專利名稱：一種激光沖擊處理曲面的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域，具體地是指一種激光沖擊處理曲面的方法。
背景技術(shù)：
激光沖擊強(qiáng)化是一種新型的材料表面強(qiáng)化技術(shù)，可以在金屬制件表面獲得高幅殘余壓應(yīng)力層，大大提高制件的疲勞壽命，與常規(guī)噴丸技術(shù)相比，其殘余壓應(yīng)力層更深；激光沖擊的原理是利用脈沖激光(能量f 100J，脈寬l(T30ns)在約束狀態(tài)下(水膜或玻璃)跟吸收層(鋁箔或其他材料)產(chǎn)生等離子爆炸，可產(chǎn)生強(qiáng)度高達(dá)幾個(gè)吉帕斯卡的壓力，該壓力通過吸收層傳播至工件，可對工件表層產(chǎn)生高幅殘余壓應(yīng)力，由于吸收層的保護(hù)作用，工件表面不會(huì)受到熱灼燒，21世紀(jì)初，美國將激光沖擊技術(shù)應(yīng)用到F101、F119和F414發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的強(qiáng)化和再制造上。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的疲勞斷裂是影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的主要因素之一，激光沖擊強(qiáng)化飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片具有無可比擬的優(yōu)勢。發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的疲勞斷裂主要發(fā)生在葉片邊緣，激光沖擊處理主要對葉片邊緣區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)化。激光沖擊處理將使處理區(qū)域產(chǎn)生高幅殘余壓應(yīng)力，由于葉片邊緣區(qū)域厚度非常小，殘余壓應(yīng)力的釋放將會(huì)導(dǎo)致葉片邊緣產(chǎn)生變形，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的使用性能；發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是不規(guī)則曲面，激光輻照在不同的部位時(shí)其投影面積將發(fā)生變化，這將導(dǎo)致激光功率密度將發(fā)生變化，從而使殘余應(yīng)力場產(chǎn)生不規(guī)則變化，弓丨起發(fā)動(dòng)機(jī)葉片邊緣產(chǎn)生不規(guī)則的變形，影響發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的使用性能，穩(wěn)定的激光功率密度是發(fā)動(dòng)機(jī)葉片產(chǎn)生規(guī)則變形的前提條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對以上技術(shù)的不足，提供了一種激光沖擊處理曲面的方法，在工件的激光沖擊處理全過程中，始終獲得穩(wěn)定的激光功率密度，避免了工件產(chǎn)生不規(guī)則變形。本發(fā)明的一種激光 沖擊處理曲面的方法，首先將工件待加工表面三維模型導(dǎo)入PR0/E或者其它三維軟件，按照預(yù)設(shè)的加工路徑，將光斑的形狀按實(shí)際的激光束軸線方向投影到工件表面，通過軟件提供的測量功能獲得每一個(gè)在曲面上的投影的面積(其中，
2.“.../O，若預(yù)設(shè)的激光功率密度為/,，激光的脈寬為r，則可計(jì)算出每一個(gè)脈沖所需能量Ei=10 ■ τ.Si (其中，之…將獲得的每一個(gè)脈沖所需能量瓦導(dǎo)入到工控機(jī)，由工控機(jī)控制脈沖激光器的放電電壓，放電電壓G=〃瓦(其中，a是常數(shù)，不同的激光器真.a也不同，1=1,2-...η)從而精確控制每一個(gè)激光脈沖的能量，使整個(gè)加工表面在激光沖擊過程中每個(gè)激光光斑的功率密度精確可控。實(shí)施本發(fā)明的有益效果為:利用三維軟件對三維表面的操作和測量功能，可以快速模擬獲得每一個(gè)激光光斑在實(shí)際待加工表面上的面積；采用本發(fā)明的測量方法，可以快速準(zhǔn)確的測量任何形狀光斑的面積；通過精確控制每個(gè)激光光斑的功率密度，可以使工件的變形可控，避免了工件由于功率密度不一致導(dǎo)致的不規(guī)則變形。


