CN203992823U - 一种激光冲击强化薄壁零件边缘的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光冲击强化薄壁零件边缘的装置，包括表面路径复制系统和激光冲击系统，所述表面路径复制系统包括纵向支架、靠紧装置、控制杆、控制盒、固定支架和工作台；所述激光冲击系统包括轨道支架、电机组、激光头和用于待冲击零件放置的冲击工作台。本实用新型主要利用相似形原理，通过靠紧装置贴紧待冲击零件的表面，表面路径复制系统实时将靠紧装置中靠块的运动轨迹传输给激光冲击系统，通过调整激光头的运动使激光光斑的运动轨迹与靠块保持同步，从而实现对薄壁零件边缘的激光冲击强化。本实用新型具有成本低、操作简单并能保证激光垂直入射等优点。

Description

一种激光冲击强化薄壁零件边缘的装置

技术领域

本实用新型涉及激光冲击强化领域，具体地说是一种激光冲击强化薄壁零件边缘的装置。

背景技术

大型鼓风机、压缩机、航空发动机等透平机械都具有复杂曲面的叶片，而叶片的性能及使用寿命直接决定了整机的寿命与质量。在工作过程中，叶片的边缘极易产生磨损并形成微裂纹，由于叶片边缘厚度相对较薄，边缘处的裂纹极易扩散从而造成叶片的迅速失效，大幅降低叶片寿命。

激光冲击强化技术能够方便的在工件表面引入残余压应力，从而抑制工件表面产生微裂纹等疲劳破坏，大幅延长工件的使用寿命，美国等发达国家把激光冲击强化技术大量应用于强化发动机叶轮等高负荷零件。

根据目前的研究，入射激光垂直于工件表面时强化的效果最佳，而斜冲击引发的光斑搭接问题和功率密度不均问题使得工件表面难以得到均匀一致的残余压应力，零件表面存在残余拉应力的隐患难以消除。

目前，国内能够保证入射激光始终垂直于复杂曲面表面的激光冲击设备不多，能实现此功能的设备主要依靠国外进口的五轴联动激光加工机床，其成本较高，难以大规模应用，因此，需要开发一套能够使激光完成复杂曲线路径的同时保证激光垂直入射于工件表面的装置及其方法。

实用新型内容

根据上述提出的由于斜冲击引发的光斑搭接问题和功率密度不均问题，使得工件表面难以得到均匀一致的残余压应力，零件表面存在残余拉应力的隐患难以消除技术问题，而提供一种低成本、适用于复杂曲面表面激光冲击强化薄壁零件边缘的装置。本实用新型主要利用相似形原理，通过路径复制系统将靠块的行走路径实时传输给激光冲击系统，使激光光斑的运动路径与靠块的运行轨迹一致从而实现对复杂曲面的冲击强化。

本实用新型采用的技术手段如下：

一种激光冲击强化薄壁零件边缘的装置，包括表面路径复制系统和激光冲击系统，其特征在于：

所述表面路径复制系统包括纵向支架、靠紧装置、控制杆、控制盒、固定支架和工作台；所述纵向支架包括纵向支架Ⅰ和纵向支架Ⅱ，所述纵向支架Ⅰ和所述纵向支架Ⅱ分别固定于水平导轨Ⅰ和水平导轨Ⅱ上，纵向支架是通过其底部与设置在水平导轨内的丝杆相连，水平导轨一侧的电机带动丝杆旋转从而实现纵向支架的水平运动，工作时水平导轨Ⅰ和水平导轨Ⅱ上的电机必须同步转动以确保控制杆始终垂直于纵向支架的运动方向。

所述控制杆通过滑块与所述纵向支架Ⅰ和所述纵向支架Ⅱ连接，所述纵向支架Ⅰ和所述纵向支架Ⅱ内均设有所述滑块，所述控制杆可在所述滑块内左右滑动，所述滑块可在纵向支架内上下滑动。

所述滑块外侧设有用于给所述激光冲击系统发送信号的角位移传感器，所述角位移传感器用于记录所述控制杆的转角并发送信号给激光冲击系统中的步进电机，以控制激光头的旋转。所述控制杆中部设有靠紧装置，所述靠紧装置用于贴紧参考零件表面，所述靠紧装置与控制杆间为过盈配合使其能够带动控制杆转动。所述控制杆的尾端固定在所述控制盒内，所述控制盒用于控制激光头的运动。所述控制盒通过六自由度机械手与所述固定支架相连，所述六自由度机械手确保所述控制盒能够随所述控制杆一起移动，并产生一定的阻尼使所述控制盒内的压力传感器能够发挥作用。所述工作台位于所述控制杆下方，参考零件放于所述工作台上，所述靠紧装置通过所述控制杆的重力紧贴于所述参考零件表面；

