对下一点进行激光冲击，避免光斑形状改变和激光作用位置偏移。通过控制参数和变形监测，最终达到精准加工提高效率的目的。
2.本发明在产生强化效果的前提下，尽量使用较低的激光功率密度，从而减小冲击波压力，减小弹性变形量，从而减少弹性变形恢复时间，提高加工效率。最后通过调整脉宽和增加冲击次数达到要求的残余压应力的深度和强度，从而达到强化要求。
3.本发明提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的方法，通过调控激光参数对弱刚度零件不同刚度区域进行冲击，从而降低弱刚度区域的弹性变形程度，减少弹性恢复的时间。鉴于实际加工过程中实际出现变形的复杂性，利用距离传感器对弹性变形情况进行监测，能在变形恢复后立刻进行下一次冲击强化，最终实现加工精度和效率的提高。
附图说明
图1为激光冲击弱刚度零件弹性变形示意图。
图2为激光束打到薄板和变形薄板上光斑形状对比示意图。
图3为提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的加工流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。
实施例1
图1为激光冲击弱刚度零件弹性变形示意图。图2为激光束打到薄板和变形薄板上光斑形状对比示意图。其中，1为弹性变形薄板，2为薄板，3为脉冲激光束，4为薄板上的光斑，5为变形薄板上的光斑。如图1所示，在激光冲击波力的作用下，零件弱刚度区域会发生弹性变形，当在变形情况冲击靶材时，激光束不能垂直作用于零件，从而导致激光束打到薄板上时光斑形状发生改变，同时激光作用的位置发生了偏移，如图2所示。这使得激光能量分布、搭接率等都与设置的参数不一致，激光作用的区域发生改变，最终达不到理想的强化效果。需要等待足够长的时间再进行第二次冲击，使加工效率降低。
一种提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的方法，包括以下具体步骤：
S1.利用UG三维软件对工件的刚度进行分析，获得不同刚度的冲击区域；
S2.根据步骤S1得到的不同刚度冲击区域设置激光冲击参数，较弱刚度区域使用较小功率密度的激光，较大刚度使用较大功率密度激光；通过调整脉宽和增加冲击次数使残余压应力的深度和强度达到要求；
S3.通过传感器对加工时弹性变形进行监测，对工件进行激光冲击强化，激光束按照设计好的激光冲击路径对工件的第一个冲击点进行冲击，传感器检测冲击后零件的弹性变形情况，并将信号传送给计算机控制系统进行分析；待弹性变形恢复到偏离平衡位置的最大位移小于3mm时，再对下一点进行激光冲击，通过控制参数和变形监测如此反复，最终实现提高弱刚度零件激光冲击的精度和效率。
步骤S2中激光冲击参数的设定根据弱刚度零件而定，较弱刚度区域使用较小功率密度的激光，较大刚度使用较大功率密度激光，所述的较小功率密度指能使该弱刚度零件产生较好的强化效果范围内取偏小值。在产生强化效果的范围内，随冲击区域刚度的变化改变激光冲击参数，较弱刚度区域使用较小功率密度的激光，较大刚度使用较大功率密度激光。对于TC4钛合金能产生较好强化效果的功率密度的范围为4～7GW/cm2，较小功率密度为4～5GW/cm2，较大功率密度为6～7GW/cm2。弱刚度零件叶片自由端进排气边缘刚度最弱，则选用最小的4GW/cm2的功率密度。越靠近叶根处的刚度越大，功率密度也可以逐步加大。为了达到一定程度的残余压应力层深和应力强度，适当加大冲击区域的脉宽和冲击次数。
图3为提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的方法加工流程示意图。计算机控制系统6，激光器控制系统7，激光器8，激光头9，脉冲激光束10，喷水机械臂11，喷水机械臂控制系统12，距离传感器13，工件夹持机械臂控制系统14，工件夹持机械臂15，夹具16，弱刚度零件叶片17。激光冲击强化需要在弱刚度零件上覆盖吸收层和约束层，再通过激光冲击作用才能达到理想的强化效果。如图3所示，在弱刚度零件叶片17的表面贴上黑胶带作为吸收层并安装在夹具16上，计算机控制系统6按照设定的参数控制工件夹持机械臂控制系统14、喷水机械臂控制系统12和激光器控制系统7的运行。进一步地，工件夹持机械臂控制系统14控制工件夹持机械臂15把工件叶片17送到预定的位置。喷水机械臂控制系统12控制喷水机械臂15按照预定轨迹运动并对冲击区域喷水，在弱刚度零件叶片17的吸收层表面喷水形成的水流为约束层。激光器控制系统7控制激光器8通过激光头9发射脉冲激光束10对弱刚度零件叶片17进行加工。脉冲激光束10作用于弱刚度零件预先设计好的冲击区域后，计算机控制系统6控制工件夹持机械臂控制系统14运动，把弱刚度零件叶片17下一个需要冲击的点移动到脉冲激光束10的位置。与此同时距离传感器13对弱刚度零件叶片17的弹性变形进行监测，并把数据传送到计算机控制系统6进行分析。待弱刚度零件叶片17的弹性变形恢复到一定程度后，计算机控制系统6控制喷水机械臂控制系统12喷水，控制激光器控制系统7调整参数对下一点进行冲击，如此反复，直至加工完成。
综上所述，通过调控激光参数对弱刚度零件不同刚度区域进行冲击，从而降低弱刚度区域的弹性变形程度，减少弹性恢复的时间。鉴于实际加工过程中实际出现变形的复杂性，利用距离传感器对弹性变形情况进行监测，能在变形恢复后立刻进行下一次冲击强化，最终实现加工精度和效率的提高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1.利用UG三维软件对弱刚度零件的刚度进行分析，获得不同刚度的冲击区域；
S2.根据步骤S1得到的不同刚度冲击区域设置激光冲击参数，较弱刚度区域使用较小功率密度的激光，较大刚度使用较大功率密度激光；通过调整激光脉宽和增加冲击次数，使残余压应力的深度和强度达到要求；
S3.用传感器监测加工时弱刚度零件的弹性变形，在弱刚度零件的表面贴上吸收层黑胶带并安装在夹具上，在吸收层黑胶带上喷水形成的水流为约束层，对弱刚度零件进行激光冲击强化，按设计的激光冲击路径激光束对弱刚度零件冲击区域的第一个冲击点进行冲击强化，传感器监测冲击后零件的弹性变形情况，并将信号传送给计算机控制系统进行分析；待弹性变形恢复到偏离平衡位置的最大位移时，再对下一点进行激光冲击，通过控制参数和变形监测如此反复，最终实现提高弱刚度零件激光冲击的精度和效率。
2.根据权利要求1所述提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的方法，其特征在于，步骤S1中所述弱刚度零件材料为TC4钛合金、TC11钛合金、TC17钛合金、铝合金或不锈钢。
3.根据权利要求1所述提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的方法，其特征在于，步骤S2中所述残余压应力的深度为0.3～1.5mm。
4.根据权利要求1所述提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的方法，其特征在于，步骤S2中所述残余压应力的强度为150～1000Mpa。
5.根据权利要求1所述提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的方法，其特征在于，步骤S2中所述冲击次数为1～5次。
6.根据权利要求1所述提高弱刚度零件激光冲击精度和效率的方法，其特征在于，步骤S3中所述偏离平衡位置的最大位移为3mm。
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