圖1:激光沖擊處理曲面的方法示意 圖2:激光沖擊處理整體葉盤的葉片示意 圖中包括，I激光發(fā)生器、2聚焦透鏡、3整體葉盤、4六自由度機(jī)械手、5水膜、6激光光斑、7噴嘴、8工控機(jī)；
圖3:激光光斑在三維實(shí)體模型曲面上的投影示意 圖中包括，6激光光斑、61激光束軸線方向、62曲面上的激光光斑一、63曲面上的激光光斑二、64曲面上的激光光斑三、31葉片三維模型。圖4:殘余應(yīng)力測點(diǎn)分布 圖5:采用本發(fā)明和未采用本發(fā)明殘余應(yīng)力分布。
具體實(shí)施例方式為更好的闡述本發(fā)明的實(shí)施細(xì)節(jié)，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一種激光沖擊處理曲面的方法進(jìn)行詳細(xì)說明。以激光沖擊整體葉盤的葉片為例，整體葉盤的葉片無法從盤體上拆卸，由于葉片的遮擋，對葉片進(jìn)行激光處理時(shí)在很多位置無法垂直入射到葉片表面，需要傾斜入射，此外葉片表面本身也是不規(guī)則曲面，因此采用相同的激光能量進(jìn)行激光沖擊處理時(shí)其功率密度會(huì)有較大偏差；本發(fā)明的一種激光沖擊處理曲面的方法，其涉及的裝置包括激光發(fā)生器1、聚焦透鏡2、整體葉盤3、六自由度機(jī)械手4、水膜5、激光光斑6、噴嘴7、工控機(jī)8。所述的激光光斑6其截面為正方形，其尺寸為激光發(fā)生器I產(chǎn)生的激光束經(jīng)聚焦透鏡2聚焦后在葉片表面激光 沖擊位置時(shí)的形成的截面尺寸。所述的六自由度機(jī)械手4用來控制葉片按照預(yù)設(shè)的路徑運(yùn)動(dòng)。所述的整體葉盤3的葉片表面涂覆有吸收層。所述的水膜5由噴嘴7所噴出的水流獲得。所述的工控機(jī)8用來控制激光發(fā)生器I的輸入電流以及六自由度機(jī)械手4的聯(lián)動(dòng)。實(shí)施本發(fā)明的一種激光沖擊處理曲面的方法執(zhí)行以下步驟:
O設(shè)定實(shí)際激光沖擊整體葉盤葉片的工作路徑；
2)將葉片三維模型導(dǎo)入三維建模軟件PR0/E;整體葉盤的加工是先創(chuàng)建三維模型，依據(jù)三維模型編制數(shù)控加工程序，然后再進(jìn)行整體銑削加工，由于加工精度高，因此每一個(gè)葉片的尺寸誤差可以忽略，故可以直接使用三維模型代替實(shí)際葉片尺寸；
3)在PR0/E軟件中按步驟I)所預(yù)設(shè)好的工作路徑將激光光斑6沿激光束軸線方向61投影于葉片三維模型31的待加工表面，利用三維軟件的測量功能測量曲面上的激光光斑一 62的面積，按照此方法分別測量曲面上的激光光斑二 63、曲面上的激光光斑三64…，直至測量出激光沖擊路徑上所有的曲面上的激光光斑面積(其中，…相鄰的激光光斑之間都有一定的搭接量，其搭接量為光斑邊長的0.1到0.15，按測量面積計(jì)算出激光沖擊路徑上各激光光斑所需的放電電壓Ui (其中，之….../ ),并根據(jù)公式Ui=CiEi(其中，本實(shí)例采用的激光器其a =215，…從而計(jì)算出獲得路徑上各激光光斑能量瓦所需的電流，將獲得的電流參數(shù)通過工控機(jī)8控制激光發(fā)生器I的輸入電流，從而獲得各激光光斑能量盡;
4)打開噴嘴7，在整體葉盤3的葉片表面獲得水膜5，按照步驟I)的工作路徑，按照步驟3)所獲得的各電流參數(shù)，激光發(fā)生器I發(fā)出的一個(gè)脈沖激光經(jīng)聚焦透鏡2聚焦后對整體葉盤3的葉片表面進(jìn)行激光沖擊處理，工控機(jī)8控制六自由度機(jī)械手4移動(dòng)到下一個(gè)工位，按上述步驟進(jìn)行該工位的激光沖擊處理，依次逐個(gè)處理路徑上所有的工位；
