專(zhuān)利名稱(chēng)：一種環(huán)形激光沖擊強(qiáng)化緊固孔的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及緊固孔加工制造技術(shù)領(lǐng)域，特指一種環(huán)形激光沖擊強(qiáng)化緊固孔的方法 和裝置，特別適用于應(yīng)力集中嚴(yán)重的小直徑緊固孔的內(nèi)表面強(qiáng)化。
背景技術(shù)：
緊固孔是飛機(jī)構(gòu)件上典型的應(yīng)力集中細(xì)節(jié)，在交變載荷的作用下極易產(chǎn)生疲勞裂 紋，從而導(dǎo)致整機(jī)的安全性、可靠性和使用壽命都大大降低。因此，在設(shè)計(jì)、選材和制造中， 如何盡可能減小緊固孔應(yīng)力集中的影響，改善飛機(jī)結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，延長(zhǎng)使用壽命，確保 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性，是設(shè)計(jì)和材料研究者的重要研究課題。在工程實(shí)踐中，通常 對(duì)緊固孔進(jìn)行表面強(qiáng)化處理來(lái)提高飛機(jī)的壽命。強(qiáng)化技術(shù)(fatigue life enhancement methods, FLEM)是增強(qiáng)飛機(jī)疲勞壽命的措施的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是指在不改變結(jié)構(gòu)形式、材料，不增 加結(jié)構(gòu)重量的前提下，經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)重要部位和關(guān)鍵部位的強(qiáng)化工藝處理而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)疲 勞壽命的目的。如今，緊固孔強(qiáng)化技術(shù)主要有冷擠壓和機(jī)械噴丸。冷擠壓主要是開(kāi)縫襯套間接冷擠壓美國(guó)疲勞技術(shù)公司的Darryl E. Quincey和 Charles Μ. Copple等人申報(bào)了專(zhuān)利號(hào)為5305627的美國(guó)專(zhuān)利，名稱(chēng)為開(kāi)縫襯套間接冷擠壓 (Split Sleeve Cold Expansion)。該專(zhuān)利將一開(kāi)縫襯套放入緊固孔中，芯棒塞入緊固孔使 開(kāi)縫襯套膨脹來(lái)間接擠壓緊固孔內(nèi)壁，其工藝復(fù)雜，每次消耗一個(gè)襯套，并且大量直徑小于 Φ 3. 5mm的小孔無(wú)法采用擠壓強(qiáng)化(如擠壓芯棒直徑小于Φ 3. 5mm，連接螺紋極易折斷或疲 勞)，而鉚釘孔屬疲勞性能薄弱環(huán)節(jié)，急需一種新型強(qiáng)化方法。緊固孔的機(jī)械噴丸強(qiáng)化方法 主要是利用噴丸槍或噴丸分流器實(shí)現(xiàn)間接噴丸，另外還有旋片噴丸和斜式噴丸。美國(guó)通用 公司的 Peter A. Simeone 和 Apostolos P. karafillis 等人申報(bào)了專(zhuān)利號(hào)為 US 6189356 Bl的美國(guó)專(zhuān)利，名稱(chēng)為噴丸方法和裝置(Method and Apparatus for Peening)，該專(zhuān)利將 頂端為錐面的分流桿在緊固孔伸入孔一端，丸粒在緊固孔另一端噴入，經(jīng)分流桿的錐面反 射對(duì)緊固孔的內(nèi)壁進(jìn)行噴丸，但是其導(dǎo)致材料表面粗糙度的增大，會(huì)在一定程度上抵消殘 余應(yīng)力對(duì)延長(zhǎng)疲勞壽命的貢獻(xiàn)。張永康，張興權(quán)等人申報(bào)的專(zhuān)利號(hào)為200610096476. 