CN113210874A - 一种通过激光冲击强化路径重构加工表面纹理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及零件加工表面纹理加工方法的研究，具体涉及一种通过控制激光冲击强化路径重构加工表面纹理的方法。通过从试件的内圆孔表面提取出表面偏度和峰度等表面纹理特征参数，并确定已加工表面的材料流动方向；据此确定出激光冲击强化的轨迹路径，通过激光冲击强化光斑的搭接和堆叠，使强化后表面的材料流动能逆向改变强化前表面材料的流动趋势；通过标定的激光光斑搭接率与强化后表面的偏度和峰度之间的关联，确定出最佳的光斑搭接率；依据前述得到的强化轨迹路径和光斑搭接率，执行激光冲击强化，在内孔表面上重构出具有良好抗疲劳性能的表面纹理特征。

Description

一种通过激光冲击强化路径重构加工表面纹理的方法
技术领域
本发明涉及零件加工表面纹理加工方法的研究，具体涉及一种通过控制激光冲击强化路径重构加工表面纹理的方法。
背景技术
在振动等随机循环载荷作用下相互连接的机械构件之间易产生幅度为几十微米量级的微小相对运动，由此产生的微动损伤会导致疲劳裂纹过早成核。这是相互接触的零部件发生疲劳断裂失效的重要原因，会严重降低构件的服役寿命和服役安全性。如何针对性地提出简单可靠的表面强化处理方法，对面向构件功能和性能的制造具有十分重要的意义。激光冲击强化作为一种广泛采用的用于提高零件和构件疲劳寿命的表面强化方法，主要得益于其能够在加工表面的表层和次表层内引入很大的残余压应力，从而有效地提高构件抵抗疲劳裂纹扩展的能力。然而，在激光冲击强化过程中，由于激光冲击的等离子体在零件待处理表面爆破后能产生高达1GPa的冲击载荷，使得零件表面发生明显的塑性变形，形成许多不均匀分布的微小凹坑。因此，零件原始表面的纹理特征状态发生了改变，并进一步影响到零件表面的功能和性能特性。激光冲击强化引入的残余压应力可以提高疲劳裂纹的扩展寿命，但却不能明显提高疲劳裂纹的萌生寿命。原因在于通过常规的激光冲击强化路径所构建的表面纹理特征在微观层面具有无序性，因而无法通过所得到的表面纹理控制微动疲劳裂纹的萌生行为。
专利CN112113835A揭示了加工表面的纹理特征参数与微动疲劳裂纹的萌生位置直接相关，微动疲劳裂纹易萌生于表面偏度和峰度值较高的一侧，且当表面偏度为正值、表面峰度值大于3时，更易萌生微动疲劳裂纹，但并未针对性地提出改变表面纹理偏度和峰度的方法；专利CN103898313B公开了一种涡轮盘榫槽结构的激光冲击强化方法，可实现小区域的精确应力调控；专利CN103320579B公开了一种激光冲击飞机涡轮叶片的方法与装置，可以使飞机涡轮叶片不发生变形与破裂，并获得均匀的残余压应力分布；专利CN111575476A公开了一种以逐点的方式对叶片边缘进行冲击强化的方法，使冲击轨迹路线沿曲线轨迹间歇式行进，保证冲击效果的一致性。
总之，上述文献中揭示的现有技术存在的不足有：①激光冲击强化多被用于在零件的表层和次表层内引入较大的残余压应力，低估了激光冲击强化在表面纹理构建中的应用可能性；②由于微动疲劳裂纹均从接触表面开始萌生，现有激光冲击强化方法忽略了强化工艺对表面纹理的影响，并缺乏针对性的提出通过控制激光冲击强化路径达到构建表面纹理特征的方法；③缺乏一种工程应用中基于表面纹理参数的特定功能的要求，通过工艺路径规划达到构建特定表面纹理的简便可靠的方法。因此，针对现有激光冲击强化技术的应用和高服役性能表面纹理构建的工艺方法方面尚存在的不足，需要进一步改进和完善。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种通过控制激光冲击强化路径重构加工表面纹理的方法，根据强化前已加工表面的初始表面的偏度和峰度纹理特征和初始表面的材料流动方向，先确定激光冲击强化的轨迹路径；通过标定的激光光斑搭接率与强化后表面的偏度和峰度之间的关联，确定最佳的光斑搭接率；从而，依据前述得到的强化轨迹路径和光斑搭接率，执行激光冲击强化，在内孔表面上重构出具有特定功能和性能的表面纹理特征。
为解决以上技术问题，本发明采用如下的技术方案：
①构建测量坐标系，测定强化前内孔面(102)的初始偏度和峰度值；
