CN109355490B - 一种激光斜冲击强化复杂零件的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光斜冲击强化复杂零件的加工方法，S1、确定需要进行激光冲击强化的区域；S2、确定激光斜入射角度α、反射角β和实际作用于该区域的激光光斑的面积S；S3、检测反射激光的能量E₂；S4、确定激光器所需要发射出来的能量E₀、激光光斑直径、激光脉冲宽度、冲击次数n以及冲击路径；S5、在阿尔门试片上进行预冲击，优化激光参数；S6、对待加工零件的区域进行激光斜冲击强化；S7、零件强化效果检测。本发明能更精准地对实际作用于零件的能量进行控制和调整，使零件能更好地被具有合适参数的激光加工，从而获得更好的冲击强化效果，提高零件的综合机械性能和力学性能，进而提高了加工的合格率，延长零件的使用寿命。

Description

一种激光斜冲击强化复杂零件的加工方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，涉及一种激光加工方法，尤其是指一种激光斜冲击强化复杂零件的加工方法。

背景技术

激光冲击强化是一种利用强短脉冲激光束与物质作用产生的力效应对材料进行改性，从而提高材料的抗疲劳、耐磨损和耐腐蚀等性能的新型表面强化技术。该技术被广泛应用于航空航天、能源、交通等高端装备领域。在加工过程中，激光垂直作用于零件加工区域，这样能量的利用效率达到最大，且方便调控实际作用于零件的能量大小。但是，对于形状复杂，激光无法垂直作用于冲击强化目标区域的零件，则需要进行激光斜冲击。例如发动机涡轮盘榫槽，齿轮齿面、曲轴连杆与轴颈连接处圆角等由于存在干涉，需要激光斜冲击强化工艺进行处理。

激光工艺参数是影响激光冲击强化效果的重要因素，如果选择不当可能会减弱强化的效果甚至造成零件的报废。所以激光参数的精准控制至关重要。同时，采用激光斜冲击强化时，一方面由于激光的斜入射加大了激光的反射作用，造成激光能量的损失；另一方面，激光的斜入射会造成作用于零件表面的面积发生改变。除此之外，不同材料的约束层和吸收层也会影响激光的反射作用，造成实际作用于零件的激光能量与期望值存在偏差，导致激光冲击强化效果达不到所需的要求，从而造成加工零件的报废。

因此，控制激光斜冲击作用于零件的实际能量是目前该技术领域研究人员亟待解决的技术难题，具有重大的工程应用指导意义。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种实时调节激光能量，控制精确和提高加工质量的激光斜冲击强化复杂零件的加工方法。该方法通过检测冲击过程中反射激光的能量，计算出激光器所需发射出来的能量，并且对比判断加工过程中实际作用于零件冲击区域的能量，并实时改变发射出的能量以对入射到零件上的能量进行补偿，实现精确控制的目的，提高了冲击强化的效果，提高了零件的质量和合格率。

本发明的目的可采用以下技术方案来达到：

一种激光斜冲击强化复杂零件的加工方法，包括以下步骤：

S1、对待加工零件进行失效分析，确定需要进行激光冲击强化的区域；

S2、根据待加工零件结构特征，确定激光斜入射角度α的值，以获得斜入射角α对应的反射角β，通过斜入射角度α获得实际作用于该区域的激光光斑的面积S；

S3、在激光反射路径上设置激光能量测定仪，用于检测反射激光的能量E₂；

S4、根据待加工零件的材料和冲击区域所需要的强化强度，选取得出实际作用于待加工零件的冲击强化区域的激光功率密度I，以及激光冲击强化的激光脉冲宽度τ；并通过功率密度I＝E₁/(s×τ)得出实际作用于冲击强化区域的激光能量E₁，根据E₁初步确定激光器所需要发射出来的能量E₀、激光光斑直径、激光脉冲宽度、冲击次数n以及冲击路径，E₀大于E₁；

