CN106216445A - 一种具有复杂表面的大型薄壁件激光喷丸矫形方法 - Google Patents

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Abstract

现有的矫形技术方法是用压机采用点压的方法矫形，即在尺寸变大的方向上压。但利用压机对具有复杂表面的大型薄壁件，矫形时存在种种问题：1.难以避开未变形的复杂表面，引入二次变形；2矫形压力难以精确调控，容易产生过变形和回弹；3处理后的表面往往具有拉应力，容易成为新的裂纹萌生点。基于大型薄壁件矫形工艺的现状，本发明提出一种具有复杂表面的大型薄壁件激光喷丸矫形方法,能够精确控制薄壁件的变形，将因变形而报废的零件矫正为合格形态，并在矫形区域施加残余压应力，提高零件的使用寿命。

Description

一种具有复杂表面的大型薄壁件激光喷丸矫形方法
技术领域
本发明涉及激光喷丸矫形领域，特指一种具有复杂表面的大型薄壁件激光喷丸矫形方法，它能够对不同的变形区域进行分析，制定不同的激光喷丸矫形测量，从而精确的将零件恢复为原始形状。
技术背景
随着航空技术的发展，高速轻量成为当今世界先进飞行器研制的方向。在飞机中含有大量的具有复杂表面的薄壁件如机匣、叶片等，大型薄壁钛合金铸件，其轮廓尺寸、结构形式对采用熔模精密铸造的方式铸造成型，存在很大的工艺难度，虽然在整个工艺流程中从蜡模工序就开始控制铸件变形，但在后期浇注后的铸件变形量仍然达到2.5～3.5mm甚至3.5mm以上，报废率极高，另外在使用过程中由于承受交变载荷，也会有大量的零件产生变形，对于这些零件直接进行再制造更换零件成本太高，对其进行矫形修复是节约成本的必要措施。
现有的矫形技术方法是用压机采用点压的方法矫形，即在尺寸变大的方向上压。但利用压机对具有复杂表面的大型薄壁件，矫形时存在种种问题：1.难以避开未变形的复杂表面，引入二次变形；2矫形压力难以精确调控，容易产生过变形和回弹；3处理后的表面往往具有拉应力，容易成为新的裂纹萌生点。
发明内容
基于大型薄壁件矫形工艺的现状，本发明提出一种具有复杂表面的大型薄壁件激光喷丸矫形方法,能够精确控制薄壁件的变形，将因变形而报废的零件矫正为合格形态，并在矫形区域施加残余压应力，提高零件的使用寿命。
本发明的原理为：材料发生弯曲变形后，采用大功率激光冲击试样表面时，会在材料表面施加微小的塑性变形和残余压应力层，在残余压应力的作用下材料将沿着激光入射相反的方向突起，形成弯曲变形从而将材料矫直。如图2所示。
一种具有复杂表面的大型薄壁件激光喷丸矫形方法，其特征在于：如图3所示具有复杂表面的薄壁件，首先通过三维视觉扫描逆向工程分析其变形特征，一般可分为三部分：简单弯曲变形、多曲率复杂变形以及具有未变形的复杂结构的变形区域。
对于简单弯曲变形，通过测量变形尺寸后，选定喷丸矫形区域，涂覆上吸收层和约束层(如图2所示)，采用合理的激光参数对变形区域进行冲击处理即可。
对于多曲率复杂变形，如图3所示，首先分析变形曲率，对于变形复杂紧密的区域，矫形区域之间存在变形的相互叠加耦合，因此需要规划好激光喷丸顺序与参数。以图3变形曲线为例，首先对上端变形进行处理，激光入射方向如图3所示，作用于材料下凹一面，使材料反向弯曲变形，使角度偏离基准θ。接着对下端变形进行激光喷丸矫形处理，激光入射方向和扫描路劲如图3所示，当扫描至变形过渡区域，激光喷丸矫形开始产生叠加效应，此时计算好每次变形的累计效应，精确计算激光能量，从进入过渡区至离开过渡区，激光能量逐渐减小，逐步补偿第一次矫形产生的偏离量θ。使材料变形恢复至原始外形
对于具有未变形的复杂结构的变形区域,由于复杂结构附近需要进行矫形，激光光斑难免要覆盖到未变形结构，此时引入一种保护吸收层，覆盖在需保护的表面，避免其受激光冲击波的影响。
一种保护吸收层，其特征在于：所述保护吸收层为多孔组织，其中包含许多四面体状金属颗粒(如图5所示)，多孔结构能有卸载冲激光诱导冲击波，使其难以到达受保护的表面，金属颗粒能反射一部分激光能量，使激光能量在保护吸收层能快速的被吸收，在不同方向产生冲击波相互抵消，极大的削弱向受保护表面传播的冲击波。
本发明的优点在于：
1.替代传统工艺，能够解决具有多曲率复杂变形的表面矫形工作。
2.保护吸收层保护了无需变形的表面，使复杂表面的激光矫形得以实现。