5)當(dāng)完成一個(gè)整體葉盤3的葉片的激光沖擊處理后，依次對剩余的其它葉片進(jìn)行如步驟3)至4)的處理過程，完成整體葉盤3所有的激光沖擊處理。采用本發(fā)明的一種激光沖擊處理曲面的方法后，在葉片表面測得的殘余應(yīng)力分布均勻，圖4和圖5分別為殘余應(yīng)力的測點(diǎn)以及對應(yīng)的殘余應(yīng)力對比值，測點(diǎn)之間的距離為5mm，測量殘余應(yīng)力用X射線衍射儀的測量直徑為1.5mm ;從圖5中可以看出，采用本發(fā)明的技術(shù)方案對葉片處理后，應(yīng)力分 布均勻，導(dǎo)致的變形就有規(guī)律，而且可控。
權(quán)利要求
1.一種激光沖擊處理曲面的方法，其特征在于包括如下步驟:首先將工件待加工表面三維模型導(dǎo)入PRO/E軟件或者其它三維軟件，按照預(yù)設(shè)的加工路徑，將光斑的形狀按實(shí)際的激光束軸線方向投影到工件表面，通過軟件提供的測量功能獲得每一個(gè)在曲面上的投影的面積(其中，iU….../ )，若預(yù)設(shè)的激光功率密度為厶，激光的脈寬為r，則可計(jì)算出每一個(gè)脈沖所需能量盡=Λ .τ.5；.,其中，2…...;將獲得的每一個(gè)脈沖所需能量盡導(dǎo)入到工控機(jī)，由工控機(jī)控制脈沖激光器的放電電壓，放電電壓瓦.，其中，a是常數(shù)，不同的激光器算a也不同，…從而精確控制每一個(gè)激光脈沖的能量，使整個(gè)加工表面在激光沖擊過程中每個(gè)激光光斑的功率密度精確可控。
2.如權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊處理曲面的方法，其特征在于包括如下步驟: 1)設(shè)定實(shí)際激光沖擊整體葉盤葉片的工作路徑； 2)將葉片三維模型導(dǎo)入三維建模軟件PRO/E； 3)在PRO/E軟件中按步驟I)所預(yù)設(shè)好的工作路徑將激光光斑沿激光束軸線方向投影于葉片三維模型的待加工表面，利用三維軟件的測量功能測量曲面上的激光光斑一的面積，按照此方法分別測量曲面上的激光光斑二、曲面上的激光光斑三…，直至測量出激光沖擊路徑上所有的曲面上的激光光斑面積，其中，…/7 );測量面積計(jì)算出激光沖擊路徑上各激光光斑所需的放電電壓G (其中，….../ )，并根據(jù)公式G=Q盡，從而計(jì)算出獲得路徑上各激光光斑能量Ei所需的電流，將獲得的電流參數(shù)通過工控機(jī)控制激光發(fā)生器的輸入電流，從而獲得各激光光斑能量瓦.; 4)打開噴嘴，在整體葉盤的葉片表面獲得水膜，按照步驟I)的工作路徑，按照步驟3)所獲得的各電流參數(shù)，激光發(fā)生器發(fā)出的一個(gè)脈沖激光經(jīng)聚焦透鏡聚焦后對整體葉盤的葉片表面進(jìn)行激光沖擊處理，工控機(jī)控制六自由度機(jī)械手移動(dòng)到下一個(gè)工位，按上述步驟進(jìn)行該工位的激光沖擊處理，依次逐個(gè)處理路徑上所有的工位； 5)當(dāng)完成一個(gè)整體葉盤的葉片的激光沖擊處理后，依次對剩余的其它葉片進(jìn)行如步驟3)至4)的處理過程，完 成整體葉盤所有的激光沖擊處理。
3.如權(quán)利要求2所述的一種激光沖擊處理曲面的方法，其特征在于:相鄰的激光光斑之間都有一定的搭接量，其搭接量為光斑邊長的0.1到0.15。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域，具體地是指一種激光沖擊處理曲面的方法。本發(fā)明利用三維軟件對三維表面的操作和測量功能，可以快速模擬獲得每一個(gè)激光光斑在實(shí)際待加工表面上的面積；采用本發(fā)明的測量方法，可以快速準(zhǔn)確的測量任何形狀光斑的面積；通過精確控制每個(gè)激光光斑的功率密度，可以使工件的變形可控，避免了工件由于功率密度不一致導(dǎo)致的不規(guī)則變形。
文檔編號C21D1/09GK103146893SQ20131007354
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月8日
發(fā)明者戴峰澤, 魯金忠, 鄒世坤, 鞏水利, 張永康, 馮愛新 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所, 江蘇大學(xué), 東南大學(xué)