CN110405348A - 一种基于激光冲击技术的多方位加工系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种基于激光冲击技术的多方位加工系统及方法，该系统包括包括激光发生系统、导光和分光系统和加工系统，该方法包括如下步骤：步骤一，对待加工的工件进行清洗并在表面覆盖铝箔吸收层；步骤二，将待加工工件用夹具夹持；步骤三，打开喷水装置对工件进行喷水作为约束层；步骤四，通过控制器开启激光发生器，让激光光束打向工件进行激光冲压加工；步骤五，所有加工完成后，关闭激光发生器，打开夹具，取出工件。本发明无需重复装夹便能够对同一工件依次进行变径和表面微处理的多方位加工，提高加工效率。

Description

一种基于激光冲击技术的多方位加工系统和方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及一种基于激光冲击技术的多方位加工系统和方法。
背景技术
变径管作为管路系统中的功能元件、弹性变形补偿元件以及不同管件连接的过渡接头，在航空、航天和汽车等领域中有着广泛应用，其常用的加工方法有：分段冲压再焊接、爆炸成形和内高压液力成形。
分段冲压再焊接是目前变径管加工最常用的加工方法，它先将图纸中设计的变截面管件按照直径大小和变化的趋势将管件分割成不同的几个部分，再对不同部分各自进行冲压加工成形，最后把各部分通过焊接的方法连接成整体。通过冲压焊接加工得到的变径管具有节省原材料、重量轻等优点，然而管件在焊接后需要进行必要的手工修整，以消除焊接变形，尤其是焊缝的存在不仅影响其强度，而且该处存在的有害残余拉应力降低管件的抗应力腐蚀能力，缩短了管件的使用寿命。
爆炸胀形是在坯料管内部放置炸药，通过炸药爆炸产生的冲击波作为管径变形的力源。其分为不使用模具的自由爆炸胀形和使用模具的有模胀形两种。变径管的爆炸胀形具有模具简单、生产效率高等优势，然而加工中存在着炸药用量难以控制，管件加工质量难以精确控制，加工的安全性较差等不足。
金属变径管的内高压液力成形就是采用液体作为传递成形力的介质，通过在管两端施加轴向力，在管坯内部形成内高压，在内压和轴力的联合作用下使管坯贴靠模具而成为所需的管件。内高压成形可以将多个不同截面形状的管件一次成形，减少了模具数量，也无需后续焊接工序，管件表面质量高，生产效率较高。然而在成形时，需要复杂的液压设备，内压与轴向载荷常常难以合理匹配，造成管材成形后失稳，使管件发生折叠、起皱与破裂等失效。目前该技术仅限于铝合金、不锈钢等屈服强度较低的材料的管件成形，还难以适应屈服强度较高的钛合金类的管件成形。
公告号为CN102225491A的发明专利公开了一种基于激光冲击波技术的金属变径管成形的方法和装置,属于激光加工技术领域。本发明采用激光能量吸收层涂覆在与管件分离的堵杆上端部，激光束沿待成形的管坯的轴线进入管坯的内部，辐照在堵杆上端部的吸收层上，吸收层吸收激光能量后气化、电离，形成高压等离子体，高压等离子体急速膨胀形成高幅冲击波，以此推动管坯的膨胀直至和模具的型面贴合，使管坯的变形形状和模具的型面一致。
这种金属变径管成形的方法存在以下不足：该方法仅能够对管件进行变径成形，无法对管件的表面进行微处理，降低表面摩擦系数和磨损量，其加工方式单一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于激光冲击技术的多方位加工系统和方法，无需重复装夹便能够对同一工件依次进行变径和表面微处理的多方位加工，提高加工效率。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于激光冲击技术的多方位加工系统，包括激光发生系统、导光和分光系统和加工系统；
