本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域，特指一種可以對零件狹窄部位進(jìn)行激光噴丸的針式激光噴丸裝置，主要適用于孔、齒輪及整體葉盤的激光噴丸強(qiáng)化。

發(fā)明背景

隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展,對金屬零件的強(qiáng)度變得要求越來高,利用強(qiáng)激光誘導(dǎo)沖擊波來強(qiáng)化金屬表面的新技術(shù)稱為激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)(簡稱lsp),由于其表面強(qiáng)化效果好,自產(chǎn)生之日起就得到了廣泛的關(guān)注和研究。1998年該技術(shù)被美國研發(fā)雜志評為全美100項(xiàng)最重要的先進(jìn)技術(shù)之一；美國上世紀(jì)90年代后期開始的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高頻疲勞研究計(jì)劃中,將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)列為工藝技術(shù)措施首位,2005年,研制激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)的mic公司獲美國國防制造最高成就獎(jiǎng),美國將該技術(shù)列為第四代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一,足見該項(xiàng)技術(shù)的重大價(jià)值,國內(nèi)外的研究均表明,激光沖擊強(qiáng)化對各種鋁合金、鎳基合金、不銹鋼、鈦合金、鑄鐵以及粉末冶金等均有良好的強(qiáng)化效果,除了在航空工業(yè)具有極好的應(yīng)用前景外,在汽車制造、醫(yī)療衛(wèi)生、海洋運(yùn)輸和核工業(yè)等都有潛在的應(yīng)用價(jià)值；

然而，隨著零件結(jié)構(gòu)的緊湊化設(shè)計(jì)，以及對零件整體壽命的要求提高，在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了一些難以進(jìn)行沖擊的表面，如孔的內(nèi)壁，整體葉盤的葉根，齒輪的齒根等。這些部位難以通過調(diào)整激光與零件的角度來保證激光的垂直入射，從而難以保證沖擊的穩(wěn)定性。美國對整體葉盤復(fù)雜結(jié)構(gòu)葉片強(qiáng)化的激光入射角不超過60°，我國新型整體葉盤葉片扭轉(zhuǎn)角大于美國，隱蔽面強(qiáng)化時(shí)激光入射角超過了60°，光束可達(dá)性更差。激光沖擊波峰值壓力高達(dá)數(shù)gpa，用圓形光斑強(qiáng)化葉片薄邊緣(約0.5-0.6mm)時(shí)易產(chǎn)生正面鍋形凹陷和背面鼓起的大變形。薄壁曲面復(fù)雜(變曲率、變厚度)，激光變?nèi)肷浣堑拇竺娣e搭接沖擊的變形規(guī)律很復(fù)雜，整體變形量的控制很難。除本項(xiàng)目外，尚未見到國內(nèi)外公開報(bào)道的控制變形量的相關(guān)技術(shù)與理論。

針對以上不足，本發(fā)明提出一種針式激光噴丸裝置及隱蔽復(fù)雜薄壁零件表面激光沖擊強(qiáng)化方法,使激光沖擊技術(shù)能夠有效深入難沖擊表面，優(yōu)化激光參數(shù)，提高對這些表面的噴丸質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供一種針式激光噴丸裝置，該裝置可以自由的進(jìn)入孔、齒輪齒根、整體葉盤葉片根部等狹窄部位進(jìn)行噴丸，保證噴丸質(zhì)量。

一種針式激光噴丸裝置，包括聚焦腔、針式導(dǎo)光管、涂水機(jī)器人、機(jī)械手。聚焦腔由機(jī)械手夾持，以便于調(diào)整其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。其特征在于：所述聚焦腔由腔體、透鏡組、氣動(dòng)微控單元組成。腔體的一段設(shè)有光纖入口和冷卻氣體入口，激光通過光纖入口進(jìn)入腔體，經(jīng)過透鏡組調(diào)制成平行光束從腔體的另一端輸出。第一組透鏡之間設(shè)有氣動(dòng)微控單元，氣動(dòng)微控單元的外壁設(shè)有氣控氣體入口用于調(diào)節(jié)透鏡間的距離以獲取不同大小的光斑。腔體的另一端連接有空心軸電機(jī)，針式導(dǎo)光管的一端安裝在空心軸電機(jī)內(nèi)。

