CN115198084A - 一种超声辅助激光喷丸复合强化的设备及方法 - Google Patents

一种超声辅助激光喷丸复合强化的设备及方法 Download PDF

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CN115198084A CN202210915110.5A CN202210915110A CN115198084A CN 115198084 A CN115198084 A CN 115198084A CN 202210915110 A CN202210915110 A CN 202210915110A CN 115198084 A CN115198084 A CN 115198084A
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孟宪凯
冷旭忞
袁志超
周吉
单翀
张彦虎
李建伟
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Jiangsu University
Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
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Shanghai Institute Of Laser Plasma China Academy Of Engineering Physics
Jiangsu University
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Abstract

本发明属于激光喷丸复合强化领域，提供一种超声辅助激光喷丸复合强化的设备及方法。其可至少部分解决现有的超声冲击装置难以激光喷丸装置随动的问题。本发明的超声辅助激光喷丸复合强化的设备，包括激光喷丸装置、超声装置、旋转机构、传动装置、可调机械平台，所述传动机构包括依次连接的蜗轮蜗杆传动装置、皮带轮传动装置、凸型轴、齿轮传动装置，所述蜗轮蜗杆装置安装在所述下底板上，所述蜗轮蜗杆传动装置的输入轴与电机连接，所述旋转机构与所述齿轮传动装置连接，所述旋转机构上安装有所述激光喷丸装置和所述超声装置，所述齿轮传动装置能够带动旋转机构转动。

Description

一种超声辅助激光喷丸复合强化的设备及方法
技术领域
本发明属于激光喷丸复合强化领域，特别涉及一种超声辅助激光喷丸复合强化的设备及方法。
背景技术
激光喷丸技术利用纳秒脉冲激光与材料相互作用产生的冲击波，实现金属材料表面强化与成形加工。但激光诱导冲击波冲击金属材料表面时，会形成干扰波，导致冲击边缘区域产生反向塑性变形，材料表面粗糙度随之降低，不能得到有效的强化，并且激光束诱导的冲击波压力作用时间短，导致零件表面残余压应力幅值低、晶粒细化程度低，强化/成形效果及其可控性较差。超声辅助形变强化技术可以在更低形变载荷条件下有效提高材料的屈服强度和拉伸强度，并且该技术成熟且价格低廉，在激光加工技术中得到了广泛应用。
中国发明专利申请CN108796206A公开了一种激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置及方法，该方法采用中空的超声装置能量不集中，无法修复激光喷丸对工件表面产生的粗糙度，且激光束需要贯穿超声冲击装置，这对超声装置的制造提出了很高的精度要求，激光光路难以调节，加工效率低下。中国发明专利申请CN110512071A提出了一种中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置及加工方法，但激光诱导的冲击波能量由圆形光斑的中心处向外扩散并逐渐减弱，该发明在激光喷丸过程中，圆形光斑的中心落在了超声冲击头上，激光喷丸的作用大幅度降低，这使得激光喷丸的效果不佳，无法改善激光冲击波压力幅值低，并且对超声冲击头造成一定损坏，没有实现激光冲击波与超声冲击波的有效复合。
发明内容
本发明的目的是针对上述强化技术的缺陷，提供了一种超声辅助激光喷丸复合强化设备及方法，克服了上述问题或者至少部分地解决了上述问题。
