一种薄壁环形零件激光喷丸强化装置及加工方法

本发明涉及激光加工处理技术领域或者薄板零件表面强化领域，特别涉及一种薄壁环形零件激光喷丸强化装置及加工方法。

背景技术：

薄壁环形零件具有质量轻、推重比高、结构紧凑等优点，被广泛应用于装备制造业，直接决定着重大装备的性能与可靠性。薄壁环形零件的工作性能和使用寿命主要取决于薄壁环形零件工作表面的抗疲劳性能，而影响薄壁环形零件抗疲劳性能的关键因素是薄壁环形零件表层残余应力大小和分布状态。残余拉应力会导致薄壁环形零件疲劳寿命缩短，残余压应力有利于提高薄壁环形零件的疲劳寿命。因为残余压应力不仅抑制疲劳裂纹萌生，还会抑制疲劳裂纹扩展。目前，薄壁环形零件表层残余应力主要靠砂轮的磨削力产生，这种由磨削加工产生的残余压应力值较小，影响层较浅，薄壁环形零件的抗疲劳性能较差。因此，为了提高薄壁环形零件的表层性能及其使用寿命，采用表面强化技术是十分必要的。

激光喷丸强化技术是一种近年来迅速发展的新型表面强化技术，其利用高能量短脉冲激光冲击波诱导的应力强化和组织强化效应对所加工材料或部件实施表面改性，从而能够有效提高材料的疲劳强度，同时激光喷丸强化技术具有非接触、操作方便、可控性能强和使用范围广等特点，因此在薄壁环形零件表面强化领域具有良好的应用前景。

然而，目前薄壁环形零件激光喷丸强化技术主要存在以下问题：

①薄壁环形零件经激光喷丸强化后会产生不均匀的塑性变形，从而会导致薄壁环形零件表面应力状态分布不均匀，在实际工作中会导致零件表面应力集中，这种不均匀的表面应力状态不利于提高薄壁环形零件的疲劳寿命。

②薄壁环形零件激光喷丸强化加工效率低，加工设备自动化程度不高，柔性程度较低。

现有技术公开了一种薄壁环形零件激光强化装置，该装置通过双激光束对薄壁环形零件进行逐点搭接强化，易造成零件表面残余应力分布不均的误差累积，同时该装置装夹麻烦，只能对单个薄壁环形零件进行强化处理，不易实现自动化生产要求。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种薄壁环形零件激光喷丸强化装置及加工方法，在薄壁环形零件表层形成均匀分布的残余压应力，提高其疲劳寿命；本发明还能够提高加工效率，柔性程度高。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种薄壁环形零件激光喷丸强化装置，包括激光发生装置、光路传输系统、自动上下料机械手、工位转盘、工件夹具系统和自动贴胶带装置；

所述激光发生装置用于产生激光束；所述工位转盘包括至少2个加工工位和上下料工位；所述自动上下料机械手用于在上下料工位抓取薄壁环形零件；所述激光束通过光路传输系统分别射向加工工位的薄壁环形零件外圈，用于对薄壁环形零件强化处理；所述工位转盘的每个工位上均安装工件夹具系统和自动贴胶带装置；所述工件夹具系统用于夹紧薄壁环形零件后使薄壁环形零件自转；所述自动贴胶带装置用于在所述薄壁环形零件外圈形成约束层。

进一步，所述工件夹具系统包括气动三爪卡盘、法兰盘、电机座和第一旋转电机，所述气动三爪卡盘安装在法兰盘上，所述法兰盘通过电机座与所述第一旋转电机相连，用于使气动三爪卡盘旋转。

进一步，所述自动贴胶带装置包括第一胶带卷筒、第二胶带卷筒，第二旋转电机，胶带贴紧滚子和胶带贴紧滚子支架；所述第一胶带滚筒和第二胶带滚筒对称分布在工位两侧，所述第一胶带卷筒与第二胶带卷筒之间安装黑胶带，所述第二旋转电机用于驱动第二胶带卷筒转动，使得在薄壁环形零件加工过程中黑胶带不断换新；所述黑胶带通过胶带贴紧滚子压紧在薄壁环形零件外圈。

进一步，每个所述工位上开有滑槽，且所述第一胶带滚筒和第二胶带滚筒位于滑槽两侧；所述电机座位于滑槽中，气缸位于工位附近的工位转盘底面上，所述气缸驱动电机座在滑槽内移动，通过气缸使薄壁环形零件与黑胶带贴合。