所述激光冲击系统包括轨道支架、电机组、激光头和用于待冲击零件放置的冲击工作台，所述轨道支架包括底座水平轨道、固定在所述底座水平轨道上的竖直轨道和固定在所述竖直轨道上的工作轨道，所述激光头固定在所述工作轨道上；所述电机组包括设置在所述底座水平轨道上的、控制所述竖直轨道前后移动的电机Ⅰ，设置在所述竖直轨道上的、控制所述工作轨道上下移动的电机Ⅱ和固定在所述工作轨道上的、控制所述激光头左右移动的电机Ⅲ；所述激光头上还设有控制所述激光头转动的电机Ⅳ。激光通过光纤引入激光头，待冲击零件放置在冲击工作台上，喷水口用于在零件表面形成水约束层。

进一步地，所述控制杆的尾端为T型结构，与设置在所述控制盒的盒体内的上、下、左、右、前、后传感器配合控制所述激光头运动。其中，上传感器、下传感器分别控制激光冲击系统中电机Ⅱ的正反转，以实现激光头的上下移动。左传感器、右传感器分别控制激光冲击系统中电机Ⅲ的正反转，以实现激光头的左右移动。前传感器、后传感器分别控制激光冲击系统中电机Ⅰ的正反转，以实现激光头的前后移动。

进一步地，所述靠紧装置由固定在所述控制杆上的底座、固定在所述底座下端的靠块和固定在所述靠块两端用于夹持所述参考零件的夹具组成。其中，夹具可根据不同零件单独制作。以鼓风机叶片为例其夹具可由挡板、弹簧、靠块、缓冲片组成。靠块安装在底座底部用于贴紧零件表面，保证靠紧装置底面与零件表面垂直，挡板上设有弹簧，弹簧的一端设有缓冲片，缓冲片的作用在于压紧参考零件侧面迫使靠紧装置沿参考零件表面运动进而带动控制杆运动。运动中的控制杆对控制盒内不同方位的传感器施压产生电信号进而控制激光冲击系统中不同电机的运动。

应用上述装置激光冲击强化薄壁零件边缘的方法，采用靠紧装置紧靠所述参考零件表面，通过表面路径复制系统将所述靠紧装置中的靠块的行走路径实时传输给激光冲击系统，使激光光斑的运动路径与靠块的运行轨迹一致，完成对复杂曲面的冲击强化。

本实用新型具有以下优点：

1、无需三维建模，直接将零件或磨具作为参考，准确复制出零件表面轨迹，且对于不同的零件只需更换参考零件，无需进一步扫瞄编程缩短工时。

2、基于相似形原理确保了冲击过程中入射光线始终垂直于零件表面，保证了冲击效果。

3、不需要复杂的控制系统及繁琐的编程，成本低、使用方便。

基于上述理由本实用新型可在复杂曲面冲击强化等领域广泛推广，尤其适用于强化叶片等薄壁零件边缘。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型表面路径复制系统的主视图。

图2是本实用新型表面路径复制系统的俯视图。

图3是本实用新型纵向支架的侧视图。

图4是本实用新型激光冲击系统的结构示意图。

图5是本实用新型靠紧装置的结构示意图。

图6是本实用新型控制盒的结构示意图。

图7是鼓风机叶片的示意图。

图中：1、纵向支架11、纵向支架Ⅰ12、纵向支架Ⅱ13、水平导轨Ⅰ14、水平导轨Ⅱ15、丝杆16、电机17、滑块18、角位移传感器2、靠紧装置21、底座22、靠块23、挡板24、弹簧25、缓冲片3、控制杆4、控制盒41、盒体42、上传感器43、前传感器44、后传感器45、右传感器46、下传感器47、左传感器Ⅰ48、左传感器Ⅱ5、固定支架51、六自由度机械手6、工作台7、轨道支架71、底座水平轨道72、竖直轨道73、工作轨道8、电机组81、电机Ⅰ82、电机Ⅱ83、电机Ⅲ84、电机Ⅳ9、激光头91、光纤92、喷水口93、水约束层94、吸收层10、冲击工作台100、参考零件200、待冲击零件300、鼓风机叶片

