專利名稱：中厚板材激光噴丸成形的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械制造領(lǐng)域，特指一種基于高能脈沖激光噴丸技術(shù)的板材成形的方法和裝置，其適用于有光滑曲率要求的中厚板材件的成形加工。特別適用于用常規(guī)方法難以成形或根本無法成形的中厚板材的小曲率成形件的加工。
背景技術(shù)：
中厚板材成形件在航空和國防工業(yè)中有著十分廣泛的應(yīng)用。飛機(jī)上的大型結(jié)構(gòu)零部件如機(jī)翼、蒙皮、整體壁板及渦輪發(fā)動機(jī)葉片等，為了承受有效的結(jié)構(gòu)載荷和滿足空氣動力學(xué)性能，要求具有精確復(fù)雜的曲率形狀，并保持材料原有的結(jié)構(gòu)特性；國防工業(yè)中導(dǎo)彈、火箭，核反應(yīng)堆中核反應(yīng)金屬罐容器等零部件的成形加工，除了要有精確的外形外，其表面要求很高的機(jī)械力學(xué)性能和表面質(zhì)量。這些中厚板材件的加工，用傳統(tǒng)的加工方法，如機(jī)械噴丸成形，加熱輔助彎曲成形等很難滿足零件的使用要求和性能。
傳統(tǒng)的機(jī)械噴丸成形是利用有質(zhì)彈丸流高速撞擊板材表面，易產(chǎn)生加工硬化，且使受噴表面變得粗糙，降低表面質(zhì)量。同時現(xiàn)有噴丸系統(tǒng)十分復(fù)雜，在每次噴丸以后，彈丸必須收集、清洗、分級和破粒去除。由于機(jī)械噴丸參數(shù)多而難以精確控制，因而目前機(jī)械噴丸成形仍采用試噴和樣板檢驗方法，導(dǎo)致生產(chǎn)周期長，成本費用高。并且由于機(jī)械噴丸產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較小，所能成形的板材厚度較小(＜5mm)，適應(yīng)的材料有限。加熱輔助彎曲成形是目前成形中厚板材的主要方法，其工藝是首先將待加工的板材加熱到一定溫度，使材料的屈服強(qiáng)度降低，然后采用模具壓力使之彎曲成形，由于加熱改變了材料的組織，使得成形后零件的力學(xué)性能降低，表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，從而影響使用壽命。
與本發(fā)明最為接近的是美國加州大學(xué)Hackel Lloyd和Harris Fritz申請的專利“CONTOUR FORMIMG OF METALS BY LASER PEENING”(專利號WO0105549)，提出用激光單點錘擊金屬板材表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，再利用殘余應(yīng)力釋放產(chǎn)生微曲度進(jìn)行的微變形成形，通過各點每次錘擊的微曲度的累積或在同一點實施多次沖擊，就可取得更大尺寸的彎曲。其缺點如下(1)由于是利用激光單點錘擊產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力誘導(dǎo)的彎曲，所以變形量小；(2)在激光錘擊前必須在待沖擊表面敷能量吸收層，再在涂層上用水作約束層。這種分開式處理方法，造成激光能量利用率低、數(shù)據(jù)不穩(wěn)、可靠性差等缺點，而且還需一道去除殘留能量吸收層的后處理工序；(3)用水作約束層時需額外的供水系統(tǒng)，并使工裝夾具變復(fù)雜，且激光錘擊過程中水的飛濺難以控制，易損壞光學(xué)鏡片等。
現(xiàn)有專利“一種激光沖擊精密成形方法及裝置”(專利號ZL01134063.0)，提出一種高性能激光沖擊精密成形技術(shù)，它直接利用強(qiáng)脈沖激光束(功率密度大于109W/cm2，脈沖寬度8-30ns)沖擊工件表面的柔性貼膜，使其表層氣化電離并形成沖擊波，由于產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值超過材料動態(tài)屈服強(qiáng)度，致使板材發(fā)生明顯塑性變形。這種方法所采用的是單次激光沖擊下板料產(chǎn)生宏觀的塑性變形，即直接成形凹形、凹形搭接的工藝，其適合于有拉深比要求的零件成形。由于每次激光脈沖誘導(dǎo)的沖擊波壓力必須使板料產(chǎn)生宏觀的凹形變化，因而所采用的激光脈沖能量必須足夠大，這給激光器帶來了較高的要求。由于激光沖擊成形過程中伴隨著表面強(qiáng)化，致使板材的屈服強(qiáng)度提高，后續(xù)變形困難，導(dǎo)致搭接區(qū)域的材料塑性流動較差，所能成形的板材厚度有限，表面的粗糙度無法保證，因此不能用于有光滑曲率要求的中厚板材成形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要克服上述缺點，提供用于常規(guī)方法難于成形的中厚板材(＞6-15mm)成形的方法和裝置，特別適用于光滑小曲率板材零件的精密成形。