进一步，所述胶带贴紧滚子的宽度与薄壁环形零件宽度相同。

进一步，所述工位转盘上设有2个相邻的加工工位，所述光路传输系统包括第一导光臂、第二导光臂和光路折返装置，第一导光臂和第二导光臂分别安装在光路折返装置上，所述光路折返装置用于将激光发生装置产生的激光束分成两束激光，第一束激光通过第一导光臂输入到第一加工工位；所述第二束激光通过第二导光臂输入到第二加工工位。

进一步，所述第一加工工位和第二加工工位的相位差与所述第一导光臂和第二导光臂的相位差的差值为5°～10°；所述第一导光臂的中心线和第二导光臂的中心线分别与薄壁环形零件中心共线。

一种薄壁环形零件激光喷丸强化装置的加工方法，包括如下步骤：

通过自动上下料机械手抓取薄壁环形零件放置在上料工位的气动三爪卡盘上，通过加压使气动三爪卡盘夹紧薄壁环形零件内圈；通过气缸带动电机座在滑槽内滑动，带动气动三爪卡盘向前移动，使得薄壁环形零件与黑胶带贴合；

工位转盘在传动机构的驱动下将薄壁环形零件旋转至第一加工工位，使第一导光臂对准薄壁环形零件；同时启动激光发生装置、第一旋转电机和第二旋转电机，第一束激光通过第一导光臂输入薄壁环形零件外圈，用于激光喷丸强化；第二旋转电机带动第二胶带卷筒转动，使得在激光喷丸强化过程中黑胶带能够不断换新；

工位转盘在传动机构的驱动下将薄壁环形零件旋转至第二加工工位，使第二导光臂对准薄壁环形零件；第二束激光通过第二导光臂输入薄壁环形零件外圈，用于对第一加工工位未搭接部位的激光喷丸强化；

工位转盘在传动机构的驱动下将加工完成的薄壁环形零件旋转至下料工位，通过气缸带动电机座在滑槽内滑动，带动气动三爪卡盘向后移动，使得薄壁环形零件与黑胶带脱离；气动三爪卡盘卸载气压，自动上下料机械手抓取加工完成的薄壁环形零件离开加工区域，放入收集箱中。

进一步，所述工位转盘在传动机构的驱动下旋转至第一加工工位或第二加工工位或下料工位时，在上料工位上自动上下料机械手抓取薄壁环形零件上料。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的薄壁环形零件激光喷丸强化装置及加工方法，通过自动贴胶带装置使激光喷丸强化过程中黑胶带能够不断换新，保证激光喷丸强化的效果；通过所述第一加工工位和第二加工工位的相位差与所述第一导光臂和第二导光臂的相位差不同，可以实现薄壁环形零件表面全覆盖激光喷丸强化。

2.本发明所述的薄壁环形零件激光喷丸强化装置及加工方法，可在薄壁环形零件表层产生均匀分布的残余压应力，改变了表层微观组织结构和力学性能，延长了薄壁环形零件的疲劳寿命。

3.本发明所述的薄壁环形零件激光喷丸强化装置及加工方法，自动化程度高，装置柔性大，提高了加工效率。

附图说明

图1为本发明所述的薄壁环形零件激光喷丸强化装置总装图。

图2为本发明所述的加工工位局部放大示意图。

图3为本发明所述的工件夹具系统结构示意图。

图4为本发明所述的光路折返装置内部结构示意图。

图5为本发明所述的第一导光臂加工工位激光光斑运动轨迹。

图6为本发明所述的第二导光臂加工工位激光光斑运动轨迹。

图中：

1-机架；2-工位转盘；3-载物台；4-光路折返装置；5-自动上下料机械手；6-激光发生装置；7-第二导光臂；8-第一导光臂；9-黑胶带；10-第一胶带滚筒；11-气动三爪卡盘；12-气缸；13-第一旋转电机；14-第二旋转电机；15-第二胶带滚筒；16-胶带贴紧滚子支架；17-胶带贴紧滚子；18-薄壁环形零件；19-电机座；20-法兰盘；21-外壳；22-分束棱镜；23-第一反射镜；24-第三反射镜；25-第二反射镜。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明所述的薄壁环形零件激光喷丸强化装置，包括机架1、激光发生装置6、光路传输系统、自动上下料机械手5和工位转盘2；所述工位转盘2位于机架1上，通过传动机构的驱动下可旋转；所述工位转盘2包括2个加工工位、上料工位和下料工位；所述工位转盘2的每个工位上均安装工件夹具系统和自动贴胶带装置；

所述激光发生装置6安装在机架1上用于产生激光束；所述激光束通过所述光路传输系统分布在加工工位上对薄壁环形零件18进行强化处理；薄壁环形零件18的直径与壁厚之比大于20。所述自动上下料机械手5用于在上下料工位抓取薄壁环形零件18；