在切削加工得到的内孔试件上构建内圆孔试件坐标系O-XcYcZc，过圆柱形通孔的轴线，将内圆孔试件沿其两个互相垂直的对称面Xc-O-Zc和Yc-O-Zc切下四分之一体积作为试样；将所述内圆孔试件的坐标系O-XcYcZc绕OZc轴顺时针旋转45°后构建出试样坐标系O-XsYsZs，确定所述试样的内孔面、内孔轴线、对称面和测量放置平面，所述对称面穿过内孔轴线并且与试样的坐标系O-XsYsZs的Ys-O-Zs面平行。
建立光学显微镜坐标系Ow-XwYwZw，并测量试样的表面形貌轮廓；将试样以测量放置平面为摆放面，将试样置于白光干涉仪或激光共聚焦等光学显微镜的载物台上；基于试样坐标系O-XsYsZs调整试样，使待测内孔面的内孔轴线平行于显微镜坐标系的Xw轴，且显微镜扫描光束照射于待测内孔面中部最底位置处，保证待测内孔面与显微镜扫描光束所在的方向垂直，使显微镜扫描路径垂直于内孔轴线，测量出试样的待测内孔面的表面形貌轮廓图像。
从测量所得的表面形貌图像上，相对于过内孔轴线的对称面，在每一侧对称地选取出覆盖率为75％～90％的矩形第一目标区域和第二目标区域，既能较大程度的覆盖整个待测内孔面的形貌信息，又消除了试样外围边界区域可能存在的加工缺陷和无法测量的曲面区域造成的干扰影响；从所述目标区域内提取出各自的表面偏度RskL和RskR、表面峰度数值RkuL和RkuR，并由此确定出式(一)中的四个待标定系数。
Figure BDA0003000702000000031
式(一)中，K1,2为所述目标区域内偏度的待标定系数，K3,4为所述目标区域内峰度的待标定系数，rh为待强化内孔面所在圆孔的半径，d为待强化内孔面的深度。
进一步地，在进行测量前，所有试样需先放入超声清洗设备中进行清洗，去除表面的残留油质、颗粒物和灰尘等。
②标定表面偏度和峰度与搭接率之间的关系式
设置5组不同的激光光斑搭接率：25％、30％、35％、40％、45％，分别在一组通过相同加工方式得到的内孔面上进行强化。强化后，按照上述步骤①中的测量方式，测得强化后的表面偏度和峰度等表面纹理特征参数。
进一步地，绘制强化后表面的偏度和峰度与搭接率之间的图像，并采用多项式对其进行拟合，得到表面偏度和峰度与搭接率之间的定量函数关系式：
Figure BDA0003000702000000032
式(二)中，RskLSP和RkuLSP分别为强化后表面的偏度和峰度值，rT为强化后表面上光斑的周向搭接率，rA为强化后表面上光斑的轴向搭接率。
进一步地，激光冲击强化后表面的偏度与光斑搭接率之间近似存在以下关系式：
RskLSP≈K1,2·rTπ(dl/2)2nTmA (三)
式(三)中，K1,2为由式(一)标定得到的系数，dl为光斑直径，nT为内孔面上周向光斑的数量，mA为冲击路径沿内孔面上轴向的列数，分别由式和式表示：
Figure BDA0003000702000000033
由上述式(一)～式(四)即可确定出内孔面上光斑的周向搭接率rT和轴向搭接率rA之间的关系式。
③确定激光冲击强化轨迹路径
激光冲击强化的轨迹路径的设计需依据强化前已加工表面的材料流动方向或切削加工中的切削速度方向进行确定。
进一步地，当采用强化前已加工内孔面的材料流动方向进行确定时，通过光学显微镜或扫描电镜观察已加工内孔面的次表层内材料的微观组织变形流动方向，即为已加工表面的材料流动方向。
进一步地，当采用切削加工中的切削速度方向进行确定时，需根据切削加工中实际采用的加工方式进行确定。若为车削加工，则该方向为工件的旋转方向；若为铣削或钻削加工，则该方向为铣刀或钻头的旋转方向。
进一步地，强化前内孔面的材料流动方向或切削速度方向确定后，激光冲击强化轨迹路径的设计原则为：通过激光冲击强化光斑的搭接和堆叠，使强化后表面的材料流动能逆向改变强化前内孔面材料的流动趋势。
④执行激光冲击强化，确定搭接率
由上述步骤①～步骤③得到的表面偏度和峰度值，满足下式(五)条件的强化后表面偏度和峰度数值所对应的光斑搭接率即为激光冲击强化中需采用的最佳搭接率。
Figure BDA0003000702000000041
式(五)中，Rskqi和Rkuqi分别为强化后第i个表面(对应于第i个搭接率，i＝1,2,3…,5)的偏度和峰度值。