第一方面，本发明实施例提供一种超声辅助激光喷丸复合强化的设备，包括激光喷丸装置、超声装置、旋转机构、传动装置、可调机械平台，所述可调机械平台包括下底板、上平台、连接在下底板和上平台之间的液压柱，所述可调机械平台上安装有所述传动装置，所述传动机构包括依次连接的蜗轮蜗杆传动装置、皮带轮传动装置、凸型轴、齿轮传动装置，所述蜗轮蜗杆装置安装在所述下底板上，所述蜗轮蜗杆传动装置的输入轴与电机连接，所述旋转机构与所述齿轮传动装置连接，所述旋转机构上安装有所述激光喷丸装置和所述超声装置，所述齿轮传动装置能够带动旋转机构转动。
可选地，所述旋转机构包括十字转向轴、转向支承座、转向盘，所述十字转向轴的一端安装在所述齿轮传动装置输出端的十字型孔内，所述十字转向轴的另一端与所述转向盘的十字型孔连接，所述十字转向轴的中部安装在所述转向支撑座的十字型孔内。
可选地，所述旋转机构还包括蓄水环，所述蓄水环安装在转向支撑座的一端，所述蓄水环内部设置有第一环形水路，所述转向盘的内部设置有第二环形水路，所述第一环形水路与第二环形水路连通，所述蓄水环上设置有第一进水孔，所述第一进水孔与第一进水管相连。
可选地，所述激光喷丸装置包括光路通道、至少两个滑动装置、水枪、激光头，所述十字转向轴设置有中心孔，所述光路通道固定安装在所述十字转向轴的内部的通孔内，所述激光头安装在所述光路通道的一端；所述转向盘上设置有至少两个滑道，至少两个所述滑动装置安装在所述滑道上，所述水枪和所述超声装置分别安装在两个相对的所述滑动装置上，所述水枪上设置有第二进水孔，所述第二进水孔通过水管与所述转向盘的出水孔连接。
可选地，所述光路通道的两端通过内置轴承固定在所述十字转向轴内部。
可选地，所述涡轮蜗杆传动装置包括涡轮、蜗杆、壳体、输入轴、输出轴，所述涡轮和所述蜗杆安装在所述壳体内，所述电机与所述输入轴连接；
可选地，所述皮带轮传动装置包括呈四边形排布的第一带轮、第二带轮、第三带轮、第四带轮、带轮调节装置、传动支承座、皮带，所述带轮调节装置安装在所述下底板上，所述带轮调节装置上部沿水平方向设置有两个固定轴，所述上平台上设置有所述传动支承座，所述传动支承座上设置有用于安装凸型轴，所述第三带轮安装在所述蜗轮蜗杆传动装置的输出轴上，所述第一带轮和所述第二带轮位于所述第一带轮上方且安装在所述固定轴上，所述第一带轮、所述第二带轮呈水平排布，所述第四带轮安装在所述凸型轴的一端上，所述皮带固定在四个所述带轮上。
可选地，所述带轮调节装置上设置有可沿水平方向相对滑动的第一滑块、第二滑块，所述第一滑块和所述第二滑块上分别安装有所述固定轴。
可选地，所述凸型轴的中部安装在传动支承座的凸型孔内，所述凸型轴的另一端安装在齿轮传动装置下端的凸型孔内。
可选地，所述齿轮传动装置安装在所述上平台，所述齿轮传动装置包括第一齿轮、第二齿轮，所述第一齿轮上设置有与所述凸型轴配合的凸型通孔。
可选地，所述第二齿轮带有与所述十字型转向轴相配合的十字型通孔。
可选地，所述超声装置包括超声冲击头、变幅杆、超声换能器；所述超声换能器顶部与法兰盘相连，所述法兰盘安装在滑动装置上，所述法兰盘与所述滑动装置之间能够相对转动；所述换能器底部安装所述变幅杆，所述变幅杆末端安装有所述超声冲击头。
第二方面，本发明实施例提供一种超声辅助激光喷丸复合强化的方法，采用上述的设备，具体实施步骤如下：
步骤一：将激光束对准所述光路通道，并对准待加工工件；
步骤二：调节超声装置的位置，使超声冲击头与激光束在工件表面的直线距离，开启超声装置；
步骤三：为第一进水管供水，水经蓄水环和转向盘，最终由水管和水枪流出，为待加工工件提供约束层；
步骤四：控制电机，通过传动机构和转向机构，使得转向盘在规定位置转动，在待加工工件移动时，保证超声冲击路径紧跟随激光喷丸路径。
可选地，所述步骤二中超声振动模态为纵向振动或者呼吸式振动；超声振动频率为20kHz～28kHz，超声振幅为10～30μm。
本发明的实施例的超声辅助激光喷丸复合强化设备中，通过电机带动传动装置，传动装置带动旋转装置转动，进而实现超声装置的轨迹紧随激光喷丸装置，即超声装置与激光喷丸装置随动，提高的工件表面残余压应力的幅值和持续时间，获得了较光整的表面，提高强化效果，节约加工成本。可加工各种复杂的曲面工件，如叶片、保险杠等，且加工效率高和资源利用率高。