一種針式激光噴丸裝置，其特征在于：所述針式導(dǎo)光管由管腔、反射鏡座，反射鏡，導(dǎo)氣端蓋，聚焦鏡組成。反射鏡安裝在反射鏡座上。反射鏡座內(nèi)設(shè)有氣道便于冷卻氣流通過并保持反射鏡兩面的氣壓平衡。反射鏡座通過連桿與導(dǎo)氣端蓋相連。導(dǎo)氣端蓋的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其內(nèi)圈設(shè)有螺紋，與管腔相連接。管腔的一端設(shè)有凹槽，聚焦鏡安裝在凹槽內(nèi)，用于保護(hù)反射鏡。導(dǎo)氣端蓋將氣流引至聚焦鏡表面，防止水濺射到聚焦鏡上，影響出光質(zhì)量，并保護(hù)聚焦鏡由于水流和激光的共同作用而產(chǎn)生破裂。

一種隱蔽面激光噴丸方法：首先通過計(jì)算機(jī)預(yù)讀取隱蔽面的三維圖形信息，計(jì)算模擬出激光掃描路徑及入射角度，計(jì)算出實(shí)際處理表面的光斑尺寸及所需功率密度，當(dāng)隱蔽面扭轉(zhuǎn)角度過大，則將激光改為斜入射待處理表面，在待處理表面形成橢圓形光斑，此時(shí)同時(shí)通過氣動(dòng)微控單元調(diào)整透鏡間的距離進(jìn)一步縮小光斑，同時(shí)通過激光能量補(bǔ)償單元保證光斑為橢圓時(shí)光斑內(nèi)的激光功率密度與圓形光斑近似，機(jī)械手通過調(diào)整針式激光噴丸裝置的位移來補(bǔ)償縮小光斑帶來的位置偏差。所述激光能量補(bǔ)償單元由諧振腔、前置放大器、一級放大器、二級放大器、分光鏡、能量計(jì)、計(jì)算機(jī)組成。

一種防止薄壁結(jié)構(gòu)變形的激光噴丸方法：根據(jù)薄板受力和氣化物擴(kuò)散模型建立了薄板運(yùn)動(dòng)方程，推導(dǎo)出激光沖擊波作用下薄板塑性變形量xm，

其中h為沖擊區(qū)域材料厚度，y為材料屈服強(qiáng)度，a為變形區(qū)域半徑，p0為沖擊波峰值壓力，δ0為被激光氣化的物質(zhì)厚度(取決于激光功率密度和脈寬)。

首先通過計(jì)算機(jī)預(yù)估薄壁件的變形量并根據(jù)沖擊件幾何模型優(yōu)化激光沖擊參數(shù)，進(jìn)行沖擊時(shí)，如圖1所示，激光由諧振腔射出，經(jīng)前置放大器、一級放大器、二級放大器射出，一小部分激光能量經(jīng)分光鏡反射至能量計(jì)，能量計(jì)將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)來計(jì)算射出的激光能量，計(jì)算機(jī)通過預(yù)制的激光功率變化規(guī)律不斷控制前置放大器、一級放大器、二級放大器來調(diào)節(jié)激光能量，完成對變截面薄壁件的激光沖擊。對沖擊區(qū)域過薄，減小激光能量又難以產(chǎn)生足夠的殘余壓應(yīng)力時(shí)，則在沖擊區(qū)域的背面黏貼特制的吸波片，來增加材料剛度并吸收反射波，阻止材料的過度變形。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)自由度高，調(diào)節(jié)范圍大，能夠?qū)崿F(xiàn)對任意曲率表面的沖擊。

(2)體積小，可以方便的深入孔，齒輪以及葉輪根部進(jìn)行沖擊。

(3)使用方便，對易處理的零件可以將針式導(dǎo)光管取下進(jìn)行沖擊，也可以直接用使用針式導(dǎo)光管對普通零件進(jìn)行沖擊。

(4)具有氣體保護(hù)，避免了裝置由于熱積累產(chǎn)生變形帶來的不穩(wěn)定性，同時(shí)氣流對透鏡的保護(hù)也提高的裝置的穩(wěn)定性。