具体实施方式

一种激光冲击强化薄壁零件边缘的装置，包括表面路径复制系统和激光冲击系统。如图1、2所示，所述表面路径复制系统包括纵向支架1、靠紧装置2、控制杆3、控制盒4、固定支架5和工作台6；所述纵向支架1包括纵向支架Ⅰ11和纵向支架Ⅱ12，所述纵向支架Ⅰ11和所述纵向支架Ⅱ12分别固定于水平导轨Ⅰ13和水平导轨Ⅱ14上，纵向支架1是通过其底部与设置在水平导轨内的丝杆15相连实现固定的，水平导轨一侧的电机16带动丝杆15旋转从而实现纵向支架1的水平运动，工作时水平导轨Ⅰ13和水平导轨Ⅱ14上的电机16必须同步转动以确保控制杆3始终垂直于纵向支架1的运动方向。

如图3所示，所述控制杆3通过滑块17与所述纵向支架Ⅰ11和所述纵向支架Ⅱ12连接，所述纵向支架Ⅰ11和所述纵向支架Ⅱ12内均设有所述滑块17，所述控制杆3可在所述滑块17内左右滑动，所述滑块17可在纵向支架1内上下滑动。

所述滑块17外侧设有用于给所述激光冲击系统发送信号的角位移传感器18，所述角位移传感器18用于记录所述控制杆3的转角并发送信号给激光冲击系统中的电机Ⅳ84，电机Ⅳ84采用步进电机，以控制激光头9的旋转。

所述控制杆3中部设有靠紧装置2，所述靠紧装置2用于贴紧参考零件100表面，所述靠紧装置2与控制杆3间为过盈配合使其能够带动控制杆3转动。

所述控制杆3的尾端固定在所述控制盒4内，所述控制盒4用于控制激光头9的运动。所述控制盒4通过六自由度机械手51与所述固定支架5相连，所述六自由度机械手51确保所述控制盒4能够随所述控制杆3一起移动，并产生一定的阻尼使所述控制盒4内的压力传感器能够发挥作用。

所述工作台6位于所述控制杆3下方，参考零件100放于所述工作台6上，所述靠紧装置2通过所述控制杆3的重力紧贴于所述参考零件100表面；

所述控制杆3的尾端为T型结构，与设置在所述控制盒4(如图6所示)的盒体41内的上传感器42、下传感器46、左传感器Ⅰ47、左传感器Ⅱ48、右传感器45、前传感器43、后传感器44配合控制所述激光头9运动。其中，上传感器42、下传感器46分别控制激光冲击系统中电机Ⅱ82的正反转，以实现激光头9的上下移动。左传感器Ⅰ47、左传感器Ⅱ48、右传感器45分别控制激光冲击系统中电机Ⅲ83的正反转，以实现激光头9的左右移动。前传感器43、后传感器44分别控制激光冲击系统中电机Ⅰ81的正反转，以实现激光头9的前后移动。

所述靠紧装置2由固定在所述控制杆3上的底座21、固定在所述底座21下端的靠块22和固定在所述靠块22两端用于夹持所述参考零件100的夹具组成。其中，夹具可根据不同零件单独制作。以鼓风机叶片300(如图7所示)为例，其夹具(如图5所示)可由挡板23、弹簧24、靠块22、缓冲片25组成。靠块22安装在底座21底部用于贴紧参考零件100表面，保证靠紧装置2底面与零件表面100垂直，挡板23上设有弹簧24，弹簧24的一端设有缓冲片25，缓冲片25的作用在于压紧参考零件100侧面迫使靠紧装置2沿参考零件100表面运动进而带动控制杆3运动。运动中的控制杆3对控制盒4内不同方位的传感器施压产生电信号进而控制激光冲击系统中不同电机的运动。同时，角位移传感器18控制激光头9上电机Ⅳ84的转动，实现激光头9与靠紧装置2的同步转动，从而保证入射激光与待冲击零件200表面垂直。

