针式激光喷丸装置的制作方法

本发明涉及激光加工领域，特指一种可以对零件狭窄部位进行激光喷丸的针式激光喷丸装置，主要适用于孔、齿轮及整体叶盘的激光喷丸强化。

发明背景

随着航空航天事业的发展,对金属零件的强度变得要求越来高,利用强激光诱导冲击波来强化金属表面的新技术称为激光冲击强化技术(简称lsp),由于其表面强化效果好,自产生之日起就得到了广泛的关注和研究。1998年该技术被美国研发杂志评为全美100项最重要的先进技术之一；美国上世纪90年代后期开始的航空发动机高频疲劳研究计划中,将激光冲击强化技术列为工艺技术措施首位,2005年,研制激光冲击强化系统的mic公司获美国国防制造最高成就奖,美国将该技术列为第四代战斗机发动机关键技术之一,足见该项技术的重大价值,国内外的研究均表明,激光冲击强化对各种铝合金、镍基合金、不锈钢、钛合金、铸铁以及粉末冶金等均有良好的强化效果,除了在航空工业具有极好的应用前景外,在汽车制造、医疗卫生、海洋运输和核工业等都有潜在的应用价值；

然而，随着零件结构的紧凑化设计，以及对零件整体寿命的要求提高，在实际应用中出现了一些难以进行冲击的表面，如孔的内壁，整体叶盘的叶根，齿轮的齿根等。这些部位难以通过调整激光与零件的角度来保证激光的垂直入射，从而难以保证冲击的稳定性。美国对整体叶盘复杂结构叶片强化的激光入射角不超过60°，我国新型整体叶盘叶片扭转角大于美国，隐蔽面强化时激光入射角超过了60°，光束可达性更差。激光冲击波峰值压力高达数gpa，用圆形光斑强化叶片薄边缘(约0.5-0.6mm)时易产生正面锅形凹陷和背面鼓起的大变形。薄壁曲面复杂(变曲率、变厚度)，激光变入射角的大面积搭接冲击的变形规律很复杂，整体变形量的控制很难。除本项目外，尚未见到国内外公开报道的控制变形量的相关技术与理论。

针对以上不足，本发明提出一种针式激光喷丸装置及隐蔽复杂薄壁零件表面激光冲击强化方法,使激光冲击技术能够有效深入难冲击表面，优化激光参数，提高对这些表面的喷丸质量。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种针式激光喷丸装置，该装置可以自由的进入孔、齿轮齿根、整体叶盘叶片根部等狭窄部位进行喷丸，保证喷丸质量。

一种针式激光喷丸装置，包括聚焦腔、针式导光管、涂水机器人、机械手。聚焦腔由机械手夹持，以便于调整其运动姿态。其特征在于：所述聚焦腔由腔体、透镜组、气动微控单元组成。腔体的一段设有光纤入口和冷却气体入口，激光通过光纤入口进入腔体，经过透镜组调制成平行光束从腔体的另一端输出。第一组透镜之间设有气动微控单元，气动微控单元的外壁设有气控气体入口用于调节透镜间的距离以获取不同大小的光斑。腔体的另一端连接有空心轴电机，针式导光管的一端安装在空心轴电机内。

一种针式激光喷丸装置，其特征在于：所述针式导光管由管腔、反射镜座，反射镜，导气端盖，聚焦镜组成。反射镜安装在反射镜座上。反射镜座内设有气道便于冷却气流通过并保持反射镜两面的气压平衡。反射镜座通过连杆与导气端盖相连。导气端盖的结构如图3所示，其内圈设有螺纹，与管腔相连接。管腔的一端设有凹槽，聚焦镜安装在凹槽内，用于保护反射镜。导气端盖将气流引至聚焦镜表面，防止水溅射到聚焦镜上，影响出光质量，并保护聚焦镜由于水流和激光的共同作用而产生破裂。

一种隐蔽面激光喷丸方法：首先通过计算机预读取隐蔽面的三维图形信息，计算模拟出激光扫描路径及入射角度，计算出实际处理表面的光斑尺寸及所需功率密度，当隐蔽面扭转角度过大，则将激光改为斜入射待处理表面，在待处理表面形成椭圆形光斑，此时同时通过气动微控单元调整透镜间的距离进一步缩小光斑，同时通过激光能量补偿单元保证光斑为椭圆时光斑内的激光功率密度与圆形光斑近似，机械手通过调整针式激光喷丸装置的位移来补偿缩小光斑带来的位置偏差。所述激光能量补偿单元由谐振腔、前置放大器、一级放大器、二级放大器、分光镜、能量计、计算机组成。