(5)采用六軸聯(lián)動(dòng)姿態(tài)控制的柔性光學(xué)關(guān)節(jié)小型激光加工頭和水約束層、隱蔽面激光傳輸技術(shù)，解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的光束可達(dá)性差的技術(shù)難題。

(6)采用激光入射能量補(bǔ)償技術(shù)，解決了激光變?nèi)肷浣悄芰糠植季鶆蛐缘募夹g(shù)難題。

(7)提出了方形光斑激光沖擊軌跡規(guī)劃、葉片邊緣背面貼吸波層和邊緣過渡區(qū)變激光功率的控制變形方法，解決了薄壁零件強(qiáng)化后變形量大的技術(shù)難題。

附圖說明：

本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)附圖說明如下：

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明聚焦腔結(jié)構(gòu)圖；

圖3是針狀導(dǎo)光管結(jié)構(gòu)圖；

圖4是孔噴丸示意圖；

圖5是隱蔽薄壁變截面表面的激光沖擊作業(yè)示意圖。

聚焦腔1、針式導(dǎo)光管2、涂水機(jī)器人3、待沖擊零件4、機(jī)械手5、腔體6、激光7、加持裝置8、空心軸電機(jī)9、水流10、透鏡組11、冷卻氣體入口12、光纖入口13、管腔14、氣流15、反射鏡16、反射鏡座17、氣道18、連桿19、導(dǎo)氣端蓋20、水膜21、聚焦鏡22、吸收層23、孔24、分光鏡25、反射鏡26、氣控氣體入口27、氣動(dòng)微控單元28、吸波片29。

具體實(shí)施方式：

以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不是用來限制本發(fā)明。

一種針式激光噴丸裝置，包括聚焦腔1、針式導(dǎo)光管2、涂水機(jī)器人3、機(jī)械手5。聚焦腔1由機(jī)械手5夾持，以便于調(diào)整其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。聚焦腔1由腔體6、透鏡組11組成。腔體6的一段設(shè)有光纖入口13和冷卻氣體入口12，激光7通過光纖入口13進(jìn)入腔體，經(jīng)過透鏡組11調(diào)制成平行光束從腔體6的另一端輸出。腔體6的另一端連接有空心軸電機(jī)9，第一組透鏡之間設(shè)有氣動(dòng)微控單元28，氣動(dòng)微控單元28的外壁設(shè)有氣控氣體入口27用于調(diào)節(jié)透鏡間的距離以獲取不同大小的光斑。針試導(dǎo)光管2的一端安裝在空心軸電機(jī)9內(nèi)。

所述針式導(dǎo)光管2由管腔14、反射鏡座17，反射鏡16，導(dǎo)氣端蓋20，聚焦鏡22組成。反射鏡16安裝在反射鏡座17上。反射鏡座內(nèi)設(shè)有氣道18便于冷卻氣流通過并保持反射鏡16兩面的氣壓平衡。反射鏡座17通過連桿19與導(dǎo)氣端蓋20相連。導(dǎo)氣端蓋20的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其內(nèi)圈設(shè)有螺紋，與管腔14相連接。管腔14的一端設(shè)有凹槽，聚焦鏡22安裝在凹槽內(nèi)，用于保護(hù)反射鏡16。導(dǎo)氣端蓋20將氣流15引至聚焦鏡22表面，防止水濺射到聚焦鏡22上，影響出光質(zhì)量，并保護(hù)聚焦鏡22由于水和激光7的共同作用而產(chǎn)生破裂。