S5、根据步骤S4初步确定的激光参数在阿尔门试片上进行预冲击，优化激光参数；

S6、根据步骤S5优化所得的参数对待加工零件的区域进行激光斜冲击强化；根据步骤S5优化所得的参数对待加工零件进行激光冲击强化，至第n次激光冲击强化；每进行一次激光冲击强化，计算激光作用于待加工零件表面的实际能量E₃，E₃＝激光器发射的能量E₀-反射激光的能量E₂，并将其与S4的能量E₁相比较：

1)如果E₃小于E₁，则对该冲击区域进行一次补偿冲击；

2)如果E₃大于E₁，则在下一次冲击时减小该区域的冲击能量；

S7、零件强化效果检测：

1)如果已加工零件符合要求，则加工完成；

2)如果已加工零件不符合要求：

2.1)则判断已加工零件是否可以进行修复，如果可以则重复S1-S6步骤；

2.2)如果不可以则报废已加工零件。

进一步地，所述S1的具体内容为：

运用有限元软件对待加工零件进行受力分析和振动分析，并根据分析结果，确定零件的薄弱区域，再结合待加工零件使用过程中的出现的失效形式，最终确定需要冲击强化的区域。

进一步地，所述S4的具体内容为：

根据E₁初步确定激光器所需要发射出来的能量E₀比E₁大2～4J。

进一步地，所述S5的具体内容为：

运用激光冲击强化系统，根据步骤S4初步确定的激光参数对阿尔门试片进行激光冲击强化试验，并通过激光能量测定仪检测激光斜冲击时反射激光的能量E₂和检验冲击后阿尔门试片的强化效果，再根据强化的效果与能量E₂的大小来调整优化激光工艺参数。

进一步地，所述S4的具体内容为：

所述步骤S4中实际作用于待加工零件的激光能量产生的冲击波压力峰值由功率密度I确定，冲击波压力峰值在材料的2σ_HEL到2.5σ_HEL之间

进一步地，所述S5的具体内容为：

所选用的阿尔门试片材料与待加工零件的冲击区域材料相同。

进一步地，所述S5的具体内容为：

所述激光能量测量仪与计算机控制系统通信连接，激光能量测量仪将检测数据传输到计算机控制系统进行数据分析和对比判断。

进一步地，所述有限元软件为ANSYS。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明通过检测冲击过程中反射激光的能量，得出激光器所需发射出来的能量，并且将初步确定的激光参数在阿尔门试片上进行预冲击，优化激光参数，使得激光的加工参数能更好地适合待加工零件的加工要求，从而起到更好的冲击强化效果。在加工过程中，每进行一次激光冲击强化后计算激光作用于待加工零件表面的实际能量E3与期待值E1进行对比判断，然后实时改变下一次入射能量以进行补偿。通过该方法能更精准地对实际作用于零件的能量进行控制和调整，使零件能更好地被具有合适参数的激光加工，从而获得更好的冲击强化效果，提高零件的综合机械性能和力学性能，进而提高了加工的合格率，延长零件的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明激光斜冲击强化复杂零件的加工方法的流程图；

图2是本发明激光斜冲击强化复杂零件的加工方法的原理示意图；

图3是本发明激光斜冲击强化复杂零件的加工方法的加工系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

参见图1至图3，本实施例涉及激光斜冲击强化复杂零件的加工方法，包括以下步骤：

S1、对待加工零件1进行失效分析，确定需要进行激光冲击强化的区域；运用有限元软件ANSYS对待加工零件1进行受力分析和振动分析，并根据分析结果，确定零件的薄弱区域，再结合待加工零件1使用过程中的常出现的失效形式，最终确定需要冲击强化的区域；

S2、根据待加工零件1结构特征，确定激光斜入射角度α的值，以获得斜入射角α对应的反射角β，通过斜入射角度α获得实际作用于该区域的激光光斑的面积S；

S3、在激光反射路径上设置激光能量测定仪10，用于检测反射激光的能量E₂；

S4、根据待加工零件1的材料和冲击区域所需要的强化强度，选取得出实际作用于待加工零件1的冲击强化区域的激光功率密度I，以及激光冲击强化的激光脉冲宽度τ；并通过功率密度I＝E₁/(s×τ)得出实际作用于冲击强化区域的激光能量E₁，根据E₁初步确定激光器所需要发射出来的能量E₀、激光光斑直径、激光脉冲宽度、冲击次数n以及冲击路径，E₀大于E₁，E₀比E₁大2～4J。加工过程中实际作用于待加工零件1的激光能量产生的冲击波压力峰值由功率密度I确定，冲击波压力峰值在材料的2σ_HEL到2.5σ_HEL之间；

