CN109454155A - 一种针对薄壁通孔件的激光喷丸矫形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光喷丸矫形领域，具体涉及一种针对薄壁通孔件的激光喷丸矫形方法。将变形的零件矫正为合格形态，并在矫形区域引入残余压应力，从而提高零件的使用寿命。通过激光冲击校正后，板料从凹凸状态恢复平直状态，平面度小于0.005mm，获得了理想的校直效果。板料的校形量随着残余应力的深度和大小的增大而增大，即通过控制激光功率密度的变化，可以调整校形量的大小，达到精确校形的目的。

Description

一种针对薄壁通孔件的激光喷丸矫形方法
技术领域
本发明涉及激光喷丸矫形领域，具体涉及一种针对薄壁通孔件的激光喷丸矫形方法。
背景技术
薄壁零件因具有刚性好、总质量轻等优点被广泛应用于航空航天领域中，如飞机的骨架和蒙皮等。其形状复杂，精度要求较高，制造难度相当大。其中薄壁通孔是一种在装备上常见的结构，在使用过程中由于承受交变载荷，这种结构零件端口易产生变形等缺陷，而对于这些零件直接进行再制造更换零件成本太高，对其进行矫形修复是节约成本的必要措施。
现有的矫形技术方法是用压机采用点压的方法矫形，即在尺寸变大的方向上压。但利用压机对具有复杂表面的大型薄壁件，矫形时存在种种问题：1.难以避开未变形的复杂表面，引入二次变形；2.矫形压力难以精确调控，容易产生过变形和回弹；3.处理后的表面往往具有拉应力，容易成为新的裂纹萌生点。总而言之，目前现有的压机点压矫形，由于压力控制不精确，对于这样的薄壁区域，易造成损坏；且在孔周围由于处于悬臂，而且经过变形之后其受力能力更小，当施加的压力不稳定后易造成凿通、扩孔或缩孔等不良后果，从而导致该零件的彻底损坏。
激光喷丸成形是利用短脉冲高功率的强激光辐射材料表面，材料气化并在板材表面产生高压冲击波，当冲击波强度大于材料的动态屈服强度时，板材将发生塑形变形，从而使板材发生向受喷面凸起的双向弯曲变形。激光喷丸成形具有无需模具、工艺装备简单、加工柔性大、通过精确控制激光脉冲参数可以精确控制喷丸成形形状、成形曲率比机械喷丸大、在零件表面产生压应力可以改善零件的抗疲劳、抗腐蚀性能等优点，使其在航空、汽车制造等领域具有广泛的应用前景。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种针对特定的厚度的薄壁通孔的矫形工艺。基于薄壁通孔件的矫形工艺，本发明提出了一种针对薄壁通孔件的激光喷丸矫形方法，将变形的零件矫正为合格形态，并在矫形区域引入残余压应力，从而提高零件的使用寿命。通过激光冲击校正后，板料从凹凸状态恢复平直状态，平面度小于0.005mm，获得了理想的校直效果。板料的校形量随着残余应力的深度和大小的增大而增大，即通过控制激光功率密度的变化，可以调整校形量的大小，达到精确校形的目的。
其具体步骤如下：
(1)通过大数据分析系统，测量变形区域的凸起尺寸，得到三维模型数据。