5的中 國(guó)專(zhuān)利，名稱(chēng)為一種基于激光沖擊波技術(shù)孔壁的強(qiáng)化方法和裝置，該專(zhuān)利應(yīng)用激光沖擊波 對(duì)孔內(nèi)壁進(jìn)行強(qiáng)化，其產(chǎn)生沖擊波的反射面為圓錐面，并且所采用的激光脈沖的光斑為圓 形的一般光斑，由于緊固孔較小，激光脈沖光斑直徑便也很小，聚焦的激光脈沖極易作用在 錐面尖頂部分，尖頂部分應(yīng)力集中較嚴(yán)重，容易損壞，不利于連續(xù)作業(yè)，同時(shí)對(duì)孔壁的沖擊 力較小，強(qiáng)化效果不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述缺點(diǎn)，提供一種有利于連續(xù)作業(yè)，強(qiáng)化效果良好的緊固 孔強(qiáng)化的方法和裝置。本發(fā)明通過(guò)在緊固孔內(nèi)壁引入合適的殘余應(yīng)力，有效提高緊固孔疲 勞壽命。該方法基于激光沖擊波理論，將環(huán)形激光在孔的內(nèi)部誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體爆炸力 作用于孔內(nèi)壁，從而達(dá)到強(qiáng)化緊固孔的效果。
本發(fā)明裝置包括電腦，高功率脈沖激光器，45°全反鏡，光斑調(diào)節(jié)裝置，能量吸收 桿，進(jìn)給機(jī)構(gòu)A，夾具，進(jìn)給機(jī)構(gòu)B，工作臺(tái)，導(dǎo)軌，步進(jìn)電機(jī)，噴水裝置；所述光斑調(diào)節(jié)裝置包 括擴(kuò)束鏡，會(huì)聚透鏡，圓錐透鏡A，圓錐透鏡B ；高功率脈沖激光器出光處設(shè)有經(jīng)過(guò)45°全 反鏡，45°全反鏡下方設(shè)有光斑調(diào)節(jié)裝置，光斑調(diào)節(jié)裝置正對(duì)能量吸收桿的錐面，能量吸收 桿下端安裝在進(jìn)給機(jī)構(gòu)A上，能量吸收桿上端置于工件的待強(qiáng)化孔內(nèi)，工件安裝在夾具上， 夾具安裝在進(jìn)給機(jī)構(gòu)B上，進(jìn)給機(jī)構(gòu)A和進(jìn)給機(jī)構(gòu)B安裝于工作臺(tái)上，高功率脈沖激光器， 步進(jìn)電機(jī)，工作臺(tái)分別與電腦相連；
所述步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)光斑調(diào)節(jié)裝置中的圓錐透鏡A與圓錐透鏡B的間距Cl1來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)形 激光脈沖的內(nèi)徑；調(diào)節(jié)圓錐透鏡B和能量吸收桿頭部圓錐面的間距d2來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)形激光脈沖 外徑。本發(fā)明特征在于，采用環(huán)形激光脈沖作用在能量吸收桿上；所述能量吸收桿頭部 帶有角度為加的圓錐面，0° < a <90°，能量吸收桿頭部圓錐面受到環(huán)形激光脈沖作用后 產(chǎn)生沖擊波；高功率脈沖激光器發(fā)出的激光脈寬為5ns 50ns可調(diào)，能量在OJ 50J可 調(diào)；光斑調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)的環(huán)形光斑內(nèi)徑為Imm 10mm，保證環(huán)形激光脈沖環(huán)形部分包容能 量吸收桿錐面尖頂部分，外徑為Imm 20mm，保證環(huán)形激光脈沖充分聚焦；
本發(fā)明的具體步驟如下