附图说明：
图1为本发明实施例的旋转机构、传动装置、可调机械平台的整体结构示意图；
图2为本发明实施例的可调机械平台的结构示意图；
图3(a)和图3(b)为本发明实施例的涡轮蜗杆传动机构的结构示意图
图4(a)和图4(b)为本发明实施例的齿轮传动装置的结构示意图；
图5为本发明实施例的带轮调节装置的结构示意图；
图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)为本发明实施例的转向机构的结构示意图；
图7为本发明实施例的采用超声辅助激光喷丸复合强化设备加工工件的示意图；
图8为本发明实施例的一种超声辅助激光喷丸复合强化设备的结构示意图；
图中：
1-上平台；2-液压柱；3-滑轨；4-可调机械平台；5-第一带轮；6-第二带轮；7-第三带轮；8-第四带轮；9-传动支承座；10-凸型轴；11-齿轮装置；12-带轮调节装置；13-皮带；14-缸体；15-输出轴；16-涡轮；17-蜗杆；18-输入轴；19-第一齿轮；20-第二齿轮；21-固定轴；22-第一滑块；23-第二滑块；24-转向盘；25-U型滑道；26-进水孔；27-环形水路；28-蓄水环；29-转向支承座；30；31-轴承；32-光路通道；33-出水孔；34-激光头；35-水管；36-滑动装置；37-水枪；38-法兰盘；39-超声装置；40-超声换能器；41-变幅杆；42-超声冲击头；43-工件；44-激光束；45-约束层；46-进水管；47-下底板；48-电机。
具体实施方式：
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
可以理解的是，此处描述的具体实施例和附图仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
可以理解的是，在不冲突的情况下，本发明的各实施例及实施例中的各特征可相互组合。
可以理解的是，为便于描述，本发明的附图中仅示出了与本发明实施例相关的部分，而与本发明实施例无关的部分未在附图中示出。
第一方面，参照图1至图8，本发明实施例提供一种超声辅助激光喷丸复合强化的设备。
本发明实施例的超声辅助激光喷丸复合强化的设备，包括激光喷丸装置、超声装置、旋转机构、传动装置、可调机械平台，所述可调机械平台包括下底板47、上平台1、连接在下底板和上平台之间的液压柱2，所述可调机械平台上安装有所述传动装置，所述传动机构包括依次连接的蜗轮蜗杆传动装置、皮带轮传动装置、凸型轴、齿轮传动装置，所述蜗轮蜗杆装置安装在所述下底板47上，所述蜗轮蜗杆传动装置的输入轴与电机48连接，所述旋转机构与所述齿轮传动装置连接，所述旋转机构上安装有所述激光喷丸装置和所述超声装置，所述齿轮传动装置能够带动旋转机构转动。
所述可调机械平台的所述液压柱能够使上平台升降，以用于调整所述上平台和所述下底板之间的间距。
可选地，参照图6(a)至图6(d)，所述旋转机构包括十字转向轴30、转向支承座29、转向盘24，所述十字转向轴30的一端安装在所述齿轮传动装置输出端的十字型孔内，所述十字转向轴30的另一端与所述转向盘24的十字型孔连接，所述十字转向轴30的中部安装在所述转向支撑座29的十字型孔内。
可选地，参照图6(b)至图6(d)，所述旋转机构还包括蓄水环28，所述蓄水环28安装在转向支撑座29的一端，所述蓄水环28内部设置有第一环形水路27，所述转向盘24的内部设置有第二环形水路，所述第一环形水路27与第二环形水路27连通，所述蓄水环28上设置有第一进水孔33，所述第一进水孔33与第一进水管46相连。
其中，蓄水环28的第一进水孔33与第一进水管46相连，实现供水系统和转向机构互不干涉，在转向盘24旋转时，供水不间断。
可选地，参照图6(a)至图6(d)，所述激光喷丸装置包括光路通道32、至少两个滑动装置36、水枪37、激光头34，所述十字转向轴30设置有中心孔，所述光路通道32固定安装在所述十字转向轴30的内部的通孔内，所述激光头34安装在所述光路通道32的一端；所述转向盘24上设置有至少两个滑道25，至少两个所述滑动装置安装在所述滑道25上，所述水枪37和所述超声装置分别安装在两个相对的所述滑动装置36上，所述水枪37上设置有第二进水孔26，所述第二进水孔26通过水管35与所述转向盘24的出水孔连接。
