CN112207426B - 一种用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法及其一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于环形零件的激光喷丸强化‑校形方法及其一体化装置，包括如下步骤：通过激光喷丸校形试验获得校形区域的平均曲率变化数据，建立激光参数、喷丸路径与平均曲率对应关系数据库；对具有残余压应力要求的环形零件进行激光喷丸强化激光喷丸后内获取环形零件内孔变形量，数据处理***得出内孔各点曲率数据；数据处理***将不满足精度要求的内孔各点建立校形区域，计算校形区域的平均曲率；利用数据库匹配校形区域的平均曲率得到的激光参数和喷丸路径，校形环形零件的校形区域。本发明根据喷丸强化后内孔曲率的变化，调控激光工艺参数进行喷丸校形，实现了对内孔形状精度的控制。

Description

一种用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法及其一体化 装置

技术领域

本发明涉及激光强化领域或者激光喷丸校形领域或者激光自动化加工设备领域，特别涉及一种用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法及其一体化装置。

背景技术

环形零件是工业领域中应用非常广泛的关键基础件，随着装备制造业的快速发展，环形零件的品种越来越多，需求也越来越大。其中轴承套圈、法兰等环形零件作为关键连接、传动、回转和支承结构件，在航空航天、风力发电、高铁、船舶和高档数控机床等重大装备制造领域应用非常广泛。但由于环形零件壁厚较薄，刚性较差，在加工过程中极易发生振动，导致零件加工表面质量降低，严重时会影响产品的使用性能。且在长时间工作条件下，环形零件容易产生应力集中和宏观变形，对疲劳寿命有着严重影响，是制约其使用寿命的一大重要因素。因此，寻求一种能够控制其形状精度的强化方法就显得十分必要。

激光喷丸强化是利用短脉冲(一般在50ns以内)、高功率密度(GW/cm²)的激光通过透明约束层，作用于金属表面所涂覆或帖附的吸收层上，吸收层吸收激光能量后迅速气化，形成稠密的高温、高压等离子体，该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后***形成高强度冲击波作用于金属表面。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面拉应力。激光作用结束后，由于冲击区域周围材料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力。激光喷丸还能使金属材料表层的晶粒发生细化，生成大量位错、孪晶等微观组织结构，从而有效提高材料表层的疲劳强度，同时激光喷丸强化技术具有非接触、可控性强等特点，因此在各加工领域内具有良好的应用前景。

但目前市场上关于环形零件的夹具设计大多不适用于激光冲击且效率较低，无法完成大批量的加工生产。除此之外，经激光喷丸后环形零件或多或少都存在一定量的变形，给零件的使用以及性能带来负面的影响，根据环形零件宽度大厚度小的结构特点，其变形主要是圆度、波纹度和粗糙度。故通过校形使零件获得理想的圆度要求或回转精度要求，保证零部件能够达到装配精度十分重要。

中国专利公开了一种针对薄壁通孔件的激光喷丸矫形方法，该发明通过有限元分析软件，依次分析薄壁通孔件最小变形区域矫形所需要的激光功率密度、次小变形区域矫形所需要的激光功率密度，直至最大变形区域矫形所需要的激光功率密度；然后从变形量最小的区域开始，对薄壁通孔变形部分进行n次搭接激光冲击进行矫形，确保冲击能覆盖整个变形区域，按照上述步骤直至变形量最大的区域矫形完毕。但该方法忽略了喷丸所造成的强化作用，且加工变形不易控制难以满足实际需求。

中国专利公开了一种确定复杂曲面形状激光喷丸成形工艺参数的方法，该发明根据工件的曲面参数方程，通过工件的曲面的几何特征分析计算出主应变方向，以主应变方向作为激光脉冲扫描方向，并根据有限元模型和固有应变响应面模型确定激光喷丸成形最优工艺参数。但该方法只考虑了激光喷丸的成形，忽略了激光喷丸的强化作用造成的影响。

中国专利公开了一种激光加工滚珠轴承外滚道的装置和方法，其中其装置部分包括激光器和镜组，激光器的出射激光通过镜组投射到轴承外滚道上，而用做轴承圈工装的部件包括一个夹具和一个机械手，通过机械手来控制夹具的姿态。但在轴承圈的激光强化过程中，夹具对轴承外圈圈的变形欠缺约束，容易产生加工变形。

中国专利公开了一种应用于轴承套圈工作表面的装置及其喷丸强化方法，所述的喷丸强化装置由轴承外圈喷丸强化工装和轴承内圈喷丸强化工装组成，将轴承外圈安装到轴承外圈喷丸强化工装上；再将喷枪的枪口置于轴承外圈喷丸强化工装内，使喷枪的枪口对准轴承外圈匀速转动，匀速转盘安装到喷丸机上，喷丸机带动喷枪上下匀速运动，进行喷丸强化。但该方法使用的对象和范围局限性较大且装夹繁琐不适用于大批量生产。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法及其一体化装置，以提高激光加工精度和效率，增加激光喷丸强化环形零件装置的实用性。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法，包括如下步骤：

