專利名稱：一種基于激光沖擊波技術(shù)孔壁的強(qiáng)化方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域，特指一種用激光沖擊波對金屬件孔壁的沖擊強(qiáng)化，特別適合于中小孔徑、深度較深孔的孔壁強(qiáng)化。
背景技術(shù)：
在機(jī)械零件和機(jī)械設(shè)備中，孔占據(jù)著重要位置，由于工作環(huán)境的不同，它們承受的載荷不同，其中有一類孔在工作中要承受交變載荷，使其壽命受到很大影響，如高壓噴嘴的噴孔，在工作時由于管壁受到壓力高、流速快、脈動大的流體作用，孔的內(nèi)壁材料受到?jīng)_擊容易剝落；航空發(fā)動機(jī)渦輪盤的孔，交替被加熱和冷卻，材料反復(fù)被膨脹和收縮將會導(dǎo)致產(chǎn)生所謂的熱裂紋；還有液壓缸、承受交變載荷的運(yùn)動副的孔等。為了使這類零件增加抗疲勞能力，延長其使用壽命，在制造時，不僅需要選用高性能的材料，而且對零件孔的加工提出了一些特殊的要求孔尺寸的精度和表面粗糙度滿足一定要求，孔內(nèi)壁要有一定厚度的致密硬化層組織，孔壁表層有一定深度的殘余壓縮應(yīng)力層。為此，常見的加工方法有表面淬火、鍍鉻和對孔進(jìn)行冷擠壓等處理。表面淬火和鍍鉻二種處理手段雖然使孔壁的硬度提高，但同時給孔壁帶來了有害的殘余拉應(yīng)力，使工件的抗疲勞強(qiáng)度降低，增加了腐蝕破壞的敏感性，而且表面淬火，使硬化層的深度不易控制，硬化層也不均勻，鍍鉻工藝還涉及到有毒加工，它們不是機(jī)械加工中首選的工藝。冷擠壓是采用擠壓器具對孔壁進(jìn)行無屑加工的一種方式，是孔強(qiáng)化時最常用的一種有效方法，但工藝復(fù)雜，對擠壓內(nèi)孔的前道工序也提出了較高要求，常常需要采用拉孔、絞孔、精鏜等方法進(jìn)行預(yù)加工，降低其表面粗糙度；而且待擠壓的孔需要分級，以免擠壓過程中的“卡死”；擠壓刀具制造工藝復(fù)雜，而且刀具參數(shù)的選擇不當(dāng)，使孔壁表面成形擦傷、劃傷等，降低其機(jī)械性能。
機(jī)械噴丸強(qiáng)化是孔壁強(qiáng)化的另一種方法，其主要方法是根據(jù)孔徑的大小，在孔內(nèi)設(shè)置一帶有錐角的反射裝置，當(dāng)高速運(yùn)動的彈丸噴射到反射裝置時，由于錐角的反射作用，彈丸的運(yùn)動方向發(fā)生改變，撞向孔壁，碰撞后的彈丸從反射錐和孔壁之間的間隙落下。和采用刀具擠壓工藝相比，該方法零件的制造工藝簡單，不會因為孔的尺寸不同而頻繁更換器具，有一定柔性。但由于受孔徑本身尺寸限制，進(jìn)入孔中的彈丸數(shù)量少，孔壁受強(qiáng)化的位置不易控制，強(qiáng)化層的分布不均勻，尤其當(dāng)孔的直徑較小時，這種工藝不但存在彈丸落下不暢的缺點，還存在由于彈丸的質(zhì)量小而導(dǎo)致強(qiáng)化效果不明顯的不足，當(dāng)孔的直徑小到一定程度時，就不能進(jìn)行噴丸強(qiáng)化了，因此采用機(jī)械噴丸對內(nèi)孔壁強(qiáng)化存在著一定的局限性。
激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是對材料強(qiáng)化一種先進(jìn)的表面改性工藝，從現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料檢索來看，其應(yīng)用主要集中在對材料的表面進(jìn)行強(qiáng)化，如飛機(jī)的葉片、齒輪、焊縫的去應(yīng)力等。現(xiàn)有的對飛機(jī)蒙皮的緊固孔的激光沖擊強(qiáng)化，實際上對緊固孔端口周圍的材料進(jìn)行強(qiáng)化，強(qiáng)化層僅存在孔的端口部位，孔壁中部材料未能得到強(qiáng)化，因此采用這種強(qiáng)化方式難以對深孔的整個孔壁進(jìn)行強(qiáng)化。