S5、根据步骤S4初步确定的激光参数在阿尔门试片上进行预冲击，优化激光参数；所选用的阿尔门试片材料与待加工零件1的冲击区域材料相同。运用激光冲击强化系统，根据步骤S4初步确定的激光参数对阿尔门试片进行激光冲击强化试验，并通过激光能量测定仪检测激光斜冲击时反射激光的能量E₂和检验冲击后阿尔门试片的强化效果，再根据强化的效果与能量E₂的大小来调整优化激光工艺参数。所述激光能量测量仪与计算机控制系统通信连接，激光能量测量仪将检测数据传输到计算机控制系统进行数据分析和对比判断；

S6、根据步骤S5优化所得的参数对待加工零件1的区域进行激光斜冲击强化；根据步骤S5优化所得的参数对待加工零件1进行激光冲击强化，至第n次激光冲击强化；每进行一次激光冲击强化，计算激光作用于待加工零件1表面的实际能量E₃，E₃＝激光器发射的能量E₀-反射激光的能量E₂，并将其与S4的能量E₁相比较：

1)如果E₃小于E₁，则对该冲击区域进行一次补偿冲击；

2)如果E₃大于E₁，则在下一次冲击时减小该区域的冲击能量；

S7、零件强化效果检测；用X射线检测仪对冲击后的齿轮的残余应力进行检测，并且用激光共聚焦显微镜对冲击区域的粗糙度进行检测：

1)如果已加工零件符合要求，则加工完成；

2)如果已加工零件不符合要求：

2.1)则判断已加工零件是否可以进行修复，如果可以则重复S1-S6步骤；

2.2)如果不可以则报废已加工零件。

本发明通过检测冲击过程中反射激光的能量，得出激光器所需发射出来的能量，并且将初步确定的激光参数在阿尔门试片上进行预冲击，优化激光参数，使得激光的加工参数能更好加合适待加工零件1的要求，从而起到更好的冲击强化效果。在加工过程中，每进行一次激光冲击强化后计算激光作用于待加工零件1表面的实际能量E3与期待值E1进行对比判断，然后实时改变下一次入射能量以进行补偿。通过该方法能更精准地对实际作用于零件的能量进行控制和调整，使零件能更好地被具有合适参数的激光加工，从而获得更好的冲击强化效果，提高零件的综合机械性能和力学性能，进而提高了加工的合格率，延长零件的使用寿命。

如图2和图3所示，待加工零件1为齿轮，所述步骤S5中，把阿尔门试片安装在配套的专用夹具上，再将夹具安装在工作台18上，把步骤S4初步确定的激光工艺参数输入到激光器控制系统12；激光器控制系统12控制激光器13发射高功率脉冲激光对阿尔门试片进行冲击试验；在冲击过程中用激光能量测定仪探头11接收反射激光，激光能量测定仪10检测反射激光的能量并将数据上传到计算机控制系统9进行数据分析，并计算实际作用于阿尔门试片的激光能量；用X射线检测仪对冲击后的阿尔门试片的残余应力进行检测，并根据强化的效果与反射能量的大小调整优化激光参数。

同时，步骤S6中，将齿轮工件17贴上黑胶带作为吸收层2，安装在工作台18的夹具16上，激光器控制系统12控制激光器13发射高功率脉冲激光对工件17进行冲击强化，其中激光器发射的激光参数为步骤S4所得的参数；工作台控制系统19控制工作台18的运动轨迹，使得激光束对目标区域进行冲击强化。机械臂控制系统19控制喷水机械臂21的运动轨迹，使得水在目标冲击区域上形成约束层3。同时，在强化过程中激光能量测定仪探头11接收反射激光，激光能量测定仪10实时检测反射激光的能量并将数据上传到计算机控制系统9进行数据分析，对比实际作用于齿轮的能量是否与设定的相符。如果E₃小于E₁，计算机控制系统9控制工作台控制系统19、激光器控制系统12、机械臂控制系统20对该冲击区域进行一次小能量的补偿冲击；如果E₃大于E₁，则在下一次冲击时减小该区域的冲击能量的大小，如果是第n次冲击则进行步骤S7实施检测；