本發(fā)明采用以下方法實現(xiàn)上述目的根據(jù)加工零件的曲面形狀，通過計算機(jī)控制系統(tǒng)模擬出所需的應(yīng)力場分布形狀，優(yōu)化出作用在板料表面的沖擊波壓力及噴丸軌跡分布；根據(jù)優(yōu)化的沖擊波壓力及噴丸軌跡分布參數(shù)，計算機(jī)控制系統(tǒng)自動選擇激光脈沖參數(shù)、光束變換裝置及光學(xué)掩模的參數(shù)，編制NC加工程序用于計算機(jī)控制系統(tǒng)以控制導(dǎo)光系統(tǒng)、工作臺所走軌跡；激光器發(fā)出的一個高能量的短脈沖強(qiáng)激光，通過光束變換裝置可轉(zhuǎn)變成若干個群脈沖，再通過光學(xué)掩模作用在工件表面的能量轉(zhuǎn)換體上，能量轉(zhuǎn)換體把吸收的群脈沖激光能量轉(zhuǎn)變成沖擊波壓力作用在工件表面，實現(xiàn)成形。
激光器發(fā)出的激光束的光斑模式可以是基模和多模中的一種，脈沖能量為15-60J，脈沖寬度為20-30ns。
計算機(jī)控制系統(tǒng)控制輪廓掃描測量系統(tǒng)，測量板料噴丸成形中板料的變形量，再由計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析、應(yīng)力場和板料變形量動態(tài)模擬，由激光控制器和激光噴丸頭調(diào)節(jié)激光脈沖能量、噴丸強(qiáng)度以及噴丸軌跡，實現(xiàn)板料的精密成形。
實施該方法的裝置包括激光發(fā)生器、導(dǎo)光系統(tǒng)、激光噴丸頭、工件夾具系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。
激光發(fā)生器由三級組成一級調(diào)Q釹玻璃(φ16mm×280mm)激光振蕩器，諧振腔長800mm，一級前置釹玻璃(φ16mm×200mm)激光放大器和一級釹玻璃(φ20mm×500mm)激光主放大器，所輸出的激光波長為1.06μm，脈沖能量為10～60J，脈沖寬度為5～30ns，重復(fù)頻率2Hz，最峰值功率密度5×109W/cm2。
導(dǎo)光系統(tǒng)是連接激光發(fā)生器至工件之間的光路傳輸系統(tǒng)，由導(dǎo)光管、折返鏡、光束變換裝置組成；激光噴丸頭內(nèi)設(shè)有聚焦鏡和光學(xué)掩模，其中聚焦鏡組包含聚焦鏡、可旋轉(zhuǎn)反射鏡、三棱鏡，光學(xué)掩模可根據(jù)噴丸要求，對激光脈沖進(jìn)行篩選，從而獲得所需的脈沖分布方式。
工件夾具系統(tǒng)包括五軸聯(lián)動數(shù)控工作臺和工件夾具，表面貼有能量轉(zhuǎn)換體的工件板料裝夾在工件夾具中，工件夾具安裝在數(shù)控工作臺上，工作臺根據(jù)機(jī)床控制器的指令實現(xiàn)三軸移動和兩軸轉(zhuǎn)動，滿足噴丸過程所需的運(yùn)動要求；控制系統(tǒng)由輪廓掃描測量系統(tǒng)、機(jī)床控制器、激光控制器、計算機(jī)控制系統(tǒng)組成，由計算機(jī)控制系統(tǒng)分別控制激光控制器、機(jī)床控制器、和輪廓掃描測量系統(tǒng)。
激光發(fā)生器發(fā)出的激光經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)連接激光噴丸頭，在激光控制器的控制下對工件板料實施噴丸動作，同時工件夾具系統(tǒng)在機(jī)床控制器控制下作多軸運(yùn)動，以獲得所需的形狀；激光控制器、機(jī)床控制器和輪廓掃描測量系統(tǒng)、激光噴丸頭與計算機(jī)控制系統(tǒng)相連，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)工作過程的有效控制。