(2)通过有限元分析软件，分析薄壁通孔件的壁厚H所能承受的最大的激光功率密度IA，其中薄壁通孔件的壁厚H满足：5mm≤H≤15mm；并且壁厚H和薄壁通孔件的壁厚H所能承受的最大的激光功率密度IA满足：其中P为激光峰值压力，KF系数取1.1，d为光斑直径，为材料的动态屈服强度；另外，其中α为等离子体–材料相互作用系数，Z为折合声阻抗，IA为薄壁通孔件的壁厚H所能承受的最大的激光功率密度；折合声阻抗其中Z1为靶材的声阻抗、Z2为约束层的声阻抗。
(3)通过有限元分析软件，分析使薄壁通孔件最大变形区域变形量L，所需要的激光功率密度IB。
(4)比较IA和IB的大小，若IB>IA，则寻求其他方法进行矫形或认定为无法矫形样；若IB≤IA，则能够进行矫形。
(5)通过有限元分析软件，依次分析薄壁通孔件最小变形区域矫形所需要的激光功率密度、次小变形区域矫形所需要的激光功率密度，直至最大变形区域矫形所需要的激光功率密度；然后从变形量最小的区域开始，对薄壁通孔变形部分进行n次搭接激光冲击进行矫形，确保冲击能覆盖整个变形区域，其中激光光斑为圆形，激光喷丸参数如下：光斑直径2～5mm，脉宽为8～30n，激光冲击横向和纵向搭接率都为50％，S为变形区域总长度，d为激光光斑直径；按照上述步骤直至变形量最大的区域矫形完毕。
(6)将矫形完的零件再通过大数据分析系统进行分析，如矫形还没合格，重复以上步骤，直至矫形合格。
本发明有益效果：
1)本发明通过有限元分析软件，根据薄壁通孔件每一变形区域变形量，确定激光喷丸参数，并且从最小变形区域到最大变形区域搭接冲击，提高了激光喷丸矫形的精度。
2)将变形的零件矫正为合格形态，并在矫形区域引入残余压应力，从而提高零件的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为原始以及变形后的薄壁通孔件结构示意图。
图2为本发明激光喷丸搭接冲击矫形展开示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
本实施案例所采用的壁厚为6mm，变形区域总长度为12mm的薄壁通孔待修复件，材料为TC4钛合金，该材料的主要力学性能是密度为4.5g·cm-3，动态屈服强度为1.43GPa，泊松比为0.3，水阻抗为1.14×106g·cm-2·s-1，声阻抗为2.75×106g·cm-2·s-1。
激光光斑为圆形，激光喷丸参数如下：光斑直径3mm，脉宽为10ns，激光冲击横向和纵向搭接率都为50％。
其中α＝0.1,KF＝1.1,H＝6mm,d＝3mm,GPa，求得IA＝12GW/cm2。
另外，
(1)通过大数据分析系统，测量变形区域的凸起尺寸，得到三维模型数据；
(2)通过有限元分析软件，分析薄壁通孔件的壁厚6mm所能承受的最大的激光功率密度为12GW/cm2；
(3)通过有限元分析软件，分析薄壁通孔件最大变形区域，所需要的激光功率密度为12GW/cm2，可以进行矫形；
(4)通过有限元分析软件，分析薄壁通孔件最小变形区域，所需要的激光功率密度为3GW/cm2；
(5)再通过有限元分析软件，分析薄壁通孔件最小变形区域上面一块区域，所需要的激光功率密度为4GW/cm2；直至分析薄壁通孔件最大变形区域所需要的激光功率密度为12GW/cm2。
(6)按照上述步骤，依次往上，对薄壁通孔变形部分进行总共9次搭接激光冲击进行矫形；
(7)将矫形完的零件再通过大数据分析系统进行分析，如矫形还没合格，重复以上步骤，直至矫形合格。

