CN103290178B - 一种隐藏面激光冲击强化方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隐藏面激光冲击强化的方法和装置，采用近似分段加工的方法，在获取整个隐藏面信息以后，制定连续激光冲击强化轨迹和工艺，控制系统根据信号采集卡的信号调节设置在工件内部的全反镜的移动和转动，使反射激光束以合适的入射角，即反射激光束与隐藏面待加工区域法线的夹角，作用于隐藏面待加工区域，从而实现隐藏面激光冲击强化处理。本方法采用工件内部全反镜移动和转动，可以实现工件隐藏面的表面强化处理，显著提高工件的机械性能和疲劳寿命，适用于具有隐藏面工件的表面强化。

Description

一种隐藏面激光冲击强化方法和装置

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特指一种隐藏面激光冲击强化的方法，以及实现这种方法的装置，适用于具有隐藏面工件的表面强化。

背景技术

激光冲击强化(LSP：又叫激光喷丸)是一种新型的材料表面强化技术，利用强激光诱导的冲击波力学效应对材料进行加工，具有高压、高能、超快和超高应变率等特点。其形成的残余压应力层能有效地消除材料内部的应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，能够显著提高金属零件的疲劳寿命以及抗腐蚀和抗磨损能力。

目前国内主要应用激光冲击强化处理工件的外表面，如叶片、齿轮等，而对轴承以及一些以隐藏面作为工作面的零件处理少有报道。张永康等人申报的专利号为200610096476.5的中国专利，名称为一种基于激光冲击波技术孔壁的强化方法和装置提出了采用反射冲击波对工件孔壁的处理方法。随后，姜银方等人申报的专利号为201010510712.X的中国专利，名称为一种紧固孔激光冲击强化的方法和装置也提出了类似的针对于孔壁的处理方法。但当工件隐藏面为曲面或孔径尺寸较大时，以上两种方法均不适用。因为当工件隐藏面为曲面时，很难制造出合适的反射锥使反射冲击波均匀作用于隐藏面，而当孔径尺寸较大时，反射冲击波容易扩散，从而减弱孔壁激光冲击强化的效果。解决隐藏面处理的关键在于将激光束引入工件内部，并且保证以合适的入射角作用于隐藏面待加工区域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隐藏面激光冲击强化方法和装置，以强化工件隐藏面为曲面或孔径尺寸较大时的隐藏面性能。

为了解决经上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种隐藏面激光冲击强化方法，其特征在于：采用近似分段加工的方法，控制系统根据信号采集卡的信号调节设置在工件内部的全反镜的移动和转动，使反射激光束以合适的入射角，即反射激光束与隐藏面待加工区域法线的夹角，作用于隐藏面待加工区域，从而实现隐藏面激光冲击强化；所述入射角的范围为0°-30°。

一种实施所述隐藏面激光冲击强化方法的装置，包括激光器（1）、激光器控制装置（2）、水箱（5）、吸收层（6）、夹具（7）、工作台（8）、信号采集卡Ⅰ（9）、信号采集卡Ⅱ（10）、全反镜（11）、进给装置（12）和控制机构（13）；激光器（1）位于最上方，激光器控制装置（2）与激光器（1）相连，水箱（5）位于激光器正下方，全反镜（11）、信号采集卡Ⅰ（9）和信号采集卡Ⅱ（10）安装在夹具（7）上，夹具（7）通过进给装置（12）与工作台（8）相连，控制系统（13）位于水箱（5）外，通过信号线分别于信号采集卡Ⅰ（9）、信号采集卡Ⅱ（10）以及工作台（8）相连；其特征在于：所述信号采集卡Ⅰ（9）和信号采集卡Ⅱ（10）均位于全反镜（11）所在平面内，并且信号采集卡Ⅰ（9）和信号采集卡Ⅱ（10）的连线与入射激光束共面，同时信号采集卡Ⅰ（9）与信号采集卡Ⅱ（10）之间的距离等于入射激光束在全反镜（11）上入射点与信号采集卡Ⅱ（10）之间的距离；所述进给装置（12）能实现夹具（7）的6个自由度运动。