本發(fā)明實施過程如下根據(jù)加工零件的曲面形狀，通過專用計算機(jī)控制系統(tǒng)模擬所需的應(yīng)力場分布形狀，優(yōu)化出作用在板料表面的沖擊波壓力及軌跡分布；(1)根據(jù)優(yōu)化的沖擊波壓力及軌跡分布等參數(shù)，計算機(jī)控制系統(tǒng)自動選擇激光脈沖參數(shù)、光學(xué)變換裝置及光學(xué)掩模的參數(shù)，編制NC加工程序用于控制系統(tǒng)以控制導(dǎo)光系統(tǒng)、工作臺所走軌跡；(2)在工件表面覆蓋能量轉(zhuǎn)換體，激發(fā)高能脈沖激光，經(jīng)光學(xué)變換裝置形成的群脈沖通過光學(xué)掩模沖擊能量轉(zhuǎn)換體，轉(zhuǎn)換為高幅沖擊波壓力作用在工件表面，以此作為板料塑性成形的變形力。通過改變激光脈沖能量、脈沖寬度、脈沖形狀以及激光光束模式，可獲取不同大小的塑性變形力；(3)根據(jù)選定的脈沖激光工藝參數(shù)，激光噴丸軌跡以及作用的脈沖次數(shù)，通過五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行有序地施加應(yīng)力脈沖，實現(xiàn)板料內(nèi)預(yù)定的應(yīng)力場分布，實現(xiàn)所需形狀的板料成形；(4)通過輪廓掃描測量系統(tǒng)，測量板料噴丸成形中板料的變形量，由計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析，應(yīng)力場和板料變形量動態(tài)模擬，由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光脈沖能量、噴丸強(qiáng)度以及噴丸軌跡，實現(xiàn)板料的精密成形。
本發(fā)明由于采用高能脈沖激光束替代有質(zhì)彈丸實施板料的噴丸成形，因而它是非接觸式成形，成形表面無明顯的機(jī)械損傷，表面粗糙度值低，光潔度好；由于采用能量轉(zhuǎn)化體技術(shù)，實現(xiàn)把激光能量向沖擊波壓力的轉(zhuǎn)變，保護(hù)了工件表面免受激光的熱損傷；由于采用了光學(xué)變換裝置，采用群脈沖壓力作用方式，大大提高了激光噴丸成形的效率；由于采用控制脈沖激光參數(shù)，在每次激光作用的過程中，板料不產(chǎn)生宏觀的塑性變形，而在板材表面形成適度的殘余壓縮應(yīng)力，因而可采用小能量實現(xiàn)大變形；由于通過控制激光參數(shù)和作用軌跡，控制工件表面的應(yīng)力場分形態(tài)實現(xiàn)板料成形，因此工藝過程及控制較易實現(xiàn)；因為激光參數(shù)精確可控，所以工藝過程的重復(fù)性好、易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)；因為激光噴丸過程在材料表面形成硬化層和高幅殘余壓應(yīng)力，提高了板料成形件的穩(wěn)定性，幾乎無回彈，因此可實現(xiàn)小曲率零件的成形。同時成形件的表面質(zhì)量提高和高幅殘余應(yīng)力的存在，可使工件的抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能大幅提高，省去了后續(xù)的加工工序和表面處理工序。由于激光噴丸過程導(dǎo)致更深的殘余壓縮應(yīng)力(大于1mm)，且殘余應(yīng)力大小可由激光參數(shù)精確控制，因而在中厚板材的柔性精密成形方面具有潛在優(yōu)勢。


圖1激光噴丸成形方法和裝置的示意圖。
圖2中厚板材激光噴丸成形原理示意圖。
圖3直線噴丸軌跡下激光噴丸次數(shù)與板料彎曲變形量的關(guān)系圖4圓柱型零件的激光噴丸成形工藝示意5激光噴丸成形馬鞍形零件示意圖1-激光發(fā)生器 2-導(dǎo)光壁 3-折返鏡 4-光束變換裝置 5-光學(xué)掩模 6-噴丸頭 7-輪廓掃描測量儀 8-工件夾具 9-多軸聯(lián)動工作臺 10-機(jī)床控制器 11-激光器控制器 12-計算機(jī)控制系統(tǒng) 13-脈沖激光束 14-能量轉(zhuǎn)換體 15-工件 16-成形件具體實施方式
下面結(jié)合圖1詳細(xì)說明本發(fā)明提出的具體裝置的細(xì)節(jié)和工作情況。