当所述水管35供水时，水经蓄水环的内置环形水路和转向盘的内置环形水路，最终由水管和水枪流出，形成一个闭环的水循环系统，并为激光喷丸提供约束层。
作为本发明实施例的一种方式，所述滑动装置安装在转向盘的U型滑道内，可实现一定范围内的滑动。
可选地，所述光路通道32的两端通过内置轴承31固定在所述十字转向轴30内部。
可选地，参照图1、图3(a)至图3(b)、图8，所述涡轮蜗杆传动装置包括涡轮16、蜗杆17、壳体、输入轴18、输出轴15，所述涡轮16和所述蜗杆17安装在所述壳体内，所述电机48与所述输入轴15连接；
所述皮带轮传动装置包括呈四边形排布的第一带轮5、第二带轮6、第三带轮7、第四带轮8、带轮调节装置12、传动支承座9、皮带13，所述带轮调节装置12安装在所述下底板47上，所述带轮调节装置12上部沿水平方向设置有两个固定轴21，所述上平台1上设置有所述传动支承座9，所述传动支承座9上设置有用于安装凸型轴10，所述第三带轮7安装在所述蜗轮蜗杆传动装置的输出轴上，所述第一带轮5和所述第二带轮6位于所述第一带轮5上方且安装在所述固定轴21上，所述第一带轮5、所述第二带轮6呈水平排布，所述第四带轮8安装在所述凸型轴10的一端上，所述皮带13固定在四个所述带轮上。
可选地，参照图5，所述带轮调节装置12上设置有可沿水平方向相对滑动的第一滑块22、第二滑块23，所述第一滑块22和所述第二滑块23上分别安装有所述固定轴21。
其中，左滑块和右滑块可改变两个固定轴的中心距，以实现皮带轮的张紧，保证皮带的有效传动。
可选地，所述凸型轴10的中部安装在传动支承座9的凸型孔内，所述凸型轴10的另一端安装在齿轮传动装置下端的凸型孔内。
其中，所述传动支承座安装在上平台，所述凸型轴的中部安装在传动支承座的凸型孔内，能够保证凸型轴的刚性。
可选地，参照图4(a)至图4(b)，所述齿轮传动装置安装在所述上平台1，所述齿轮传动装置包括第一齿轮19、第二齿轮20，所述第一齿轮19上设置有与所述凸型轴10配合的凸型通孔。
作为本发明实施例的一种方式，第一齿轮和第二齿轮的齿数比为3：4；传动装置实现了动力源自下而上的传动，将带轮传动和齿轮的传动相结合，实现了所有零部件的最大利用率。
可选地，所述第二齿轮20带有与所述十字型转向轴30相配合的十字型通孔。
可选地，参照图7，所述超声装置39包括超声冲击头42、变幅杆41、超声换能器40；所述超声换能器40顶部与法兰盘38相连，所述法兰盘38安装在滑动装置36上，所述法兰盘38与所述滑动装置36之间能够相对转动；所述换能器40底部安装所述变幅杆41，所述变幅杆41末端安装有所述超声冲击头42。
第二方面，本发明实施例提供一种超声辅助激光喷丸复合强化的方法，采用上述的设备，具体实施步骤如下：
步骤一：将激光束44对准所述光路通道32，并对准待加工工件43；
步骤二：调节超声装置39的位置，使超声冲击头42与激光束44在工件43表面的直线距离，开启超声装置39；
步骤三：为第一进水管46供水，水经蓄水环28和转向盘24，最终由水管35和水枪37流出，为待加工工件提供约束层45；
步骤四：控制电机48，通过传动机构和转向机构，使得转向盘24在规定位置转动，在待加工工件43移动时，保证超声冲击路径紧跟随激光喷丸路径。
可选地，所述步骤二中超声振动模态为纵向振动或者呼吸式振动，超声振动频率为20kHz～28kHz，超声振幅为10～30μm。
可选地，的范围为4-8mm。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声辅助激光喷丸复合强化的设备，包括激光喷丸装置、超声装置、旋转机构、传动装置、可调机械平台，所述可调机械平台包括下底板(47)、上平台(1)、连接在下底板和上平台之间的液压柱(2)，所述可调机械平台上安装有所述传动装置，所述传动机构包括依次连接的蜗轮蜗杆传动装置、皮带轮传动装置、凸型轴、齿轮传动装置，所述蜗轮蜗杆装置安装在所述下底板(47)上，所述蜗轮蜗杆传动装置的输入轴与电机(48)连接，所述旋转机构与所述齿轮传动装置连接，所述旋转机构上安装有所述激光喷丸装置和所述超声装置，所述齿轮传动装置能够带动旋转机构转动。