附圖說明：

具體實(shí)施例1：

窄間隙部位的噴丸：在待沖擊零件4的待沖擊表面粘貼上吸收層23，將聚焦腔1通過加持裝置8夾持在機(jī)械手5上，機(jī)械手5調(diào)整針式導(dǎo)光管16的位置，將其插入待沖擊零件4狹窄部位。涂水機(jī)器人3調(diào)整好水流10的角度，在待沖擊表面形成一定厚度的水膜21。氣流15由冷卻氣體入口進(jìn)入，經(jīng)聚焦腔進(jìn)入針式導(dǎo)光管16，氣流15通過導(dǎo)氣端蓋20中的氣道18引導(dǎo)至聚焦鏡22表面，形成保護(hù)氣膜。激光7通過光纖入口13導(dǎo)入聚焦腔4，經(jīng)過調(diào)制后形成平行光束導(dǎo)入針式導(dǎo)光管16，經(jīng)反射鏡16反射后穿過聚焦鏡22輻照在待沖擊零件4表面形成沖擊。機(jī)械手5不斷調(diào)整針式導(dǎo)光管16的位置，同時(shí)空心軸電機(jī)9配合待沖擊表面的曲率調(diào)整激光7的入射角度，進(jìn)而對全表面進(jìn)行沖擊。

具體實(shí)施例2

孔的沖擊：如圖4所示，孔24的直徑為5cm，深10cm，針式光導(dǎo)管2的直徑為1.5cm，長度為15cm，導(dǎo)氣端蓋20出氣口處直徑為2cm，首先在孔24內(nèi)噴涂吸收層23，涂水機(jī)器人3調(diào)整水流10的角度，使水流10沿孔壁流動(dòng)，機(jī)械手5調(diào)整針式導(dǎo)光管2的位置，使其管腔14平行于孔壁，機(jī)械手5帶動(dòng)針式導(dǎo)光管2插入孔24的底部，空心軸電機(jī)9控制針式導(dǎo)管的轉(zhuǎn)速為2mm/s。激光7經(jīng)聚焦腔4聚焦后形成直徑為4mm的激光光束，經(jīng)針式導(dǎo)光管2中的反射鏡16反射后輻照孔壁，形成激光沖擊，機(jī)械手5控制針式導(dǎo)光管2的提升，使其每旋轉(zhuǎn)一圈上升2mm，逐步完成對整個(gè)孔壁的噴丸。

具體實(shí)施例3

隱蔽薄壁變截面表面的激光沖擊

首先通過計(jì)算機(jī)預(yù)估薄壁件的變形量并根據(jù)沖擊件幾何模型優(yōu)化激光沖擊參數(shù)，進(jìn)行沖擊時(shí)，如圖5所示，激光由諧振腔射出，經(jīng)過反射鏡26反射，經(jīng)前置放大器、一級放大器、二級放大器射出，一小部分激光能量經(jīng)分光鏡25反射至能量計(jì)，能量計(jì)將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)來計(jì)算射出的激光能量，計(jì)算機(jī)通過預(yù)制的激光功率變化規(guī)律不斷控制前置放大器、一級放大器、二級放大器來調(diào)節(jié)激光能量。對沖擊區(qū)域過薄，減小激光能量又難以產(chǎn)生足夠的殘余壓應(yīng)力時(shí)，則在沖擊區(qū)域的背面黏貼特制的吸波片29，來增加材料剛度并吸收反射波，阻止材料的過度變形。

接著通過計(jì)算機(jī)預(yù)讀取隱蔽面的三維圖形信息，計(jì)算模擬出激光掃描路徑及入射角度，計(jì)算出實(shí)際處理表面的光斑尺寸及所需功率密度，當(dāng)隱蔽面扭轉(zhuǎn)角度過大，則將激光改為斜入射待處理表面，在待處理表面形成橢圓形光斑，此時(shí)同時(shí)通過氣動(dòng)微控單元28調(diào)整透鏡組11間的距離進(jìn)一步縮小光斑，同時(shí)通過激光能量補(bǔ)償單元(圖5)保證光斑為橢圓時(shí)光斑內(nèi)的激光功率密度與圓形光斑近似，機(jī)械手6通過調(diào)整針式導(dǎo)光管2的位移來補(bǔ)償縮小光斑帶來的位置偏差進(jìn)而完成對變截面薄壁件的激光沖擊。