激光发生系统包括依次连接的计算机、控制器和激光发生器；
导光和分光系统包括导光管、全反镜和冲击头；所述导光管包括有水平设置的主管路，主管路端部设置有全反镜一并垂直向下设置有支路一，支路一下端设置有冲击头一；主管路中部设置有具有角度调节功能的全反调节镜并向下设置有支路二，支路二呈L型，支路二拐角处设置有全反镜二，支路二端部设置有冲击头二；
加工系统包括工作台，工作台上设置有夹具。
进一步的，冲击头一周侧均布若干喷嘴，喷嘴上连接有喷水装置。
进一步的，所述工作台为五轴工作台。
进一步的，全反调节镜上通过转轴连接有电机，电机接入控制器。
一种基于激光冲击技术的多方位加工方法，包括如下步骤：
步骤一，对待加工的工件进行清洗并在表面覆盖铝箔吸收层；
步骤二，将待加工工件用夹具夹持；
步骤三，打开喷水装置对工件进行喷水作为约束层；
步骤四，通过控制器开启激光发生器，让激光光束打向工件进行激光冲压加工；
步骤五，所有加工完成后，关闭激光发生器，打开夹具，取出工件。
进一步的，步骤一中，若待加工的工件为管件，则：
步骤二，将管件底部用夹具夹持并在管件内设置堵杆，堵杆上端部涂有有效吸收激光能量的黑漆吸收层，然后在管件外套设分体式模具；
步骤三，打开喷水装置对工件进行喷水，在管件内填充水并在管件外形成水膜作为约束层；
步骤四，将全反调节镜调至档一，即全反调节镜处于水平位置，通过控制器开启激光发生器，激光光束打向全反镜一，然后通过冲击头一从管件上端打向堵杆进行激光冲压成形加工；
激光冲压成形加工完成后，关闭喷水装置，取下分体式模具，然后打开喷水装置，在管件外壁形成水膜，然后将全反调节镜调至档二，即全反调节镜处于和全反镜二平行的位置，激光光束通过全反调节镜、全反镜二的全折射，在从冲击头二打向管件侧壁；最后由计算机控制工作台按照设定的激光光斑冲击轨迹来移动；
步骤五，所有加工完成后，关闭激光发生器，打开夹具，取出管件。
进一步的，步骤一中，若要对工件进行表面微凹槽加工，则：
步骤一，对工件进行表面打磨抛光，然后用丙酮、酒精清洗；
步骤二，将待加工工件用夹具夹持；将金属网通过有机粘合剂粘合在工件表面；将黑色聚酯胶带吸收层覆盖在金属网表面；
步骤三，打开喷水装置对工件进行喷水，在工件表面形成水膜作为约束层；
步骤四，将全反调节镜调至档一，即全反调节镜处于水平位置，通过控制器开启激光发生器，激光光束打向全反镜一，然后通过冲击头一从管件上端打向堵杆进行激光冲压成形加工；最后由计算机控制工作台按照设定的激光光斑冲击轨迹来移动；
步骤五，所有加工完成后，关闭激光发生器，打开夹具，取出工件。
进一步的，所述金属网的屈服强度大于待处理工件材料的屈服强度。
进一步的，所述铝箔吸收层的厚度为0.1mm。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明能够进行管件变径成形、表面微处理和表面微凹槽等加工，多种加工模式下无需重复装夹，提高了加工效率和自动化程度；
2、本发明可降低金属材料的孔隙率，提高金属材料表面的强度和硬度，改善了金属材料的抗腐蚀及抗疲劳性能，能够较有效地防止气蚀；通过改变金属网的种类，可以获得不同形状的微凹槽；
3、通过计算机实现对全反调节镜角度调节、激光光斑冲击路径设计和控制、工件的自动夹持，加工时序的控制等全方位的智能化加工；大大的提高了加工效率、节省人力。
附图说明
图1是本发明加工管件时的结构示意图；
图2是本发明加工微凹槽时的结构示意图。
图中，1、计算机；2、控制器；3、激光发生器；4、主管路；41、支路一；411、全反镜一；412、冲击头一；413、喷水装置；414、喷嘴；42、支路二；421、全反调节镜；422、电机；423、冲击头二；424、全反镜二；5、工作台；51、夹具；6、管件；61、堵杆；62、分体式模具；7、金属网；71、黑色聚酯胶带吸收层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明旨在提供一种基于激光冲击技术的多方位加工系统，如图1和2所示，包括激光发生系统、导光和分光系统和加工系统；