一种防止薄壁结构变形的激光喷丸方法：根据薄板受力和气化物扩散模型建立了薄板运动方程，推导出激光冲击波作用下薄板塑性变形量xm，

其中h为冲击区域材料厚度，y为材料屈服强度，a为变形区域半径，p0为冲击波峰值压力，δ0为被激光气化的物质厚度(取决于激光功率密度和脉宽)。

首先通过计算机预估薄壁件的变形量并根据冲击件几何模型优化激光冲击参数，进行冲击时，如图1所示，激光由谐振腔射出，经前置放大器、一级放大器、二级放大器射出，一小部分激光能量经分光镜反射至能量计，能量计将数据传输给计算机来计算射出的激光能量，计算机通过预制的激光功率变化规律不断控制前置放大器、一级放大器、二级放大器来调节激光能量，完成对变截面薄壁件的激光冲击。对冲击区域过薄，减小激光能量又难以产生足够的残余压应力时，则在冲击区域的背面黏贴特制的吸波片，来增加材料刚度并吸收反射波，阻止材料的过度变形。

本发明的有益效果为：

(1)自由度高，调节范围大，能够实现对任意曲率表面的冲击。

(2)体积小，可以方便的深入孔，齿轮以及叶轮根部进行冲击。

(3)使用方便，对易处理的零件可以将针式导光管取下进行冲击，也可以直接用使用针式导光管对普通零件进行冲击。

(4)具有气体保护，避免了装置由于热积累产生变形带来的不稳定性，同时气流对透镜的保护也提高的装置的稳定性。

(5)采用六轴联动姿态控制的柔性光学关节小型激光加工头和水约束层、隐蔽面激光传输技术，解决了复杂结构的光束可达性差的技术难题。

(6)采用激光入射能量补偿技术，解决了激光变入射角能量分布均匀性的技术难题。

(7)提出了方形光斑激光冲击轨迹规划、叶片边缘背面贴吸波层和边缘过渡区变激光功率的控制变形方法，解决了薄壁零件强化后变形量大的技术难题。

附图说明：

本发明装置结构附图说明如下：

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明聚焦腔结构图；

图3是针状导光管结构图；

图4是孔喷丸示意图；

图5是隐蔽薄壁变截面表面的激光冲击作业示意图。

聚焦腔1、针式导光管2、涂水机器人3、待冲击零件4、机械手5、腔体6、激光7、加持装置8、空心轴电机9、水流10、透镜组11、冷却气体入口12、光纤入口13、管腔14、气流15、反射镜16、反射镜座17、气道18、连杆19、导气端盖20、水膜21、聚焦镜22、吸收层23、孔24、分光镜25、反射镜26、气控气体入口27、气动微控单元28、吸波片29。

具体实施方式：

以下实施例用于说明本发明，但不是用来限制本发明。

一种针式激光喷丸装置，包括聚焦腔1、针式导光管2、涂水机器人3、机械手5。聚焦腔1由机械手5夹持，以便于调整其运动姿态。聚焦腔1由腔体6、透镜组11组成。腔体6的一段设有光纤入口13和冷却气体入口12，激光7通过光纤入口13进入腔体，经过透镜组11调制成平行光束从腔体6的另一端输出。腔体6的另一端连接有空心轴电机9，第一组透镜之间设有气动微控单元28，气动微控单元28的外壁设有气控气体入口27用于调节透镜间的距离以获取不同大小的光斑。针试导光管2的一端安装在空心轴电机9内。

所述针式导光管2由管腔14、反射镜座17，反射镜16，导气端盖20，聚焦镜22组成。反射镜16安装在反射镜座17上。反射镜座内设有气道18便于冷却气流通过并保持反射镜16两面的气压平衡。反射镜座17通过连杆19与导气端盖20相连。导气端盖20的结构如图3所示，其内圈设有螺纹，与管腔14相连接。管腔14的一端设有凹槽，聚焦镜22安装在凹槽内，用于保护反射镜16。导气端盖20将气流15引至聚焦镜22表面，防止水溅射到聚焦镜22上，影响出光质量，并保护聚焦镜22由于水和激光7的共同作用而产生破裂。

附图说明：

具体实施例1：

窄间隙部位的喷丸：在待冲击零件4的待冲击表面粘贴上吸收层23，将聚焦腔1通过加持装置8夹持在机械手5上，机械手5调整针式导光管16的位置，将其插入待冲击零件4狭窄部位。涂水机器人3调整好水流10的角度，在待冲击表面形成一定厚度的水膜21。气流15由冷却气体入口进入，经聚焦腔进入针式导光管16，气流15通过导气端盖20中的气道18引导至聚焦镜22表面，形成保护气膜。激光7通过光纤入口13导入聚焦腔4，经过调制后形成平行光束导入针式导光管16，经反射镜16反射后穿过聚焦镜22辐照在待冲击零件4表面形成冲击。机械手5不断调整针式导光管16的位置，同时空心轴电机9配合待冲击表面的曲率调整激光7的入射角度，进而对全表面进行冲击。