所述的控制机构（13）能够接收信号采集卡Ⅰ（9）和信号采集卡Ⅱ（10）的信号并同时控制工作台（8）、信号采集卡Ⅰ（9）和信号采集卡Ⅱ（10）的运动。本发明的创新之处在于，将隐藏面轮廓线近似分割成许多小直线段，每两条相连的小直线段之间成一定角度，激光冲击强化过程沿着这些小直线段分段进行，每加工完一条小直线段，全反镜旋转适当的角度并移动到合适的位置开始加工下一条小直线段，保证反射激光束的入射角，即反射激光束与隐藏面待加工区域法线夹角的范围为0°-30°。

使用该装置的具体步骤为：

(1)   在工件隐藏面待加工区域涂上吸收层，再将工件放入空的水箱中；

(2)   将全反镜、信号采集卡Ⅰ和信号采集卡Ⅱ安装在夹具上，保证信号采集卡Ⅰ和信号采集卡Ⅱ均位于全反镜所在平面内，接着将夹具、进给装置和工作台连接好之后将整个工作台部分固定在工件底部；

(3)   通过激光器控制装置设定激光器输出用于指示作用的低能量激光束，打开激光器，然后通过控制系统调整全反镜的位置和角度，使反射激光束垂直于工件最上方的待加工区域A点，并且保证信号采集卡Ⅰ和信号采集卡Ⅱ与入射激光束共面，信号采集卡Ⅰ和信号采集卡Ⅱ的测量方向与反射激光束平行，同时信号采集卡Ⅰ与信号采集卡Ⅱ之间的距离和入射激光束在全反镜上入射点与信号采集卡Ⅱ之间的距离均为L，此时信号采集卡Ⅰ和信号采集卡Ⅱ所对应的分别为隐藏面上的C点和B点；

(4)   控制系统得到信号采集卡Ⅰ和信号采集卡Ⅱ的数据H1和H2以及全反镜与入射激光束夹角θ1，然后根据公式得到加工下一条小直线段时全反镜所要旋转的角度                                                 以及相应的全反镜下移长度 ；

(5)   设定全反镜下移步长为，D为光斑直径，使激光冲击强化的搭接率为50%，当全反镜下移后即完成第一条小直线段AB的加工，然后控制系统按照上一步得到的旋转角度θ3和下移长度H调节全反镜，并将θ1+θ3作为新的θ1值存入；

(6)   重复上面两步，控制系统计算出整个激光冲击强化过程中全反镜完整的移动和转动信息，并保存，然后将全反镜移动到初始位置，即加工工件最上方待加工区域A点时全反镜的位置；

(7)     往水箱中加入自来水，水箱内液面超出工件上表面5-10 mm；

(8)     通过激光器控制装置设定激光器的输出脉冲能量，光斑直径D以及脉冲宽度，打开激光器，开始对工件进行激光冲击强化，控制系统根据保存的全反镜完整的移动和转动信息调节全反镜的运动，完成从上到下的加工过程；

本发明的有益效果如下：

(1)     将激光冲击强化工艺应用于工件隐藏面处理，拓展了激光冲击波先进工艺的应用范围；

(2)     通过全反镜的转动和移动实现近似分段加工，根据获取整个隐藏面信息，制定连续激光冲击强化轨迹和工艺，实现隐藏面激光冲击强化处理，可以适用于多种不同隐藏面的工件；

(3)   本发明中反射激光束的入射角范围为0°-30°，有利于保证激光冲击强化的均匀性，提高加工质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1所示为隐藏面激光冲击强化的示意图。

图中：1. 激光器，2. 激光器控制装置，3. 入射激光束，4. 工件，5. 水箱，6. 吸收层，7. 夹具，8. 工作台，9. 信号采集卡Ⅰ，10.信号采集卡Ⅱ，11. 全反镜，12. 进给装置，13. 控制系统。

图2所示为分段加工原理图。

图中：θ1为入射激光束与全反镜的夹角，θ2为加工完AB段后全反镜理论上需要转动的角度，θ3为采用近似方法得到的加工完AB段后全反镜实际转动的角度。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细说明本发明的技术方案。