激光发生系统包括依次连接的计算机1、控制器2和激光发生器3；
导光和分光系统包括导光管、全反镜和冲击头；所述导光管包括有水平设置的主管路4，主管路4端部设置有全反镜一411并垂直向下设置有支路一41，支路一41下端设置有冲击头一412；冲击头一412周侧均布若干喷嘴414，喷嘴414上连接有喷水装置413。主管路4中部设置有具有角度调节功能的全反调节镜421并向下设置有支路二42，全反调节镜421上通过转轴连接有电机422，电机422接入控制器2。支路二42呈L型，支路二42拐角处设置有全反镜二424，支路二42端部设置有冲击头二423；
加工系统包括工作台5，工作台5为五轴工作台。工作台5上设置有夹具51。
本发明还提供一种基于激光冲击技术的多方位加工方法，包括如下步骤：
步骤一，对待加工的工件进行清洗并在表面覆盖铝箔吸收层；铝箔吸收层的厚度为0.1mm；
步骤二，将待加工工件用夹具51夹持；
步骤三，打开喷水装置413对工件进行喷水作为约束层；
步骤四，通过控制器2开启激光发生器3，让激光光束打向工件进行激光冲压加工；
步骤五，所有加工完成后，关闭激光发生器3，打开夹具51，取出工件。
根据加工需求的不同提供不同的加工模式：
一、步骤一中，若待加工的工件为管件，则：
步骤二，将管件6底部用夹具51夹持并在管件6内设置堵杆61，堵杆61上端部涂有有效吸收激光能量的黑漆吸收层，然后在管件6外套设分体式模具62；
步骤三，打开喷水装置413对工件进行喷水，在管件6内填充水并在管件6外形成水膜作为约束层；
步骤四，将全反调节镜421调至档一，即全反调节镜421处于水平位置，通过控制器2开启激光发生器3，激光光束打向全反镜一411，然后通过冲击头一412从管件6上端打向堵杆61进行激光冲压成形加工；
激光冲压成形加工完成后，关闭喷水装置413，取下分体式模具62，然后打开喷水装置413，在管件6外壁形成水膜，然后将全反调节镜421调至档二，即全反调节镜421处于和全反镜二424平行的位置，激光光束通过全反调节镜421、全反镜二424的全折射，在从冲击头二423打向管件6侧壁；最后由计算机1控制工作台5按照设定的激光光斑冲击轨迹来移动；
步骤五，所有加工完成后，关闭激光发生器3，打开夹具51，取出管件6。
二、步骤一中，若要对工件进行表面微凹槽加工，则：
步骤一，对工件进行表面打磨抛光，然后用丙酮、酒精清洗；
步骤二，将待加工工件用夹具51夹持；将金属网7通过有机粘合剂粘合在工件表面；将黑色聚酯胶带吸收层71覆盖在金属网7表面；
步骤三，打开喷水装置413对工件进行喷水，在工件表面形成水膜作为约束层；
步骤四，将全反调节镜421调至档一，即全反调节镜421处于水平位置，通过控制器2开启激光发生器3，激光光束打向全反镜一411，然后通过冲击头一412从管件6上端打向堵杆61进行激光冲压成形加工；最后由计算机1控制工作台5按照设定的激光光斑冲击轨迹来移动；金属网7的屈服强度大于待处理工件材料的屈服强度。
步骤五，所有加工完成后，关闭激光发生器3，打开夹具51，取出工件。
本发明通过计算机1实现对全反调节镜421角度调节、激光光斑冲击路径设计和控制、工件的自动夹持、喷水装置413的开闭，加工时序的控制等全方位的智能化加工；大大的提高了加工效率、节省人力。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (9)

1.一种基于激光冲击技术的多方位加工系统，其特征在于：包括激光发生系统、导光和分光系统和加工系统；