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种激光斜冲击强化复杂零件的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对待加工零件进行失效分析，确定需要进行激光冲击强化的区域；

S2、根据待加工零件结构特征，确定激光斜入射角度α的值，以获得斜入射角α对应的反射角β，通过斜入射角度α获得实际作用于该区域的激光光斑的面积S；

S3、在激光反射路径上设置激光能量测定仪，用于检测反射激光的能量E₂；

S4、根据待加工零件的材料和冲击区域所需要的强化强度，选取得出实际作用于待加工零件的冲击强化区域的激光功率密度I，以及激光冲击强化的激光脉冲宽度τ；并通过功率密度I＝E₁/(s×τ)得出实际作用于冲击强化区域的激光能量E₁，根据E₁初步确定激光器所需要发射出来的能量E₀、激光光斑直径、激光脉冲宽度、冲击次数n以及冲击路径，E₀大于E₁；

S5、根据步骤S4初步确定的激光参数在阿尔门试片上进行预冲击，优化激光参数；

S6、根据步骤S5优化所得的参数对待加工零件的区域进行激光斜冲击强化；根据步骤S5优化所得的参数对待加工零件进行激光冲击强化，至第n次激光冲击强化；每进行一次激光冲击强化，计算激光作用于待加工零件表面的实际能量E₃，E₃＝激光器发射的能量E₀-反射激光的能量E₂，并将其与S4的能量E₁相比较：

1)如果E₃小于E₁，则对该冲击区域进行一次补偿冲击；

2)如果E₃大于E₁，则在下一次冲击时减小该区域的冲击能量；

S7、零件强化效果检测：

1)如果已加工零件符合要求，则加工完成；

2)如果已加工零件不符合要求：

2.1)则判断已加工零件是否可以进行修复，如果可以则重复S1-S6步骤；

2.2)如果不可以则报废已加工零件；

所述S5的具体内容为：

运用激光冲击强化系统，根据步骤S4初步确定的激光参数对阿尔门试片进行激光冲击强化试验，并通过激光能量测定仪检测激光斜冲击时反射激光的能量E₂和检验冲击后阿尔门试片的强化效果，再根据强化的效果与能量E₂的大小来调整优化激光工艺参数；

所述S5的具体内容为：

所述激光能量测量仪与计算机控制系统通信连接，激光能量测量仪将检测数据传输到计算机控制系统进行数据分析和对比判断。

2.根据权利要求1所述的一种激光斜冲击强化复杂零件的加工方法，其特征在于，所述S1的具体内容为：

运用有限元软件对待加工零件进行受力分析和振动分析，并根据分析结果，确定零件的薄弱区域，再结合待加工零件使用过程中出现的失效形式，最终确定需要冲击强化的区域。

3.根据权利要求1所述的一种激光斜冲击强化复杂零件的加工方法，其特征在于，所述S4的具体内容为：

根据E₁初步确定激光器所需要发射出来的能量E₀比E₁大2～4J。

4.根据权利要求1所述的一种激光斜冲击强化复杂零件的加工方法，其特征在于，所述S4的具体内容为：

所述步骤S4中实际作用于待加工零件的激光能量产生的冲击波压力峰值由功率密度I确定，冲击波压力峰值在材料的2σ_HEL到2.5σ_HEL之间。

5.根据权利要求1所述的一种激光斜冲击强化复杂零件的加工方法，其特征在于，所述S5的具体内容为：

所选用的阿尔门试片材料与待加工零件的冲击区域材料相同。

6.根据权利要求2所述的一种激光斜冲击强化复杂零件的加工方法，其特征在于，所述有限元软件为ANSYS。

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