(1)根據(jù)需要強(qiáng)化的緊固孔的尺寸和孔軸配合原則，制作相應(yīng)尺寸的頭部帶有角度為 加的圓錐面的能量吸收桿，保證能量吸收桿在孔內(nèi)根據(jù)要求上下運(yùn)動(dòng)。(2)將工件和能量吸收桿分別安裝在兩個(gè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)上，將能量吸收桿塞入需要強(qiáng) 化的緊固孔中并調(diào)節(jié)能量吸收桿與孔的相對(duì)高度，然后調(diào)節(jié)兩個(gè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，使能量吸收桿 的頭部圓錐面調(diào)節(jié)到激光焦點(diǎn)光斑的位置。(3)調(diào)節(jié)高功率脈沖激光器參數(shù)，環(huán)形脈沖激光參數(shù)，使參數(shù)滿足試驗(yàn)要求；所述 高功率脈沖激光器參數(shù)包括激光能量，激光脈寬；所述環(huán)形脈沖激光參數(shù)包括環(huán)形光斑 內(nèi)徑，環(huán)形光斑外徑。(4)噴射裝置向緊固孔噴水，高功率脈沖激光器輸出的激光通過(guò)光斑調(diào)節(jié)裝置輸 出環(huán)形激光脈沖作用在能量吸收桿的圓錐面上，環(huán)形激光脈沖在圓錐面上誘導(dǎo)的等離子體 爆炸產(chǎn)生的沖擊波使能量吸收桿的圓錐面所在緊固孔深度位置的孔壁得到強(qiáng)化。(5)將緊固孔和能量吸收桿向上或向下運(yùn)動(dòng)到一個(gè)新的位置，重復(fù)以上步驟，實(shí)現(xiàn) 整個(gè)孔壁的強(qiáng)化。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
1.環(huán)形激光脈沖的中空部分避開(kāi)了能量吸收桿圓錐面的尖頂部分，能量吸收桿不易被 損壞，有利于連續(xù)作業(yè)，強(qiáng)化效果好。2.該方法將激光在孔的內(nèi)部誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體爆炸力作用于孔內(nèi)壁，使孔內(nèi)壁 產(chǎn)生一定的塑性變形，從而引入比一般強(qiáng)化更深的殘余應(yīng)力，有效的提高緊固孔的疲勞壽 命。3.這種方法以激光為加工工具，無(wú)工具損傷，綠色環(huán)保。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
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圖1是緊固孔激光沖擊強(qiáng)化裝置示意圖。圖2是緊固孔激光沖擊強(qiáng)化原理圖。圖中，1.電腦，2.高功率脈沖激光器，3. 45°全反鏡，4.擴(kuò)束鏡，5.會(huì)聚透鏡，6.圓 錐透鏡A，7.圓錐透鏡B，8.環(huán)形激光脈沖，9.工件，10.能量吸收桿，11.進(jìn)給機(jī)構(gòu)A，12.夾 具，13.進(jìn)給機(jī)構(gòu)B，14.工作臺(tái)，15.光斑調(diào)節(jié)裝置，16.水，17.等離子體，18.光斑內(nèi)徑調(diào)節(jié) 間距屯，19.光斑外徑調(diào)節(jié)間距d2，20.導(dǎo)軌，21.步進(jìn)電機(jī)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提出的具體裝置的細(xì)節(jié)和工作情況。用本發(fā)明進(jìn)行緊固孔的激光沖擊強(qiáng)化裝置包括電腦1，高功率脈沖激光器2， 45°全反鏡3，光斑調(diào)節(jié)裝置15，能量吸收桿10，進(jìn)給機(jī)構(gòu)All，夾具12，進(jìn)給機(jī)構(gòu)B13，工作 臺(tái)14，導(dǎo)軌20，步進(jìn)電機(jī)21，噴水裝置；所述光斑調(diào)節(jié)裝置15包括擴(kuò)束鏡4，會(huì)聚透鏡5， 圓錐透鏡A6，圓錐透鏡B7 ；光斑調(diào)節(jié)裝置15設(shè)于工作臺(tái)14正上方，進(jìn)給機(jī)構(gòu)All設(shè)于工作 