與本發(fā)明最為接近的技術(shù)是炸藥爆炸產(chǎn)生的瞬間高溫、高壓沖擊波對孔壁進(jìn)行強(qiáng)化，但對于細(xì)小的孔徑，炸藥裝藥困難，工藝參數(shù)難以控制，安全性較差等不足，使這一技術(shù)很難被采用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供用于金屬材料孔壁強(qiáng)化的方法和裝置，它能直接對孔進(jìn)行強(qiáng)化，不僅能對適應(yīng)直徑較大的孔徑的孔壁進(jìn)行強(qiáng)化，而且還能對微小孔的孔壁進(jìn)行強(qiáng)化?？妆趶?qiáng)化后的強(qiáng)度和硬度得到顯著提高，表層存在有益的殘余壓縮應(yīng)力，并能獲得較高的尺寸精度和較低表面粗糙度，可直接作為孔加工的最終工序。
本發(fā)明的特征在于用強(qiáng)激光誘導(dǎo)的沖擊波作為孔壁強(qiáng)化的力源，通過有序改變激光沖擊波產(chǎn)生的位置而實現(xiàn)對深孔的整個孔壁進(jìn)行強(qiáng)化。
實施該方法的裝置包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、光斑大小調(diào)節(jié)裝置、沖擊頭、工件夾具系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。導(dǎo)光系統(tǒng)由導(dǎo)光管、全反鏡、沖擊頭組成，聚焦透鏡位于沖擊頭內(nèi)，導(dǎo)光管把全反鏡、光斑大小調(diào)節(jié)裝置和沖擊頭串連起來，其一端連接著激光器，另一端對著工件夾具系統(tǒng)。工件夾具系統(tǒng)包括五軸聯(lián)動工作臺、約束層、能量吸收層、反射錐、工件、夾具。反射錐插入工件待強(qiáng)化的孔中，反射錐的表面覆蓋了能量吸收層，在能量吸收層之上是約束層，工件裝夾于夾具上，夾具固定在工作臺上?？刂葡到y(tǒng)包括計算機(jī)、控制器和激光器控制裝置，計算機(jī)通過控制器分別控制激光器控制裝置、光斑大小調(diào)節(jié)裝置、五軸聯(lián)動工作臺，激光器控制裝置控制激光器。光斑大小調(diào)節(jié)裝置是由長度受控可調(diào)節(jié)的彈簧構(gòu)成；反射錐是由鋼制成，其頭部帶有錐角為2α圓錐面，0°＜α＜90°，其作用是受激光輻照后產(chǎn)生沖擊波，反射錐的錐面以下的是與待加工孔配合的柱面，約束層為水，吸收層為黑漆。
本發(fā)明實施過程如下1)根據(jù)待加工工件的孔尺寸的大小，根據(jù)孔軸配合原則，確定相應(yīng)反射錐直徑。
2)在反射錐的錐面上涂上能量吸收層材料，再將反射錐插入工件中，并把工件安裝到夾具上，向待加工的孔中注入約束層材料。
3)激光器產(chǎn)生激光脈沖，經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)、約束層，照射在能量吸收層，能量吸收層吸收激光能量汽化、電離、形成等離子體爆炸，產(chǎn)生高幅沖擊波，對孔壁進(jìn)行強(qiáng)化。
4)根據(jù)孔的深度，通過機(jī)床工作臺的控制器，改變反射錐和孔壁的相對位置，使孔壁的另一位置得到強(qiáng)化。這樣由反射錐位置的有序改變，逐步實現(xiàn)整個孔壁的強(qiáng)化。
5)完成一個孔的強(qiáng)化后，工件退出反射錐，工作臺運(yùn)動到指定的位置，再對下一個孔壁進(jìn)行強(qiáng)化，直到工件上所有的孔都強(qiáng)化完。
本發(fā)明具有以下優(yōu)勢1.由于采用激光沖擊波作為孔壁強(qiáng)化的力源，因而它屬于非接觸式加工，不存在刀具的磨損和消耗，工藝簡單，強(qiáng)化前不需要對孔的尺寸進(jìn)行分級，不受孔徑大小的限制，具有較大的柔性，尤其適合于深孔、微小孔壁的強(qiáng)化。
2.激光參數(shù)精確可控，重復(fù)性好，沖擊強(qiáng)化的效果均勻，沖擊波在孔壁上往往多次反射，實現(xiàn)多次強(qiáng)化。可在孔壁某處實現(xiàn)一次或多次強(qiáng)化直到滿足要求為至，噴丸后無需再處理。