Claims (4)

1.一种针对薄壁通孔件的激光喷丸矫形方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)通过大数据分析系统，测量变形区域的凸起尺寸，得到三维模型数据；
(2)通过有限元分析软件，分析薄壁通孔件的壁厚H所能承受的最大的激光功率密度IA；
(3)通过有限元分析软件，分析使薄壁通孔件最大变形区域变形量L，所需要的激光功率密度IB；
(4)比较IA和IB的大小，若IB>IA，则寻求其他方法进行矫形或认定为无法矫形样；若IB≤IA，则能够进行矫形；
(5)通过有限元分析软件，依次分析薄壁通孔件最小变形区域矫形所需要的激光功率密度、次小变形区域矫形所需要的激光功率密度，直至最大变形区域矫形所需要的激光功率密度；然后从变形量最小的区域开始，对薄壁通孔变形部分进行n次搭接激光冲击进行矫形，确保冲击能覆盖整个变形区域，按照上述步骤直至变形量最大的区域矫形完毕；
(6)将矫形完的零件再通过大数据分析系统进行分析，如矫形还没合格，重复以上步骤，直至矫形合格。
2.如权利要求1所述的一种针对薄壁通孔件的激光喷丸矫形方法，其特征在于，步骤(2)中，薄壁通孔件的壁厚H满足：5mm≤H≤15mm；并且壁厚H和薄壁通孔件的壁厚H所能承受的最大的激光功率密度IA满足：其中P为激光峰值压力，KF系数取1.1，d为光斑直径，为材料的动态屈服强度；另外，其中α为等离子体–材料相互作用系数，Z为折合声阻抗，IA为薄壁通孔件的壁厚H所能承受的最大的激光功率密度。
3.如权利要求1所述的一种针对薄壁通孔件的激光喷丸矫形方法，其特征在于，步骤(2)中，激光喷丸工艺参数如下：激光光斑为圆形，光斑直径2～5mm，脉宽为8～30n，激光冲击横向和纵向搭接率都为50％，S为变形区域总长度，d为激光光斑直径。
4.如权利要求2所述的一种针对薄壁通孔件的激光喷丸矫形方法，其特征在于，折合声阻抗其中Z1为靶材的声阻抗、Z2为约束层的声阻抗。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112760584A (zh) * 2020-09-30 2021-05-07 中信戴卡股份有限公司 一种用于铝合金车轮的激光喷丸强化方法
CN113528777A (zh) * 2021-06-18 2021-10-22 华南理工大学 一种飞机受损件激光喷丸修复过程的残余应力调控方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07261100A (ja) * 1994-03-17 1995-10-13 Hitachi Ltd 形状可変鏡
US20040024485A1 (en) * 2002-07-31 2004-02-05 Mccoy Edward D. Multi-axis laser apparatus and process for the fine cutting of tubing
CN101392382A (zh) * 2008-10-15 2009-03-25 江苏大学 一种激光熔覆结合激光喷丸强化表面改性的方法和装置
CN106041344A (zh) * 2016-08-17 2016-10-26 广东工业大学 一种用于航空发动机支架的激光喷丸校形质量控制方法
CN106312323A (zh) * 2016-11-02 2017-01-11 广东工业大学 一种变形叶片的激光喷丸校形方法及装置
CN106337111A (zh) * 2016-08-29 2017-01-18 江苏大学 一种基于热辐射和激光冲击强化结合的表面强化方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07261100A (ja) * 1994-03-17 1995-10-13 Hitachi Ltd 形状可変鏡
US20040024485A1 (en) * 2002-07-31 2004-02-05 Mccoy Edward D. Multi-axis laser apparatus and process for the fine cutting of tubing
CN101392382A (zh) * 2008-10-15 2009-03-25 江苏大学 一种激光熔覆结合激光喷丸强化表面改性的方法和装置
CN106041344A (zh) * 2016-08-17 2016-10-26 广东工业大学 一种用于航空发动机支架的激光喷丸校形质量控制方法
CN106337111A (zh) * 2016-08-29 2017-01-18 江苏大学 一种基于热辐射和激光冲击强化结合的表面强化方法
CN106312323A (zh) * 2016-11-02 2017-01-11 广东工业大学 一种变形叶片的激光喷丸校形方法及装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112760584A (zh) * 2020-09-30 2021-05-07 中信戴卡股份有限公司 一种用于铝合金车轮的激光喷丸强化方法
CN113528777A (zh) * 2021-06-18 2021-10-22 华南理工大学 一种飞机受损件激光喷丸修复过程的残余应力调控方法

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