实施例一：

一种隐藏面激光冲击强化的装置，如图1所示，包括：激光器1、激光器控制装置2、水箱5、吸收层6、夹具7、工作台8、信号采集卡Ⅰ9、信号采集卡Ⅱ10、全反镜11、进给装置12和控制机构13。

激光器1位于最上方；激光器控制装置2与激光器1相连；水箱5位于激光器正下方；工件4位于水箱5底部；全反镜11、信号采集卡Ⅰ9和信号采集卡Ⅱ10安装在夹具7上；夹具7通过进给装置12与工作台8相连；控制系统13位于水箱5外，通过信号线分别于信号采集卡Ⅰ9、信号采集卡Ⅱ10以及工作台8相连。

实施例二：

实施一种隐藏面激光冲击强化的方法的具体步骤为：

(1)     在工件4隐藏面待加工区域涂上吸收层6，再将工件4放入空的水箱5中；

(2)     将全反镜11、信号采集卡Ⅰ9和信号采集卡Ⅱ10安装在夹具上，保证信号采集卡Ⅰ9和信号采集卡Ⅱ10均位于全反镜11所在平面内，接着将夹具7、进给装置12和工作台8连接好之后将整个工作台部分固定在工件底部；

(3)     通过激光器控制装置2设定激光器输出用于指示作用的低能量激光束打开激光器1，然后通过控制系统13调整全反镜11的位置和角度，使反射激光束垂直于工件4最上方的待加工区域并且保证信号采集卡Ⅰ9和信号采集卡Ⅱ10与入射激光束3共面，信号采集卡Ⅰ9和信号采集卡Ⅱ10的测量方向与反射红外光平行，同时信号采集卡Ⅰ9与信号采集卡Ⅱ10之间的距离和入射激光束3在全反镜11上入射点与信号采集卡Ⅱ10之间的距离均 L 为10 mm；

(4)     控制系统得到信号采集卡Ⅰ9和信号采集卡Ⅱ10的数据H1等于35.6 mm和H2等于38.4 mm.以及全反镜11与入射激光束3夹角θ1等于58.4°，然后根据公式和得到加工下一条小直线段时全反镜11所要旋转的角度 θ3等于16.0°以及相应的全反镜11下移长度H等于12.14 mm；

(5)     根据公式，D为光斑直径，其值为3 mm，设定全反镜11下移步长为1.22 mm，使激光冲击强化的搭接率为50%，根据公式当全反镜下移9.54 mm后即完成第一条小直线段的加工，然后控制系统13按照上一步得到的旋转角度θ3和下移长度H调节全反镜11，并将θ1+θ3作为新的θ1值存入，使全反镜11旋转16.0°后再下移12.14 mm，更新θ1为74.4°；

(6)     重复上面两步，控制系统13计算出整个激光冲击强化过程中全反镜11完整的移动和转动信息，并保存，然后将全反镜11移动到初始位置，即加工工件4最上方待加工区域A点时全反镜11的位置；

(7)     往水箱5中加入自来水，水箱5内液面超出工件上表面5-10 mm；

通过激光器控制装置2设定激光器1的输出脉冲能量，光斑直径D以及脉冲宽度，打开激光器1，开始对工件4进行激光冲击强化，控制系统13根据保存的全反镜11完整的移动和转动信息调节全反镜11的运动，完成从上到下的加工过程。

Claims (3)

1.一种隐藏面激光冲击强化方法，其特征在于：采用近似分段加工的方法，控制系统根据信号采集卡的信号调节设置在工件内部的全反镜的移动和转动，使反射激光束以合适的入射角，即反射激光束与隐藏面待加工区域法线的夹角，作用于隐藏面待加工区域，从而实现隐藏面激光冲击强化；所述入射角的范围为0°-30°；具体步骤为：

步骤一，在工件隐藏面待加工区域涂上吸收层，再将工件放入空的水箱中；

步骤二，将全反镜、信号采集卡Ⅰ和信号采集卡Ⅱ安装在夹具上，保证信号采集卡Ⅰ和信号采集卡Ⅱ均位于全反镜所在平面内，接着将夹具、进给装置和工作台连接好之后将整个工作台部分固定在工件底部；