3.激光噴丸形成的殘余應(yīng)力比機(jī)械噴丸形成的殘余應(yīng)力大，形成殘余壓應(yīng)力層深度比機(jī)械噴丸形成的殘余壓應(yīng)力層要深，且使孔壁表面的光潔度提高1～2個等級，同時使材料的硬度提高、晶粒細(xì)化、工件抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能大幅提高。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1是根據(jù)本發(fā)明提出的基于激光沖擊波技術(shù)的微小孔壁強(qiáng)化的裝置示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明提出的孔壁的強(qiáng)化的激光沖擊波成形原理示意圖。
1.激光器2.激光束3.導(dǎo)光管4.全反鏡5.光斑大小調(diào)節(jié)裝置6.沖擊頭7.工件8.夾具9.反射錐10.五軸聯(lián)動工作臺11.控制器12.計算機(jī)13.激光器控制裝置14.約束層(水)15.高壓等離子體16.能量吸收層(黑漆)17.聚焦透鏡具體實施方式
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(1)和導(dǎo)光系統(tǒng)、光斑大小調(diào)節(jié)裝置(5)、沖擊頭(8)、工件夾具系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。其中導(dǎo)光系統(tǒng)包括導(dǎo)光管(3)、全反鏡(4)和沖擊頭(8)等。工件夾具系統(tǒng)包括工作臺(10)、反射錐(9)、約束層(14)、吸收層(16)、工件(7)和夾具(8)?？刂葡到y(tǒng)由計算機(jī)(13)、控制器(11)、激光器控制裝置(13)組成。
激光器(1)發(fā)出經(jīng)過優(yōu)化的激光束(2)，激光束(2)的光斑模式可以是基模、多模等多種模式，其由激光器控制裝置(13)調(diào)節(jié)和控制。由激光器(1)產(chǎn)生的激光束(2)經(jīng)導(dǎo)光管(3)和全反射境(4)以及沖擊頭(8)中的聚焦透鏡(17)和約束層(14)，輻照在反射錐(9)表面的能量吸收層(16)上。控制器(11)通過光斑大小調(diào)節(jié)裝置(5)調(diào)節(jié)沖擊頭(6)與反射錐(9)的相對距離，可改變光斑大小。反射錐(9)固定在工作臺(10)上，工作臺可實現(xiàn)沿三個軸向的移動和繞二軸轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對工件(7)不同位置的孔系進(jìn)行強(qiáng)化。
如圖2所示，經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)輸出的激光束(2)從沖擊頭(6)發(fā)出，穿過約束層(14)，輻照作用在覆蓋在工件表面上的上的能量吸收層(16)上，能量吸收層(16)吸收高能激光后，迅速汽化、電離形成等離子體(15)，等離子體(15)繼續(xù)吸收激光能量，形成爆轟波，產(chǎn)生同時向工件(7)內(nèi)部傳播的高幅沖擊波，傳至孔壁處沖擊波的峰值壓力大于金屬板料的動態(tài)屈服強(qiáng)度，使孔壁某一位置的表面受到強(qiáng)化。強(qiáng)化后，工件臺(10)和光斑大小調(diào)節(jié)裝置(5)接受控制器(11)的指令，使反射錐(9)和沖擊頭(6)在孔軸線方向上移動到一個新的位置，再進(jìn)行對孔壁的強(qiáng)化，這樣依次完成對整個孔壁的強(qiáng)化后，反射錐(9)在工作臺(10)的帶動下退出工件(7)，隨后工作臺(10)作移動，當(dāng)移動到下一個位置的孔時，再對孔壁進(jìn)行強(qiáng)化，完成后再移動工作臺，直到工件上所有的孔都被強(qiáng)化。
權(quán)利要求