具體實(shí)施例4

一種針式激光噴丸裝置，包括聚焦腔、針式導(dǎo)光管、涂水機(jī)器人、機(jī)械手。聚焦腔由機(jī)械手夾持，以便于調(diào)整其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。所述聚焦腔由腔體、透鏡組、氣動(dòng)微控單元組成。腔體的一段設(shè)有光纖入口和冷卻氣體入口，激光通過光纖入口進(jìn)入腔體，經(jīng)過透鏡組調(diào)制成平行光束從腔體的另一端輸出。第一組透鏡之間設(shè)有氣動(dòng)微控單元，氣動(dòng)微控單元的外壁設(shè)有氣控氣體入口用于調(diào)節(jié)透鏡間的距離以獲取不同大小的光斑。腔體的另一端連接有空心軸電機(jī)，針式導(dǎo)光管的一端安裝在空心軸電機(jī)內(nèi)。

所述針式導(dǎo)光管由管腔、反射鏡座，反射鏡，導(dǎo)氣端蓋，聚焦鏡組成。反射鏡安裝在反射鏡座上。反射鏡座內(nèi)設(shè)有氣道便于冷卻氣流通過并保持反射鏡兩面的氣壓平衡。反射鏡座通過連桿與導(dǎo)氣端蓋相連。導(dǎo)氣端蓋的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其內(nèi)圈設(shè)有螺紋，與管腔相連接。管腔的一端設(shè)有凹槽，聚焦鏡安裝在凹槽內(nèi)，用于保護(hù)反射鏡。導(dǎo)氣端蓋將氣流引至聚焦鏡表面，防止水濺射到聚焦鏡上，影響出光質(zhì)量，并保護(hù)聚焦鏡由于水流和激光的共同作用而產(chǎn)生破裂。

應(yīng)用所述針式激光噴丸裝置的一種隱蔽面激光噴丸方法：首先通過計(jì)算機(jī)預(yù)讀取隱蔽面的三維圖形信息，計(jì)算模擬出激光掃描路徑及入射角度，計(jì)算出實(shí)際處理表面的光斑尺寸及所需功率密度，當(dāng)隱蔽面扭轉(zhuǎn)角度過大，則將激光改為斜入射待處理表面，在待處理表面形成橢圓形光斑，此時(shí)同時(shí)通過氣動(dòng)微控單元調(diào)整透鏡間的距離進(jìn)一步縮小光斑，同時(shí)通過激光能量補(bǔ)償單元保證光斑為橢圓時(shí)光斑內(nèi)的激光功率密度與圓形光斑近似，機(jī)械手通過調(diào)整針式激光噴丸裝置的位移來補(bǔ)償縮小光斑帶來的位置偏差。所述激光能量補(bǔ)償單元由諧振腔、前置放大器、一級放大器、二級放大器、分光鏡、能量計(jì)、計(jì)算機(jī)組成。

應(yīng)用所述針式激光噴丸裝置的一種防止薄壁結(jié)構(gòu)變形的激光噴丸方法：根據(jù)薄板受力和氣化物擴(kuò)散模型建立了薄板運(yùn)動(dòng)方程，推導(dǎo)出激光沖擊波作用下薄板塑性變形量xm，

其中h為沖擊區(qū)域材料厚度，y為材料屈服強(qiáng)度，a為變形區(qū)域半徑，p0為沖擊波峰值壓力，δ0為被激光氣化的物質(zhì)厚度(取決于激光功率密度和脈寬)。

首先通過計(jì)算機(jī)預(yù)估薄壁件的變形量并根據(jù)沖擊件幾何模型優(yōu)化激光沖擊參數(shù)，進(jìn)行沖擊時(shí)，如圖1所示，激光由諧振腔射出，經(jīng)前置放大器、一級放大器、二級放大器射出，一小部分激光能量經(jīng)分光鏡反射至能量計(jì)，能量計(jì)將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)來計(jì)算射出的激光能量，計(jì)算機(jī)通過預(yù)制的激光功率變化規(guī)律不斷控制前置放大器、一級放大器、二級放大器來調(diào)節(jié)激光能量，完成對變截面薄壁件的激光沖擊。對沖擊區(qū)域過薄，減小激光能量又難以產(chǎn)生足夠的殘余壓應(yīng)力時(shí)，則在沖擊區(qū)域的背面黏貼特制的吸波片，來增加材料剛度并吸收反射波，阻止材料的過度變形。