該裝置包括一個激光器發(fā)生器(1)和導(dǎo)光系統(tǒng)、噴丸頭(6)、工件夾具系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。激光器采用的晶體是Nd:YAG，產(chǎn)生能量在10～60焦?fàn)?、持續(xù)時間為5～30納秒的激光脈沖，激光束(13)的光斑模式可以是基模、多模等多種模式，其由激光控制器(11)調(diào)節(jié)和控制。導(dǎo)光系統(tǒng)包括導(dǎo)光壁(2)、折返鏡(3)、光束變換裝置(4)，噴丸頭(6)內(nèi)設(shè)有多個聚焦鏡和光學(xué)掩模(5)，可沿垂直方向移動，通過調(diào)節(jié)聚焦鏡和光學(xué)掩模尺寸(5)，可改變光斑大小。工件夾具系統(tǒng)包括工件夾具(8)和多軸聯(lián)動工作臺(9)，該裝置有三個坐標(biāo)的移動和和兩個轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)五軸聯(lián)動，從而可方便地對工件(15)實施激光噴丸成形?？刂葡到y(tǒng)由輪廓掃描測量系統(tǒng)(7)、機(jī)床控制器(10)、激光控制器(11)、計算機(jī)控制系統(tǒng)(12)組成。由激光器(1)產(chǎn)生的激光束經(jīng)導(dǎo)光壁(2)、折返鏡(3)、光束變換裝置(4)、光學(xué)掩模(5)經(jīng)噴丸頭(6)沖擊到待加工板料(15)上，輪廓掃描測量系統(tǒng)(7)、機(jī)床控制器(10)、激光控制器(11)與計算機(jī)控制系統(tǒng)相連，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)工作過程的有效控制。
圖2為激光噴丸成形原理示意圖，經(jīng)圖1中導(dǎo)光系統(tǒng)輸出的群脈沖激光束(13)從噴丸頭(6)發(fā)出，作用在粘附在工件上的能量轉(zhuǎn)換體(14)，能量轉(zhuǎn)換體把吸收的高能激光瞬間氣化、電離轉(zhuǎn)化為沖擊波機(jī)械能，作用在待加工工件(15)表面。工件(15)固定在圖1中的夾具(8)上，工件夾具(8)再固定在多軸聯(lián)動工作臺(9)上。機(jī)床控制器(10)發(fā)出數(shù)控指令多軸聯(lián)動工作臺(9)作多軸運(yùn)動，在群脈沖激光作用下，使板料內(nèi)部產(chǎn)生所需的高幅應(yīng)力場分布，實現(xiàn)板料變形而獲得所需形狀的成形件(16)。
圖3所示為經(jīng)噴丸頭輸出的脈沖激光束(13)，沿著某一條直線軌跡對厚度為8mm的45鋼進(jìn)行噴丸的實驗結(jié)果，噴丸后的板料變形的形狀為帶有圓角的V形。沿同一條路徑增加噴丸的次數(shù)，分別為1～3次，板料的彎曲變形量增加。
圖4為激光噴丸成形圓柱面的示意圖，激光束(13)從噴丸頭(6)輸出后沿著相互平行的三條直線對工件進(jìn)行噴丸，噴丸窄條間的距離如足夠大，使二噴丸窄條間存在平面時，就可形成棱柱面。當(dāng)相鄰噴丸窄條中心線間的距離較近，變形區(qū)相互連接，可以形成光滑的圓柱面。
圖5所示為根據(jù)計算機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化的軌跡噴丸，用6×6個Φ2的群脈沖激光束(13)對工件表面(15)連續(xù)噴丸，所能獲得的馬鞍形曲面形狀示意圖。在噴丸過程中，根據(jù)成形零件的曲率大小，可不斷改變激光參數(shù)，實現(xiàn)精確成形。當(dāng)沿著某條或幾條曲線進(jìn)行噴丸時，可以得到復(fù)合曲率的異形件，如飛機(jī)機(jī)翼雙曲率上下氣動彎折區(qū)。
更多的成形事例不勝枚舉，噴丸軌跡和噴丸強(qiáng)度的不同，能成形出各種復(fù)雜的形狀，這里僅闡明它的技術(shù)方案和部分實施例。
權(quán)利要求
1.一種中厚板材激光噴丸成形的方法，其特征在于根據(jù)加工零件的曲面形狀，通過計算機(jī)系統(tǒng)模擬出所需的應(yīng)力場分布形狀，優(yōu)化出作用在板料表面的沖擊波壓力及噴丸軌跡分布；根據(jù)優(yōu)化的沖擊波壓力及噴丸軌跡分布參數(shù)，計算機(jī)系統(tǒng)自動選擇激光脈沖參數(shù)、光束變換裝置及光學(xué)掩模的參數(shù)，編制NC加工程序用于計算機(jī)控制系統(tǒng)以控制導(dǎo)光系統(tǒng)、工作臺所走軌跡；激光器發(fā)出的一個高能量的短脈沖強(qiáng)激光，通過光束變換裝置可轉(zhuǎn)變成若干個群脈沖，再通過光學(xué)掩模作用在工件表面的能量轉(zhuǎn)換體上，能量轉(zhuǎn)換體把吸收的群脈沖激光能量轉(zhuǎn)變成沖擊波壓力作用在工件表面，實現(xiàn)成形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中厚板材激光噴丸成形的方法，其特征在于激光器發(fā)出的激光束的光斑模式可以是基模和多模中的一種，脈沖能量為15-60J，脈沖寬度為20-30ns。