1.一種基于激光沖擊波技術(shù)的孔壁強(qiáng)化方法，其特征在于根據(jù)待加工工件(7)的孔尺寸的大小和孔軸配合原則，確定相應(yīng)反射錐(9)直徑，在反射錐(9)的錐面上涂上能量吸收層(16)材料，再將反射錐(9)插入工件(7)中，并把工件(7)安裝到夾具(8)上，向待加工的孔中注入約束層(14)；激光器(1)產(chǎn)生激光脈沖，經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)、約束層(14)，照射在能量吸收層(16)，能量吸收層(16)吸收激光能量汽化、電離、形成等離子體爆炸，產(chǎn)生高幅沖擊波，對孔壁進(jìn)行強(qiáng)化。
2.一種基于激光沖擊波技術(shù)的孔壁強(qiáng)化的裝置，其特征在于裝置包括激光器(1)、導(dǎo)光系統(tǒng)、光斑大小調(diào)節(jié)裝置(5)、沖擊頭(6)、工件夾具系統(tǒng)、控制系統(tǒng)；導(dǎo)光系統(tǒng)由導(dǎo)光管(3)、全反鏡(4)、沖擊頭(6)組成，聚焦透鏡(17)位于沖擊頭(6)內(nèi)，導(dǎo)光管(3)把全反鏡(4)、光斑大小調(diào)節(jié)裝置(5)和沖擊頭(6)串連起來，其一端連接著激光器(1)，另一端對著工件夾具系統(tǒng)；工件夾具系統(tǒng)包括五軸聯(lián)動工作臺(10)、約束層(14)、能量吸收層(16)、反射錐(9)、工件(7)、夾具(8)，反射錐(9)插入工件(7)待強(qiáng)化的孔中，反射錐(9)的表面覆蓋了能量吸收層(16)，在能量吸收層(16)之上是約束層(14)，工件(7)裝夾于夾具(8)上，夾具(8)固定在五軸工作臺(10)上；控制系統(tǒng)包括計算機(jī)(12)、控制器(11)和激光器控制裝置(13)，計算機(jī)(12)通過控制器分別控制激光器控制裝置(13)、光斑大小調(diào)節(jié)裝置(5)、五軸聯(lián)動工作臺(10)，激光器控制裝置(13)控制激光器(1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于激光沖擊波技術(shù)的孔壁強(qiáng)化的裝置，其特征在于光斑大小調(diào)節(jié)裝置由長度受控可調(diào)節(jié)的彈簧構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于激光沖擊波技術(shù)的孔壁強(qiáng)化的裝置，其特征在于反射錐是由鋼制成，其頭部帶有錐角為2 α圓錐面，0°＜α＜90°，反射錐的錐面以下的是與待加工孔配合的柱面。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于激光沖擊波技術(shù)的孔壁強(qiáng)化的裝置，其特征在于約束層為水，吸收層為黑漆。
全文摘要
一種基于激光沖擊波技術(shù)的孔壁強(qiáng)化方法和裝置，涉及激光加工領(lǐng)域。本發(fā)明首先根據(jù)待加工工件的孔尺寸的大小和孔軸配合原則，確定相應(yīng)反射錐直徑，在反射錐的錐面上涂上能量吸收層材料，再將反射錐插入工件中，并把工件安裝到夾具上，向待加工的孔中注入約束層；激光器產(chǎn)生激光脈沖，經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)、約束層，照射在能量吸收層，能量吸收層吸收激光能量汽化、電離、形成等離子體爆炸，產(chǎn)生高幅沖擊波，對孔壁進(jìn)行強(qiáng)化。本發(fā)明不僅能對適應(yīng)直徑較大的孔徑的孔壁進(jìn)行強(qiáng)化，而且還能對微小孔的孔壁進(jìn)行強(qiáng)化?？妆趶?qiáng)化后的強(qiáng)度和硬度得到顯著提高，表層存在有益的殘余壓縮應(yīng)力，并能獲得較高的尺寸精度和較低表面粗糙度，可直接作為孔加工的最終工序。
文檔編號C22F3/00GK101024862SQ20061009647
公開日2007年8月29日 申請日期2006年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月27日
發(fā)明者張永康, 張興權(quán), 顧永玉, 周建忠, 杜建鈞 申請人:江蘇大學(xué)