进一步地，结合上述激光冲击强化的轨迹路径和最佳光斑搭接率，执行激光冲击强化，在内孔表面上重构出具有特定功能和性能的表面纹理特征。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：由于内孔表面的抗微动疲劳对特定表面纹理特性有一定要求，本发明通过规划激光冲击头的运动轨迹和光斑搭接率，在内孔表面上构建表面纹理，改变原始表面的表面偏度和峰度数值，从而提高表面抵抗微动疲劳裂纹萌生的能力；本发明通过反向对称强化工艺路径的设计，将原始强化前的加工表面的高偏度和高峰度值发生逆向转变，降低强化后表面的偏度和峰度数值分布，使得表面纹理特性更有利于抵抗微动疲劳裂纹的萌生；本发明通过提取强化前初始表面的表面纹理特性参数，并分离出待强化区域的表面偏度和峰度数值，自动规划激光冲击强化的路径和搭接率，从而得到满足抗微动疲劳裂纹萌生的特定表面纹理。
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地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为内圆孔试件示意图；
图2为本发明之表面纹理测量示意图；
图3为本发明之表面偏度和表面峰度数值的目标区域选取示意图；
图4为本发明之激光冲击强化路径示意图；
图5为本发明方法之流程图；
图6为本发明之实施例中强化前后表面偏度和峰度变化情况；
图7为本发明之实施例中强化后试件的微动疲劳寿命提升对比；
在图中：1内圆孔试件、101试样、102内孔面、102a第一目标区域、102b第二目标区域、103内孔轴线、104对称面、105测量放置平面、2激光冲击头、201摆动方向、202光斑、203激光冲击强化轨迹路径、203a强化路径一、203b强化路径二、204强化后的表面、3显微镜坐标系、301显微镜扫描镜头、302显微镜扫描光束、303显微镜扫描路径、4试件坐标系、5试样坐标系、6切削速度方向、601材料流动方向。
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付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。
①构建测量坐标系，测定强化前内孔面102的初始偏度和峰度值；
在切削加工内圆孔试件1上构建试件坐标系4，过圆柱形通孔的轴线，将内圆孔试件1沿其两个互相垂直的对称面Xc-O-Zc和Yc-O-Zc切下四分之一体积作为试样101；将所述试件坐标系4绕OZc轴顺时针旋转45°后构建出试样坐标系5，确定所述试样101的内孔面102、内孔轴线103、对称面104和测量放置平面105，所述对称面104穿过内孔轴线103并且与试样坐标系5的Ys-O-Zs面平行。
建立光学显微镜坐标系3，并测量试样101的表面形貌轮廓；将试样101以测量放置平面105为摆放面，将试样101置于白光干涉仪或激光共聚焦等光学显微镜的载物台上；基于试样坐标系5调整试样101，使待测内孔面102的内孔轴线103平行于显微镜坐标系3的Xw轴，且显微镜扫描光束302照射于待测内孔面102中部最底位置处，保证待测内孔面102与显微镜扫描光束302所在的方向垂直，使显微镜扫描路径303垂直于内孔轴线103，测量出试样101的待测内孔面102的表面形貌轮廓图像。
从测量所得的表面形貌图像上，相对于过内孔轴线103的对称面104，在每一侧对称地选取出覆盖率为65％～90％的矩形第一目标区域102a和第二目标区域102b，既能较大程度的覆盖整个待测内孔面的形貌信息，又消除了试样外围边界区域可能存在的加工缺陷和无法测量的曲面区域造成的干扰影响；从所述目标区域102a和102b内提取出各自的表面偏度RskL和RskR、表面峰度数值RkuL和RkuR，并由此确定出式(一)中的四个待标定系数。
Figure BDA0003000702000000061
式(一)中，K1,2为目标区域102a和102b的偏度的待标定系数，K3,4为目标区域102a和102b的峰度的待标定系数，rh为内孔面102所在圆孔的半径，d为内孔面102的深度。
测量前，试样101需先放入超声清洗设备中进行清洗，去除表面的残留油质、颗粒物和灰尘等。
②标定表面偏度和峰度与搭接率之间的关系式；