臺(tái)14中間、進(jìn)給機(jī)構(gòu)B13設(shè)于工作臺(tái)14的一側(cè)，進(jìn)給機(jī)構(gòu)All和進(jìn)給機(jī)構(gòu)B13上設(shè)夾具， 能量吸收桿10安裝在進(jìn)給機(jī)構(gòu)All的夾具上；高功率脈沖激光器2，步進(jìn)電機(jī)21，工作臺(tái)14 分別與電腦1相連；高功率脈沖激光器2輸出的激光通過(guò)45°全反鏡3進(jìn)入光斑調(diào)節(jié)裝置 15輸出環(huán)形激光脈沖8作用在能量吸收桿10上誘導(dǎo)等離子體17爆炸產(chǎn)生沖擊波強(qiáng)化緊固 孔內(nèi)壁；能量吸收桿10由對(duì)激光波長(zhǎng)吸收率高的材料制作而成，頭部帶有角度為加的圓錐 面，0° < a <90°，其作用是受到激光脈沖輻射后產(chǎn)生沖擊波，能量吸收桿10外圓是與待加 工緊固孔配合的圓柱面，約束層為水。本發(fā)明的原理見(jiàn)圖2，將頭部帶有圓錐面的能量吸收桿10置于緊固孔內(nèi)部適當(dāng)位 置，采用高功率環(huán)形激光脈沖8將能量吸收桿10頭部圓錐面的尖頂部分包容在激光束的中 空部分，環(huán)形激光脈沖8作用在能量吸收桿10頭部圓錐面誘導(dǎo)等離子體17爆炸，爆炸的等 離子體17在緊固孔內(nèi)受到水16的約束，產(chǎn)生的沖擊波向底部和圓孔四周傳播，向圓孔四周 傳播的沖擊波使緊固孔內(nèi)壁的材料發(fā)生塑性變形，從而引入殘余應(yīng)力來(lái)強(qiáng)化緊固孔。本發(fā)明的具體實(shí)施步驟為根據(jù)需要強(qiáng)化的緊固孔的尺寸和孔軸配合原則，制作 相應(yīng)尺寸的頭部帶有角度為加的圓錐面的能量吸收桿10，保證能量吸收桿10在孔內(nèi)根據(jù) 要求上下運(yùn)動(dòng)；將工件9和能量吸收桿10分別安裝在兩個(gè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)上，將能量吸收桿10塞 入需要強(qiáng)化的緊固孔中并調(diào)節(jié)能量吸收桿10與孔的相對(duì)高度，然后調(diào)節(jié)兩個(gè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，使 能量吸收桿10的頭部圓錐面調(diào)節(jié)到激光焦點(diǎn)光斑的位置；調(diào)節(jié)高功率脈沖激光器2參數(shù)， 環(huán)形脈沖激光8參數(shù)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)參數(shù)，使參數(shù)滿足試驗(yàn)要求；所述高功率脈沖激光器2參數(shù) 包括激光能量，激光脈寬；所述環(huán)形脈沖激光8參數(shù)包括環(huán)形光斑內(nèi)徑，環(huán)形光斑外徑； 所述進(jìn)給機(jī)構(gòu)參數(shù)包括兩個(gè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向；電腦1控制高功率脈沖激 光器2和兩個(gè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的配合運(yùn)行，噴射裝置向緊固孔噴水，高功率脈沖激光器2輸出的激 光通過(guò)光斑調(diào)節(jié)裝置15輸出環(huán)形激光脈沖8作用在能量吸收桿10的圓錐面上，環(huán)形激光 脈沖8在圓錐面上誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體17爆炸產(chǎn)生的沖擊波使能量吸收桿10的圓錐面所 在緊固孔深度位置的孔壁得到強(qiáng)化，電腦1控制進(jìn)給機(jī)構(gòu)B13向上或向下運(yùn)動(dòng)到一個(gè)新的 位置，從而使緊固孔和能量吸收桿10的相對(duì)位置發(fā)生改變，使孔壁的另一深度的位置得到 強(qiáng)化。