具体实施例2

孔的冲击：如图4所示，孔24的直径为5cm，深10cm，针式光导管2的直径为1.5cm，长度为15cm，导气端盖20出气口处直径为2cm，首先在孔24内喷涂吸收层23，涂水机器人3调整水流10的角度，使水流10沿孔壁流动，机械手5调整针式导光管2的位置，使其管腔14平行于孔壁，机械手5带动针式导光管2插入孔24的底部，空心轴电机9控制针式导管的转速为2mm/s。激光7经聚焦腔4聚焦后形成直径为4mm的激光光束，经针式导光管2中的反射镜16反射后辐照孔壁，形成激光冲击，机械手5控制针式导光管2的提升，使其每旋转一圈上升2mm，逐步完成对整个孔壁的喷丸。

具体实施例3

隐蔽薄壁变截面表面的激光冲击

首先通过计算机预估薄壁件的变形量并根据冲击件几何模型优化激光冲击参数，进行冲击时，如图5所示，激光由谐振腔射出，经过反射镜26反射，经前置放大器、一级放大器、二级放大器射出，一小部分激光能量经分光镜25反射至能量计，能量计将数据传输给计算机来计算射出的激光能量，计算机通过预制的激光功率变化规律不断控制前置放大器、一级放大器、二级放大器来调节激光能量。对冲击区域过薄，减小激光能量又难以产生足够的残余压应力时，则在冲击区域的背面黏贴特制的吸波片29，来增加材料刚度并吸收反射波，阻止材料的过度变形。

接着通过计算机预读取隐蔽面的三维图形信息，计算模拟出激光扫描路径及入射角度，计算出实际处理表面的光斑尺寸及所需功率密度，当隐蔽面扭转角度过大，则将激光改为斜入射待处理表面，在待处理表面形成椭圆形光斑，此时同时通过气动微控单元28调整透镜组11间的距离进一步缩小光斑，同时通过激光能量补偿单元(图5)保证光斑为椭圆时光斑内的激光功率密度与圆形光斑近似，机械手6通过调整针式导光管2的位移来补偿缩小光斑带来的位置偏差进而完成对变截面薄壁件的激光冲击。

具体实施例4

一种针式激光喷丸装置，包括聚焦腔、针式导光管、涂水机器人、机械手。聚焦腔由机械手夹持，以便于调整其运动姿态。所述聚焦腔由腔体、透镜组、气动微控单元组成。腔体的一段设有光纤入口和冷却气体入口，激光通过光纤入口进入腔体，经过透镜组调制成平行光束从腔体的另一端输出。第一组透镜之间设有气动微控单元，气动微控单元的外壁设有气控气体入口用于调节透镜间的距离以获取不同大小的光斑。腔体的另一端连接有空心轴电机，针式导光管的一端安装在空心轴电机内。

所述针式导光管由管腔、反射镜座，反射镜，导气端盖，聚焦镜组成。反射镜安装在反射镜座上。反射镜座内设有气道便于冷却气流通过并保持反射镜两面的气压平衡。反射镜座通过连杆与导气端盖相连。导气端盖的结构如图3所示，其内圈设有螺纹，与管腔相连接。管腔的一端设有凹槽，聚焦镜安装在凹槽内，用于保护反射镜。导气端盖将气流引至聚焦镜表面，防止水溅射到聚焦镜上，影响出光质量，并保护聚焦镜由于水流和激光的共同作用而产生破裂。

应用所述针式激光喷丸装置的一种隐蔽面激光喷丸方法：首先通过计算机预读取隐蔽面的三维图形信息，计算模拟出激光扫描路径及入射角度，计算出实际处理表面的光斑尺寸及所需功率密度，当隐蔽面扭转角度过大，则将激光改为斜入射待处理表面，在待处理表面形成椭圆形光斑，此时同时通过气动微控单元调整透镜间的距离进一步缩小光斑，同时通过激光能量补偿单元保证光斑为椭圆时光斑内的激光功率密度与圆形光斑近似，机械手通过调整针式激光喷丸装置的位移来补偿缩小光斑带来的位置偏差。所述激光能量补偿单元由谐振腔、前置放大器、一级放大器、二级放大器、分光镜、能量计、计算机组成。

应用所述针式激光喷丸装置的一种防止薄壁结构变形的激光喷丸方法：根据薄板受力和气化物扩散模型建立了薄板运动方程，推导出激光冲击波作用下薄板塑性变形量xm，

其中h为冲击区域材料厚度，y为材料屈服强度，a为变形区域半径，p0为冲击波峰值压力，δ0为被激光气化的物质厚度(取决于激光功率密度和脉宽)。

首先通过计算机预估薄壁件的变形量并根据冲击件几何模型优化激光冲击参数，进行冲击时，如图1所示，激光由谐振腔射出，经前置放大器、一级放大器、二级放大器射出，一小部分激光能量经分光镜反射至能量计，能量计将数据传输给计算机来计算射出的激光能量，计算机通过预制的激光功率变化规律不断控制前置放大器、一级放大器、二级放大器来调节激光能量，完成对变截面薄壁件的激光冲击。对冲击区域过薄，减小激光能量又难以产生足够的残余压应力时，则在冲击区域的背面黏贴特制的吸波片，来增加材料刚度并吸收反射波，阻止材料的过度变形。