3.在进行矫形的同时，在矫形区域引入了残余压应力提高了材料的强度及使用寿命。
4.无需专用模具，通过精确调控激光参数实现矫形，方便快捷成本低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1具有复杂表面的大型薄壁件结构示意意图；
图2是激光喷丸矫形原理图；
图3多曲率复杂变形激光矫形示意图；
图4具有未变形的复杂结构的变形区域示意图；
图5是保护吸收层组织结构示意图；
图6喷丸光斑搭接示意图。
具体实施方式
以下实施例用来说明本发明，但不是限制本发明。下面结合附图详细说明本发明提出的方法及装置的细节和工作情况。
如图3所示具有复杂表面的薄壁件1，首先通过三维视觉扫描逆向工程分析其变形特征，一般可分为三部分：简单弯曲变形103、多曲率复杂变形101以及变形区域具有未变形的复杂结构102。
具体实施例1：对于简单弯曲变形103，通过测量变形尺寸后，选定喷丸矫形区域，涂覆上吸收层7和约束层6(如图2所示)，激光5以光斑直径为3mm，以能量20J，脉宽15ns，频率20Hz的参数对变形区域进行喷丸矫形,喷丸路径如图6所示。
具体实施例2：对于多曲率复杂变形区域101，如图3所示，首先分析变形曲率，矫形区域之间存在变形的相互叠加耦合，因此需要规划好激光喷丸顺序与参数。以图3变形曲线为例，首先对上端变形进行处理，激光5入射方向如图3所示，作用于材料01下凹一面，使材料01反向弯曲变形，使角度偏离基准02θ，形成部分偏移03。接着对材料01下端变形进行激光喷丸矫形处理，激光5入射方向和扫描路劲如图3所示，当扫描至变形过渡区域104，激光喷丸矫形开始产生叠加效应，此时计算好每次变形的累计效应，精确计算激光能量，从进入过渡区104至离开过渡区104，激光5能量从20J逐步递减至10J，逐步补偿第一次矫形产生的偏离量θ。使材料01变形恢复至原始外形。
具体实施例3：对于具有未变形的复杂结构的变形区域102,如图4所示，由于复杂结构附近需要进行矫形，激光光斑难免要覆盖到未变形结构，在未变形结构表面覆盖保护吸收层8，覆盖在需保护的表面，避免其受激光冲击波的影响，其余部分按照具体实施1、2对应的情况进行矫形。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种具有复杂表面的大型薄壁件激光喷丸矫形方法，其特征在于：材料发生弯曲变形后，采用大功率激光冲击试样表面时，会在材料表面施加微小的塑性变形和残余压应力层，在残余压应力的作用下材料将沿着激光入射相反的方向突起，形成弯曲变形从而将材料矫直。
2.根据权利要求1所述的矫形方法，其特征在于：具有复杂表面的薄壁件，首先通过三维视觉扫描逆向工程分析其变形特征，可分为三部分：简单弯曲变形、多曲率复杂变形以及具有未变形的复杂结构的变形区域。
3.根据权利要求2所述的矫形方法，其特征在于：对于简单弯曲变形，通过测量变形尺寸后，选定喷丸矫形区域，涂覆上吸收层和约束层采用合理的激光参数对变形区域进行冲击处理即可。
4.根据权利要求2所述的矫形方法，其特征在于：对于多曲率复杂变形，首先分析变形曲率，对于变形复杂紧密的区域，矫形区域之间存在变形的相互叠加耦合，规划激光喷丸顺序与参数，首先对上端变形进行处理，激光作用于材料下凹一面，使材料反向弯曲变形，使角度偏离基准θ，接着对下端变形进行激光喷丸矫形处理，当扫描至变形过渡区域，激光喷丸矫形开始产生叠加效应，此时计算好每次变形的累计效应，精确计算激光能量，从进入过渡区至离开过渡区，激光能量逐渐减小，逐步补偿第一次矫形产生的偏离量θ，使材料变形恢复至原始外形。
5.根据权利要求2所述的矫形方法，其特征在于：对于具有未变形的复杂结构的变形区域,引入一种保护吸收层，覆盖在需保护的表面，避免其受激光冲击波的影响。
6.根据权利要求5所述的矫形方法，其特征在于：一种保护吸收层，其特征在于：所述保护吸收层为多孔组织，其中包含许多四面体状金属颗粒，多孔结构能有卸载冲激光诱导冲击波，使其难以到达受保护的表面，金属颗粒能反射一部分激光能量，使激光能量在保护吸收层能快速的被吸收，在不同方向产生冲击波相互抵消，极大的削弱向受保护表面传播的冲击波。
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