设置五组不同的激光光斑搭接率：25％、30％、35％、40％、45％，分别在一组通过相同加工方式得到的试样101内孔面102上进行强化。强化后，按照上述步骤①中的测量方式，测得强化后表面204的偏度和峰度等表面纹理特征参数。
进一步地，绘制强化后表面204的偏度和峰度与搭接率之间函数图像，并采用多项式对其进行拟合，得到表面偏度和峰度与搭接率之间的定量函数关系式：
Figure BDA0003000702000000071
式(二)中，RskLSP和RkuLSP分别为强化后表面204的偏度和峰度值，rT为强化后表面204上光斑202的周向搭接率，rA为强化后表面204上光斑202的轴向搭接率。激光冲击强化后表面204的偏度和峰度与光斑搭接率之间近似存在以下关系式(三)：
Figure BDA0003000702000000072
式(三)中，K1,2和K3,4为由式(一)标定得到的系数，dl为光斑202的直径，nT为内孔面102上周向光斑202的数量，mA为激光冲击强化路径203在内孔面102的轴向的列数，由式(四)表示：
Figure BDA0003000702000000073
由上述式(一)～式(四)即可确定出光斑202的周向搭接率rT和轴向搭接率rA之间的关系式。
③确定激光冲击强化轨迹路径203；
激光冲击强化轨迹路径203的设计需依据强化前已加工表面的材料流动方向601或切削加工的切削速度方向6进行确定。当采用强化前内孔面102的材料流动方向601进行确定时，通过光学显微镜或扫描电镜观察已加工内孔面102的次表层内材料的微观组织变形流动方向，即为已加工表面的材料流动方向601。当采用切削加工中的切削速度方向6进行确定时，需根据切削加工中实际采用的加工方式进行确定。若为车削加工，则该方向为工件的旋转方向；若为铣削或钻削加工，则该方向为铣刀或钻头的旋转方向。
强化前内孔面102的材料流动方向601或切削加工中的切削速度方向6确定后，激光冲击强化轨迹路径203的设计原则为：通过激光冲击强化光斑202的搭接和堆叠，使强化后表面204的材料流动能逆向改变强化前内孔面102的材料流动趋势。
③执行激光冲击强化，确定最佳搭接率；
由上述步骤①～步骤③得到的表面偏度和峰度值，满足下式(五)条件的强化后表面偏度和峰度数值所对应的光斑搭接率即为激光冲击强化中需采用的最佳搭接率。
Figure BDA0003000702000000081
式(五)中，Rskqi和Rkuqi分别为强化后第i个表面(对应于第i个搭接率，i＝1,2,3…,5)的偏度和峰度值。
结合上述激光冲击强化轨迹路径203和最佳光斑搭接率，通过控制激光冲击头2的摆动方位201执行表面强化操作，在内孔面102上重构出具有特定功能和性能的表面纹理特征的强化后表面204。
具体实施例：
以圆孔直径为
Figure BDA0003000702000000082
的试件1为例，通过四组不同的铣削加工参数得到四组加工内孔面102，组号为MG1、MG2、MG3和MG4。使用本发明提出的方法，通过式(一)～式(四)计算得光斑202的周向和轴向最佳搭接率分别为45％和40％。在此基础上，设定两种不同的激光冲击强化路径203a和203b(附图4)，分别强化内孔面102，得到强化后表面204。对比各组试件1的强化前后的表面偏度和峰度值(附图6)，以及微动疲劳寿命(附图7)。由结果可知，通过激光冲击强化路径重构加工表面纹理，使切削加工内孔面102的表面偏度和峰度数值由正值逆向转变为负值，表面峰度值降低至3左右，达到重构表面纹理改善表面性能的目的。同时，可使试件的微动疲劳寿命提高一倍以上(附图7)。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种通过激光冲击强化路径重构加工表面纹理的方法，其特征在于包括以下步骤：
①构建测量坐标系，测定强化前内孔面(102)的初始偏度和峰度值；