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中厚板材激光噴丸成形的方法，其特征在于在激光沖擊成形的同時，計算機(jī)系統(tǒng)控制輪廓掃描測量系統(tǒng)，測量板料噴丸成形中板料的變形量，再由計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析、應(yīng)力場和板料變形量動態(tài)模擬，由激光控制器和激光噴丸頭調(diào)節(jié)激光脈沖能量、噴丸強(qiáng)度以及噴丸軌跡，實現(xiàn)板料的精密成形。
4.一種中厚板材激光噴丸成形裝置，其特征在于裝置包括激光發(fā)生器、導(dǎo)光系統(tǒng)、激光噴丸頭、工件夾具系統(tǒng)、控制系統(tǒng)；其中激光發(fā)生器由三級組成一級調(diào)Q釹玻璃(φ16mm×280mm)激光振蕩器，諧振腔長800mm，一級前置釹玻璃(φ16mm×200mm)激光放大器和一級釹玻璃(φ20mm×500mm)激光主放大器，所輸出的激光波長為1.06μm，脈沖能量為10～60J，脈沖寬度為5～30ns，重復(fù)頻率2Hz，最大峰值功率密度5×109W/cm2；導(dǎo)光系統(tǒng)是連接激光發(fā)生器至工件之間的光路傳輸系統(tǒng)，由導(dǎo)光管、折返鏡、光束變換裝置組成；激光噴丸頭內(nèi)設(shè)有聚焦鏡和光學(xué)掩模，其中聚焦鏡組包含聚焦鏡、可旋轉(zhuǎn)反射鏡、三棱鏡；工件夾具系統(tǒng)包括五軸聯(lián)動數(shù)控工作臺和工件夾具，表面貼有能量轉(zhuǎn)換體的工件板料裝夾在工件夾具中，工件夾具安裝在數(shù)控工作臺上；控制系統(tǒng)由機(jī)床控制器、激光控制器、計算機(jī)系統(tǒng)組成，由計算機(jī)系統(tǒng)分別控制激光控制器、機(jī)床控制器；激光發(fā)生器發(fā)出的激光經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)連接激光噴丸頭，工件夾具系統(tǒng)位于噴丸頭的下方并與機(jī)床控制器相連，激光發(fā)生器與激光控制器相連，激光噴丸頭、機(jī)床控制器與激光控制器分別與計算機(jī)系統(tǒng)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種中厚板材激光噴丸成形裝置，其特征在于設(shè)有輪廓掃描測量系統(tǒng)，其與計算機(jī)控制系統(tǒng)相連。
全文摘要
本發(fā)明提供一種中厚板材激光噴丸成形的方法和裝置，裝置包括激光發(fā)生器、導(dǎo)光系統(tǒng)、激光噴丸頭、工件夾具系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。根據(jù)加工零件的曲面形狀，通過計算機(jī)控制系統(tǒng)模擬出所需的應(yīng)力場分布形狀，優(yōu)化出作用在板料表面的沖擊波壓力及噴丸軌跡分布；根據(jù)優(yōu)化的沖擊波壓力及噴丸軌跡分布參數(shù)，計算機(jī)控制系統(tǒng)自動選擇激光脈沖參數(shù)、光束變換裝置及光學(xué)掩模的參數(shù)，編制NC加工程序用于計算機(jī)控制系統(tǒng)以控制導(dǎo)光系統(tǒng)、工作臺所走軌跡；激光器發(fā)出的一個高能量的短脈沖強(qiáng)激光，通過光束變換裝置可轉(zhuǎn)變成若干個群脈沖，再通過光學(xué)掩模作用在工件表面的能量轉(zhuǎn)換體上，能量轉(zhuǎn)換體把吸收的群脈沖激光能量轉(zhuǎn)變成沖擊波壓力作用在工件表面，實現(xiàn)成形。
文檔編號B23K26/18GK1695873SQ20051004011
公開日2005年11月16日 申請日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者周建忠, 張永康, 張興權(quán), 舒洪紅, 馮愛新, 楊繼昌 申請人:江蘇大學(xué)