這樣通過(guò)工件9上下運(yùn)動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)整個(gè)孔壁的強(qiáng)化。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)形激光沖擊強(qiáng)化緊固孔的方法，其特征在于，將頭部帶有圓錐面的能量吸收 桿(10)置于緊固孔內(nèi)部適當(dāng)位置，采用高功率環(huán)形激光脈沖(8)環(huán)繞能量吸收桿(10)頭部 圓錐面的尖頂部分，使能量吸收桿(10)頭部圓錐面的尖頂部分激光束的中空部分，環(huán)形激 光脈沖(8)作用在能量吸收桿(10)圓錐面誘導(dǎo)等離子體(17)爆炸產(chǎn)生沖擊波，使其作用于 緊固孔內(nèi)壁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形激光沖擊強(qiáng)化緊固孔裝置的方法，其特征在于，具體步 驟如下(A)根據(jù)需要強(qiáng)化的緊固孔的尺寸和孔軸配合原則，制作相應(yīng)尺寸的頭部為圓錐面的 能量吸收桿(10)，能量吸收桿(10)在孔內(nèi)能夠上下運(yùn)動(dòng)；(B)將工件(9)和能量吸收桿(10)分別安裝在兩個(gè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)上，將能量吸收桿(10)塞 入需要強(qiáng)化的緊固孔中并調(diào)節(jié)能量吸收桿(10)與緊固孔的相對(duì)高度，然后調(diào)節(jié)兩個(gè)進(jìn)給機(jī) 構(gòu)，使能量吸收桿(10)的頭部圓錐面調(diào)節(jié)到激光焦點(diǎn)光斑的位置；(C)調(diào)節(jié)高功率脈沖激光器(2)參數(shù)，環(huán)形激光脈沖(8)參數(shù)，使參數(shù)滿足試驗(yàn)要求；所 述高功率脈沖激光器(2)參數(shù)包括激光能量，激光脈寬；所述環(huán)形激光脈沖(8)參數(shù)包括 環(huán)形光斑內(nèi)徑，環(huán)形光斑外徑；(D)噴射裝置向緊固孔噴水，高功率脈沖激光器(2)輸出的激光通過(guò)光斑調(diào)節(jié)裝置 (15)輸出環(huán)形激光脈沖(8)作用在能量吸收桿(10)的圓錐面上，環(huán)形激光脈沖(8)在圓錐 面上誘導(dǎo)的等離子體(17)爆炸產(chǎn)生的沖擊波使能量吸收桿(10)的圓錐面所在緊固孔深度 位置的孔壁得到強(qiáng)化；(E)將緊固孔和能量吸收桿(10)向上或向下運(yùn)動(dòng)到一個(gè)新的位置，重復(fù)以上步驟，實(shí)現(xiàn) 整個(gè)孔壁的強(qiáng)化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形激光沖擊強(qiáng)化緊固孔裝置的方法，其特征在于，所述高 功率脈沖激光器(2)發(fā)出的激光脈寬為5ns 50ns，能量在OJ 50J ；光斑調(diào)節(jié)裝置(15) 調(diào)節(jié)的環(huán)形光斑內(nèi)徑為Imm 10mm，環(huán)形激光脈沖(8)環(huán)形部分外徑為Imm 20mm。
4.一種實(shí)施權(quán)利要求1所述的環(huán)形激光沖擊強(qiáng)化緊固孔方法的裝置，其特征在于，包 括高功率脈沖激光器(2)，45°全反鏡(3)，光斑調(diào)節(jié)裝置(15)，能量吸收桿(10)，進(jìn)給機(jī)構(gòu) A (11)，夾具(12)，進(jìn)給機(jī)構(gòu)B (13)，工作臺(tái)(14)，導(dǎo)軌(20)，步進(jìn)電機(jī)(21)，噴水裝置；高功 率脈沖激光器(2)出光處設(shè)有經(jīng)過(guò)45°全反鏡(3)，45°全反鏡(3)下方設(shè)有光斑調(diào)節(jié)裝置 (15)，光斑調(diào)節(jié)裝置(15)正對(duì)能量吸收桿(10)的錐面，能量吸收桿(10)下端安裝在進(jìn)給機(jī) 