激光发生系统包括依次连接的计算机、控制器和激光发生器；
导光和分光系统包括导光管、全反镜和冲击头；所述导光管包括有水平设置的主管路，主管路端部设置有全反镜一并垂直向下设置有支路一，支路一下端设置有冲击头一；主管路中部设置有具有角度调节功能的全反调节镜并向下设置有支路二，支路二呈L型，支路二拐角处设置有全反镜二，支路二端部设置有冲击头二；
加工系统包括工作台，工作台上设置有夹具。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击技术的多方位加工系统，其特征在于：冲击头一周侧均布若干喷嘴，喷嘴上连接有喷水装置。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击技术的多方位加工系统，其特征在于：所述工作台为五轴工作台。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击技术的多方位加工系统，其特征在于：全反调节镜上通过转轴连接有电机，电机接入控制器。
5.一种基于激光冲击技术的多方位加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一，对待加工的工件进行清洗并在表面覆盖铝箔吸收层；
步骤二，将待加工工件用夹具夹持；
步骤三，打开喷水装置对工件进行喷水作为约束层；
步骤四，通过控制器开启激光发生器，让激光光束打向工件进行激光冲压加工；
步骤五，所有加工完成后，关闭激光发生器，打开夹具，取出工件。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光冲击技术的多方位加工方法，其特征在于：步骤一中，若待加工的工件为管件，则：
步骤二，将管件底部用夹具夹持并在管件内设置堵杆，堵杆上端部涂有有效吸收激光能量的黑漆吸收层，然后在管件外套设分体式模具；
步骤三，打开喷水装置对工件进行喷水，在管件内填充水并在管件外形成水膜作为约束层；
步骤四，将全反调节镜调至档一，即全反调节镜处于水平位置，通过控制器开启激光发生器，激光光束打向全反镜一，然后通过冲击头一从管件上端打向堵杆进行激光冲压成形加工；
激光冲压成形加工完成后，关闭喷水装置，取下分体式模具，然后打开喷水装置，在管件外壁形成水膜，然后将全反调节镜调至档二，即全反调节镜处于和全反镜二平行的位置，激光光束通过全反调节镜、全反镜二的全折射，在从冲击头二打向管件侧壁；最后由计算机控制工作台按照设定的激光光斑冲击轨迹来移动；
步骤五，所有加工完成后，关闭激光发生器，打开夹具，取出管件。
7.根据权利要求5所述的一种基于激光冲击技术的多方位加工方法，其特征在于：步骤一中，若要对工件进行表面微凹槽加工，则：
步骤一，对工件进行表面打磨抛光，然后用丙酮、酒精清洗；
步骤二，将待加工工件用夹具夹持；将金属网通过有机粘合剂粘合在工件表面；将黑色聚酯胶带吸收层覆盖在金属网表面；
步骤三，打开喷水装置对工件进行喷水，在工件表面形成水膜作为约束层；
步骤四，将全反调节镜调至档一，即全反调节镜处于水平位置，通过控制器开启激光发生器，激光光束打向全反镜一，然后通过冲击头一从管件上端打向堵杆进行激光冲压成形加工；最后由计算机控制工作台按照设定的激光光斑冲击轨迹来移动；
步骤五，所有加工完成后，关闭激光发生器，打开夹具，取出工件。
8.根据权利要求7所述的一种基于激光冲击技术的多方位加工方法，其特征在于：所述金属网的屈服强度大于待处理工件材料的屈服强度。
9.根据权利要求5所述的一种基于激光冲击技术的多方位加工方法，其特征在于：所述铝箔吸收层的厚度为0.1mm。
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