2.根据权利要求1所述的超声辅助激光喷丸复合强化的设备，其特征在于，所述旋转机构包括十字转向轴(30)、转向支承座(29)、转向盘(24)，所述十字转向轴(30)的一端安装在所述齿轮传动装置输出端的十字型孔内，所述十字转向轴(30)的另一端与所述转向盘(24)的十字型孔连接，所述十字转向轴(30)的中部安装在所述转向支撑座(29)的十字型孔内。
3.根据权利要求2所述的超声辅助激光喷丸复合强化的设备，其特征在于，所述旋转机构还包括蓄水环(28)，所述蓄水环(28)安装在转向支撑座(29)的一端，所述蓄水环(28)内部设置有第一环形水路(27)，所述转向盘(24)的内部设置有第二环形水路，所述第一环形水路(27)与第二环形水路(27)连通，所述蓄水环(28)上设置有第一进水孔(33)，所述第一进水孔(33)与第一进水管(46)相连。
4.根据权利要求3所述的超声辅助激光喷丸复合强化的设备，其特征在于，所述激光喷丸装置包括光路通道(32)、至少两个滑动装置(36)、水枪(37)、激光头(34)，所述十字转向轴(30)设置有中心孔，所述光路通道(32)固定安装在所述十字转向轴(30)的内部的通孔内，所述激光头(34)安装在所述光路通道(32)的一端；所述转向盘(24)上设置有至少两个滑道(25)，至少两个所述滑动装置安装在所述滑道(25)上，所述水枪(37)和所述超声装置分别安装在两个相对的所述滑动装置(36)上，所述水枪(37)上设置有第二进水孔(26)，所述第二进水孔(26)通过水管(35)与所述转向盘(24)的出水孔连接。
5.根据权利要求4所述的超声辅助激光喷丸复合强化的设备，其特征在于，所述光路通道(32)的两端通过内置轴承(31)固定在所述十字转向轴(30)内部。
6.根据权利要求1所述的超声辅助激光喷丸复合强化的设备，其特征在于，所述涡轮蜗杆传动装置包括涡轮(16)、蜗杆(17)、壳体、输入轴(18)、输出轴(15)，所述涡轮(16)和所述蜗杆(17)安装在所述壳体内，所述电机(48)与所述输入轴(15)连接；
所述皮带轮传动装置包括呈四边形排布的第一带轮(5)、第二带轮(6)、第三带轮(7)、第四带轮(8)、带轮调节装置(12)、传动支承座(9)、皮带(13)，所述带轮调节装置(12)安装在所述下底板(47)上，所述带轮调节装置(12)上部沿水平方向设置有两个固定轴(21)，所述上平台(1)上设置有所述传动支承座(9)，所述传动支承座(9)上设置有用于安装凸型轴(10)，所述第三带轮(7)安装在所述蜗轮蜗杆传动装置的输出轴上，所述第一带轮(5)和所述第二带轮(6)位于所述第一带轮(5)上方且安装在所述固定轴(21)上，所述第一带轮(5)、所述第二带轮(6)呈水平排布，所述第四带轮(8)安装在所述凸型轴(10)的一端上，所述皮带(13)固定在四个所述带轮上。
7.根据权利要求6所述的超声辅助激光喷丸复合强化的设备，其特征在于，所述带轮调节装置(12)上设置有可沿水平方向相对滑动的第一滑块(22)、第二滑块(23)，所述第一滑块(22)和所述第二滑块(23)上分别安装有所述固定轴(21)。
8.根据权利要求6所述的超声辅助激光喷丸复合强化的设备，其特征在于，所述凸型轴(10)的中部安装在传动支承座(9)的凸型孔内，所述凸型轴(10)的另一端安装在齿轮传动装置下端的凸型孔内。
9.根据权利要求2或6所述的超声辅助激光喷丸复合强化的设备，其特征在于，所述齿轮传动装置安装在所述上平台(1)，所述齿轮传动装置包括第一齿轮(19)、第二齿轮(20)，所述第一齿轮(19)上设置有与所述凸型轴(10)配合的凸型通孔；所述第二齿轮(20)带有与所述十字型转向轴(30)相配合的十字型通孔。
10.根据权利要求2所述的超声辅助激光喷丸复合强化的设备，其特征在于，所述超声装置(39)包括超声冲击头(42)、变幅杆(41)、超声换能器(40)；所述超声换能器(40)顶部与法兰盘(38)相连，所述法兰盘(38)安装在滑动装置(36)上，所述法兰盘(38)与所述滑动装置(36)之间能够相对转动；所述换能器(40)底部安装所述变幅杆(41)，所述变幅杆(41)末端安装有所述超声冲击头(42)。
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