構(gòu)A (11)上，能量吸收桿(10)上端置于工件(9)的待強(qiáng)化孔內(nèi)，工件(9)安裝在夾具(12) 上，夾具(12)安裝在進(jìn)給機(jī)構(gòu)B (13)上，進(jìn)給機(jī)構(gòu)A (11)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)B (13)安裝于工作 臺(tái)(14)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述環(huán)形激光沖擊強(qiáng)化緊固孔的裝置，其特征在于，所述光斑調(diào)節(jié) 裝置(15)包括擴(kuò)束鏡(4)、會(huì)聚透鏡(5)、圓錐透鏡A (6)和圓錐透鏡B (7)，所述擴(kuò)束鏡 (4)、會(huì)聚透鏡(5)、圓錐透鏡A (6)和圓錐透鏡B (7)由上至下依次布置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述環(huán)形激光沖擊強(qiáng)化緊固孔的裝置，其特征在于，還包括步進(jìn)電 機(jī)(21)，所述步進(jìn)電機(jī)(21)調(diào)節(jié)光斑調(diào)節(jié)裝置(15)中的圓錐透鏡A (6)與圓錐透鏡B (7) 的間距Cl1 (18)，來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)形激光脈沖(8)的內(nèi)徑；步進(jìn)電機(jī)(21)調(diào)節(jié)圓錐透鏡B (7)和能 量吸收桿(10)頭部圓錐面的間距d2 (19)來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)形激光脈沖(8)外徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述環(huán)形激光沖擊強(qiáng)化緊固孔的裝置，其特征在于還包括電腦(1)， 所述電腦(1)連接高功率脈沖激光器(2 )，所述工作臺(tái)(14 )與電腦(1)連接，所述步進(jìn)電機(jī) (21)與電腦(1)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述環(huán)形激光沖擊強(qiáng)化緊固孔的裝置，其特征在于，所述能量吸收 桿(10)由對(duì)激光波長(zhǎng)吸收率高的材料制作而成，頭部圓錐面的角度為加，0° < a <90°， 能量吸收桿(10)外圓是與待加工緊固孔配合的圓柱面。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種環(huán)形激光沖擊強(qiáng)化緊固孔的方法和裝置，涉及緊固孔加工制造技術(shù)領(lǐng)域；本發(fā)明采用能量吸收桿(10)頭部為圓錐面；高功率脈沖激光通過(guò)光斑調(diào)節(jié)裝置(15)輸出環(huán)形激光脈沖(8)，環(huán)形激光脈沖(8)將能量吸收桿(10)頭部圓錐面的尖頂部分包容在激光束的中空部分，同時(shí)環(huán)形激光脈沖(8)作用在能量吸收桿(10)頭部圓錐面誘導(dǎo)等離子體(17)爆炸產(chǎn)生沖擊波作用于緊固孔內(nèi)壁，從而對(duì)緊固孔進(jìn)行強(qiáng)化。本發(fā)明適合于強(qiáng)化小直徑緊固孔，環(huán)形激光脈沖(8)的中空部分避開(kāi)了能量吸收桿(10)圓錐面的尖頂部分，能量吸收桿(10)不易被損壞，有利于連續(xù)作業(yè)，強(qiáng)化效果好。
文檔編號(hào)C21D1/09GK102061362SQ20101060379
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者姜銀方, 張朝陽(yáng), 張永康, 管海兵, 錢(qián)曉明 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)