对加工后内圆孔试件(1)进行特征划分并构建内圆孔试件(1)的坐标系O-XcYcZc(4)，从内圆孔试件(1)上取下试样(101)，并将内圆孔试件(1)的坐标系O-XcYcZc(4)绕OZc轴顺时针旋转45°后构建出试样(101)的坐标系O-XsYsZs(5)，确定试样(101)的内孔面(102)、内孔轴线(103)、对称面(104)和测量放置平面(105)，所述对称面(104)穿过内孔轴线(103)并且与试样(101)的坐标系O-XsYsZs(5)的Ys-O-Zs面平行；在对称面(104)两侧分别选取第一目标区域(102a)和第二目标区域(102b)，从所述第一目标区域(102a)和第二目标区域(102b)内提取出各自的表面偏度RskL和RskR、表面峰度数值RkuL和RkuR；并由此确定出待标定系数：
Figure FDA0003000701990000011
式(一)中，K1,2为目标区域(102a)和(102b)的偏度的待标定系数，K3,4为目标区域(102a)和(102b)的峰度的待标定系数，rh为内孔面(102)所在圆孔的半径，d为内孔面(102)的深度；
②标定表面偏度和峰度与搭接率之间的关系式；
设置五组不同的激光光斑搭接率：25％、30％、35％、40％、45％，分别在一组通过相同加工方式得到的试样(101)的内孔面(102)上进行强化；按照上述步骤①中的测量方式，测得强化后表面(204)的偏度和峰度等表面纹理特征参数，绘制强化后表面(204)的偏度和峰度与搭接率之间函数图像，并采用多项式对其进行拟合，得到表面偏度和峰度与搭接率之间的定量函数关系式：
Figure FDA0003000701990000012
式(二)中，RskLSP和RkuLSP分别为强化后表面(204)的偏度和峰度值，rT为强化后表面(204)上光斑(202)的周向搭接率，rA为强化后表面(204)上光斑(202)的轴向搭接率；激光冲击强化后表面(204)的偏度和峰度与光斑搭接率之间存在以下关系式：
Figure FDA0003000701990000021
式(三)中，K1,2和K3,4为由式(一)标定得到的系数，dl为光斑(202)的直径，nT为内孔面(102)上周向光斑(202)的数量，mA为激光冲击强化路径(203)在内孔面(102)的轴向的列数，由以下关系式确定：
Figure FDA0003000701990000022
由上述式(一)～式(四)即可确定出光斑(202)的周向搭接率rT和轴向搭接率rA之间的关系式；
③确定激光冲击强化轨迹路径(203)；
依据强化前已加工内孔面(102)的材料流动方向(601)或切削加工的切削速度方向(6)确定激光冲击强化轨迹路径(203)；当采用强化前内孔面(102)的材料流动方向(601)进行确定时，通过光学显微镜或扫描电镜观察已加工内孔面(102)的次表层内材料的微观组织变形流动方向，即激光冲击强化轨迹路径(203)为已加工表面的材料流动方向(601)；当采用切削加工中的切削速度方向(6)进行确定时，激光冲击强化轨迹路径(203)为切削加工的主运动方向；
④执行激光冲击强化，确定搭接率；
由上述步骤①～③得到的表面偏度和峰度值，满足下式(五)强化后表面(204)的偏度和峰度数值所对应的光斑搭接率即为激光冲击强化中需采用的最佳搭接率；
Figure FDA0003000701990000023
式(五)中，Rskqi和Rkuqi分别为强化后第i个表面(对应于第i个搭接率，i＝1,2,3…,5)的偏度和峰度值。
2.根据权利要求1所述的一种通过激光冲击强化路径重构加工表面纹理的方法，其特征在于：所述步骤③中强化前已加工内孔面(102)的材料流动方向(601)或切削加工中的切削速度方向(6)确定后，激光冲击强化轨迹路径(203)的设计原则为：通过激光冲击强化光斑(202)的搭接和堆叠，使强化后表面(204)的材料流动逆向改变强化前加工内孔面(102)的材料流动趋势。
3.根据权利要求1所述的一种通过激光冲击强化路径重构加工表面纹理的方法，其特征在于，所述步骤③和④为：结合上述激光冲击强化轨迹路径(203)和最佳光斑搭接率，通过控制激光冲击头(2)的摆动方位(201)执行表面强化操作，在内孔面(102)上重构出具有特定功能和性能的表面纹理特征的强化后表面(204)。
4.根据权利要求1所述的一种通过激光冲击强化路径重构加工表面纹理的方法，其特征在于：所述方法主要在内孔面(102)上构建出具有抵抗微动磨损和微动疲劳裂纹萌生性能的表面负偏度和峰度小于等于3的纹理特征。
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