如图4所示，所述激光冲击系统包括轨道支架7、电机组8、激光头9和用于待冲击零件200放置的冲击工作台10，所述轨道支架7包括底座水平轨道71、固定在所述底座水平轨道71上的竖直轨道72和固定在所述竖直轨道72上的工作轨道73，所述激光头9固定在所述工作轨道73上；所述电机组8包括设置在所述底座水平轨道71上的、控制所述竖直轨道72前后移动的电机Ⅰ81，设置在所述竖直轨道72上的、控制所述工作轨道73上下移动的电机Ⅱ82和固定在所述工作轨道73上的、控制所述激光头9左右移动的电机Ⅲ83；所述激光头9上还设有控制所述激光头9转动的电机Ⅳ84。激光通过光纤91引入激光头9，待冲击零件200放置在冲击工作台10上，喷水口92用于在待冲击零件200表面形成水约束层93。

应用上述装置激光冲击强化薄壁零件边缘的方法，主要采用将靠紧装置2紧靠所述参考零件100表面，通过表面路径复制系统将所述靠紧装置2中的靠块22的行走路径实时传输给激光冲击系统，使激光光斑的运动路径与靠块22的运行轨迹一致，完成对复杂曲面的冲击强化。

下面以鼓风机叶片300边缘(如图7所示)的激光冲击强化为例，其实施过程如下：

(1)激光冲击前，取一参考零件100安装在工作台6上，调整靠紧装置2的位置，使其紧贴参考零件100表面。

(2)将待冲击零件200安装在冲击工作台10上，在待冲击零件200表面喷涂吸收层94，喷水口92出水，在待冲击零件200表面形成水约束层93。

(3)调整激光头9的初始位置，使其与靠紧装置2的相对位置一致。

(4)设定好激光头9的出光频率及电机组的转速以实现待冲击零件200表面不同的激光光斑搭接率。若出光频率为p，纵向支架1的运动速度为v，光斑直径为d，搭接率为s，则纵向支架1的运动速度v＝spd。启动电机16，电机16通过丝杆15带动纵向支架Ⅰ11和纵向支架Ⅱ12做水平运动，带动靠紧装置2沿参考零件100表面滑动。控制杆3与控制盒4协同作用驱动激光头9与靠紧装置2同步运动，同时角位移传感器18控制激光头9上的电机Ⅳ84转动进而实现激光光线对叶片边缘的扫描，在运动的同时激光头9保持一定的出光频率，形成对待冲击零件200表面的冲击强化。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种激光冲击强化薄壁零件边缘的装置，包括表面路径复制系统和激光冲击系统，其特征在于：

所述表面路径复制系统包括纵向支架、靠紧装置、控制杆、控制盒、固定支架和工作台；所述纵向支架包括纵向支架Ⅰ和纵向支架Ⅱ，所述纵向支架Ⅰ和所述纵向支架Ⅱ分别固定于水平导轨Ⅰ和水平导轨Ⅱ上，所述控制杆通过滑块与所述纵向支架Ⅰ和所述纵向支架Ⅱ连接，所述滑块外侧设有用于给所述激光冲击系统发送信号的角位移传感器，所述控制杆中部设有靠紧装置，所述控制杆的尾端固定在所述控制盒内，所述控制盒通过六自由度机械手与所述固定支架相连，所述工作台位于所述控制杆下方，参考零件放于所述工作台上，所述靠紧装置通过所述控制杆的重力紧贴于所述参考零件表面；

所述激光冲击系统包括轨道支架、电机组、激光头和用于待冲击零件放置的冲击工作台，所述轨道支架包括底座水平轨道、固定在所述底座水平轨道上的竖直轨道和固定在所述竖直轨道上的工作轨道，所述激光头固定在所述工作轨道上；所述电机组包括设置在所述底座水平轨道上的、控制所述竖直轨道前后移动的电机Ⅰ，设置在所述竖直轨道上的、控制所述工作轨道上下移动的电机Ⅱ和固定在所述工作轨道上的、控制所述激光头左右移动的电机Ⅲ；所述激光头上还设有控制所述激光头转动的电机Ⅳ。

2.根据权利要求1所述的一种激光冲击强化薄壁零件边缘的装置，其特征在于：所述控制杆的尾端为T型结构，与设置在所述控制盒的盒体内的上、下、左、右、前、后传感器配合控制所述激光头运动。

3.根据权利要求1所述的一种激光冲击强化薄壁零件边缘的装置，其特征在于：所述靠紧装置由固定在所述控制杆上的底座、固定在所述底座下端的靠块和固定在所述靠块两端用于夹持所述参考零件的夹具组成。