所述光路传输系统包括第一导光臂8、第二导光臂7和光路折返装置；所述光路折返装置放置在载物台3上；载物台3位于工位转盘2中心，所述第一导光臂8和第二道光臂7的夹角为85°，同时所述第一导光臂8和第二导光臂7的中心与薄壁环形零件18中心平行；如图4所示，所述光路折返装置包括外壳21、分束棱镜22、第一反射镜23、第二反射镜25和第三反射镜24，分束棱镜22、第一反射镜23、第二反射镜25和第三反射镜24位于外壳21内。所述激光束经分束棱镜22后由一束激光分为两束激光，第一束激光通过第一反射23后进入第一导光臂8，第二束激光通过第二反射镜25和第三反射镜24后进入第二导光臂7。

所述工位转盘2上均布2个加工工位、上料工位和下料工位，即第一加工工位和第二加工工位相位角为90°。如图2和图3所示，所述工件夹具系统包括气动三爪卡盘11、法兰盘20、电机座19、第一旋转电机13和气缸12，所述气动三爪卡盘11安装在法兰盘20上，所述法兰盘20通过传动轴和所述第一旋转电机13相连，每个所述工位上开有滑槽，所述电机座19安装滑槽中，所述气缸12固定在所述工位转盘2的底面并与电机座19相连。所述气缸12驱动电机座19在滑槽内移动。

所述自动贴胶带装置包括第一胶带卷筒10、第二胶带卷筒15，第二旋转电机14，胶带贴紧滚子17和胶带贴紧滚子支架16；所述第一胶带滚筒10和第二胶带滚筒15对称分布在滑槽两侧，所述第二胶带滚筒15和所述第二旋转电机14相连，所述胶带贴紧滚子17安装在所述胶带贴紧滚子的支架16上，所述胶带贴紧滚子支架16安装在四工位转盘2的上表面。所述第二旋转电机14用于驱动第二胶带卷筒15转动，使得在薄壁环形零件18加工过程中黑胶带9不断换新；所述黑胶带9通过胶带贴紧滚子17压紧在薄壁环形零件18外圈。

本发明的工位转盘2的加工工位不限于4个，但至少2个加工工位。只需要满足相邻加工工位的相位差与相邻导光臂的相位差的差值为5°～10°。

本发明所述的薄壁环形零件激光喷丸强化装置加工方法，包括如下步骤：

第一步，在上料工位自动上下料机械手5抓取薄壁环形零件18放置在气动三爪卡盘11上，气动三爪卡盘11在气压作用下完成薄壁环形零件18的夹紧，气缸12推动电机座19向前滑动，带动气动三爪卡盘11和薄壁环形零件18向前移动，使得薄壁环形零件18与黑胶带9贴合。

第二步，工位转盘2在传动机构的驱动下旋转90°到第一导光臂8所在第一加工工位，同时在上料工位重复上一步骤。调节激光发生装置6各项参数：激光脉冲宽度为15ns，激光波长为1064nm，激光能量6j，重复频率为10hz。同时启动激光发生装置6、第一旋转电机13和第二旋转电机14，通过程序控制第一旋转电机13和第二旋转电机14的转速，以保证激光喷丸强化中薄壁环形零件18时实现无搭接强化，如图5所示。第二旋转电机14带动第二胶带卷筒15转动，使得在激光喷丸强化过程中黑胶带9能够不断换新，保证激光喷丸强化的效果。胶带贴紧滚子17与薄壁环形零件18完全贴合，使得在黑胶带9换新过程中与薄壁环形零件18紧密贴合。

第三步，待薄壁环形零件18在第一导光臂8加工位置完成一周的强化后，暂停激光发生装置6、第一旋转电机13和第二旋转电机14。工位转盘2转动90°，使得在第一导光臂8加工工位完成强化的薄壁环形零件18旋转到第二导光臂7所在第二加工工位，同时上料工位未强化的薄壁环形零件18旋转到第一导光臂8所在第一加工工位，再次重复第一步骤，完成上料工位的上料。再次启动激光发生装置6、第一旋转电机13和第二旋转电机14，在第二导光臂7加工位置完成薄壁环形零件18未搭接部位的激光喷丸强化，如图6所示；在第一导光臂8加工工位完成新的薄壁环形零件18无搭接激光喷丸强化。

第四步，重复上述步骤，使得在第二导光臂7加工工位完成加工的薄壁环形零件18旋转到下料工位，气缸12向后移动，带动薄壁环形零件18脱离黑胶带9，气动三爪卡盘11卸载气压，自动上下料机械手5抓取加工完成的薄壁环形零件18离开加工区域，放入收集箱中。

第五步，接着按照上述工作步骤继续进行薄壁环形零件18激光喷丸强化，继而实现激光喷丸强化薄壁环形零件18的自动化加工。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。