步骤三，通过激光器控制装置设定激光器输出用于指示作用的低能量激光束，打开激光器，然后通过控制系统调整全反镜的位置和角度，使反射激光束垂直于工件最上方的待加工区域A点，并且保证信号采集卡Ⅰ和信号采集卡Ⅱ与入射激光束共面，信号采集卡Ⅰ和信号采集卡Ⅱ的测量方向与反射激光束平行，同时信号采集卡Ⅰ与信号采集卡Ⅱ之间的距离和入射激光束在全反镜上入射点与信号采集卡Ⅱ之间的距离均为L，此时信号采集卡Ⅰ和信号采集卡Ⅱ所对应的分别为隐藏面上的C点和B点；

步骤四，控制系统得到信号采集卡Ⅰ和信号采集卡Ⅱ的数据H1和H2以及全反镜与入射激光束夹角θ1，然后根据公式得到加工下一条小直线段时全反镜所要旋转的角度 $\mathrm{\θ}3=a\tan \frac{L*\cos \mathrm{\θ}1-(H2-H1)}{L*\sin \mathrm{\θ}1}$ 以及相应的全反镜下移长度 $H=(\frac{L}{2*\cos \mathrm{\θ}1}+H2)*(\frac{\sin (2*\mathrm{\θ}1)}{\sin (2*(\mathrm{\θ}1+\mathrm{\θ}3))}+\cos (2*\mathrm{\θ}1));$

步骤五，设定全反镜下移步长为D为光斑直径，使激光冲击强化的搭接率为50％，当全反镜下移后即完成第一条小直线段AB的加工，然后控制系统按照上一步得到的旋转角度θ3和下移长度H调节全反镜，并将θ1+θ3作为新的θ1值存入；

步骤六，重复步骤四和步骤五，控制系统计算出整个激光冲击强化过程中全反镜完整的移动和转动信息，并保存，然后将全反镜移动到初始位置，即加工工件最上方待加工区域A点时全反镜的位置；

步骤七，往水箱中加入自来水，水箱内液面超出工件上表面5-10mm；

通过激光器控制装置设定激光器的输出脉冲能量，光斑直径D以及脉冲宽度，打开激光器，开始对工件进行激光冲击强化，控制系统根据保存的全反镜完整的移动和转动信息调节全反镜的运动，完成从上到下的加工过程。

2.一种实施权利要求1所述的隐藏面激光冲击强化方法的装置，包括激光器(1)、激光器控制装置(2)、水箱(5)、吸收层(6)、夹具(7)、工作台(8)、信号采集卡Ⅰ(9)、信号采集卡Ⅱ(10)、全反镜(11)、进给装置(12)和控制系统(13)；激光器(1)位于最上方，激光器控制装置(2)与激光器(1)相连，水箱(5)位于激光器正下方，全反镜(11)、信号采集卡Ⅰ(9)和信号采集卡Ⅱ(10)安装在夹具(7)上，夹具(7)通过进给装置(12)与工作台(8)相连，控制系统(13)位于水箱(5)外，通过信号线分别于信号采集卡Ⅰ(9)、信号采集卡Ⅱ(10)以及工作台(8)相连；其特征在于：所述信号采集卡Ⅰ(9)和信号采集卡Ⅱ(10)均位于全反镜(11)所在平面内，并且信号采集卡Ⅰ(9)和信号采集卡Ⅱ(10)的连线与入射激光束共面，同时信号采集卡Ⅰ(9)与信号采集卡Ⅱ(10)之间的距离等于入射激光束在全反镜(11)上入射点与信号采集卡Ⅱ(10)之间的距离；所述进给装置(12)能实现夹具(7)的6个自由度运动。

3.一种如权利要求2所述的隐藏面激光冲击强化装置，其特征在于：所述的控制系统(13)能够接收信号采集卡Ⅰ(9)和信号采集卡Ⅱ(10)的信号并同时控制工作台(8)、信号采集卡Ⅰ(9)和信号采集卡Ⅱ(10)的运动。