建立数据库：通过激光喷丸校形试验获得校形区域的平均曲率变化数据，建立激光参数、喷丸路径与平均曲率对应关系数据库；

激光喷丸强化：对环形零件进行激光喷丸强化，用于提高残余压应力；

激光喷丸校形：激光喷丸强化后内获取环形零件内孔变形量，数据处理***得出内孔各点曲率数据；数据处理***将不满足精度要求的内孔各点建立校形区域，计算校形区域的平均曲率；利用数据库匹配校形区域的平均曲率得到的激光参数和喷丸路径，校形环形零件的校形区域；

若环形零件内孔仍不满足精度要求，重新确定校形区域，重复激光喷丸校形，直至校形后内孔满足精度要求。

进一步，所述校形区域为喷丸强化后内孔各点曲率大于标准内孔曲率的圆周区域。

进一步，所述激光喷丸强化所用的光斑尺寸与环形零件宽度相适应，所述激光喷丸强化时光斑搭接率为75％。

进一步，所述激光喷丸校形所用校形光斑尺寸大于强化光斑尺寸，所述激光喷丸校形的激光能量小于激光喷丸强化的激光能量，所述激光喷丸校形时光斑搭接率为50％，所述激光喷丸校形次数为2-3次。

一种用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法的一体化装置，包括工作台、上料装置、夹紧装置、翻转机构、激光发射装置、工业相机和数据处理***；所述工作台设有上料工位和加工工位；所述上料装置位于上料工位，所述上料装置用于输送环形零件，所述夹紧装置用于夹紧所述上料装置输送的环形零件，所述翻转机构用于使夹紧装置在上料工位与加工工位之间切换；所述激光发射装置在加工工位对环形零件进行激光喷丸强化和激光抛丸校形；所述工业相机位于加工工位处，用于拍摄环形零件内孔图像；所述数据处理***包括所述数据库和控制***，所述控制***控制上料装置、夹紧装置、翻转机构和激光发射装置协调动作。

进一步，所述上料装置包括第一气缸、限位块、套筒、传感器、升降装置，所述工作台为双层工作台，上层工作台上安装套筒，所述套筒内放置若干待加工的环形零件，所述套筒一侧底部开槽，所述第一气缸驱动限位块伸入所述套筒底部开槽位置，用于卡住环形零件；所述传感器位于套筒底部用于检测底部是否存在环形零件；所述上层工作台与下层工作台之间安装升降装置，控制***控制第一气缸收缩使底部环形零件掉落在升降装置上，通过升降装置将环形零件输送至夹紧装置中。

进一步，所述夹紧装置包括底座、电动三爪卡盘和中空旋转平台，所述底座上安装中空旋转平台，所述中空旋转平台上安装电动三爪卡盘，所述电动三爪卡盘用于夹紧从上料装置输送的环形零件；所述翻转机构安装在工作台与底座之间，用于实现底座实现90度翻转。

进一步，所述翻转机构包括第二气缸、第三气缸、固定板、浮动接头、滑块和连杆，所述底座底部与固定板旋转副连接，所述固定板安装在下层工作台上，所述第二气缸和第三气缸分别安装在固定板上，所述第二气缸的气缸杆和第三气缸的气缸杆分别通过浮动接头连接滑块，所述滑块与连杆一端铰接，所述连杆另一端与底座底部铰接。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法，根据喷丸强化后内孔曲率的变化，调控激光工艺参数进行喷丸校形，在满足环形零件喷丸强化效果的前提下，实现了对内孔形状精度的控制。

2.本发明所述的用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法，通过比对喷丸强化后内孔各点曲率大小确定所需校形区域，并根据校形区域的平均曲率从数据库选取校形激光参数，相较于传统的依靠尺寸、形状来进行校形更加准确可靠，精度更高。

3.本发明所述的用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法的一体化装置，该装置包括上料工位和加工工位，由翻转机构来完成上料工位和加工工位之间的切换，装置由计算机自动化控制，实现了环形零件的自动上下料和喷丸强化-校形的一体化。

4.本发明所述的用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法的一体化装置，整体流程全自动化操作，减少了人力的浪费，提高了工作效率，保障了使用者的自身安全，提高了环形零件加工的精准度，整体经济性、安全性、工作效率、精准性以及实用性较高。

附图说明

图1为本发明所述的用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法的流程图。

图2为本发明所述环形零件内孔曲率采样点示意图。

图3为发明环形零件内孔变形示意图。

图4为本发明所述的用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法的一体化装置结构图。

图5为本发明所述的夹紧装置示意图。

图6为图1主视图。

图7为本发明上料装置示意图。

图8为本发明翻转机构示意图。

图中：

1-环形零件；2-套筒；3-箱体；4-传感器；5-底板；6-中空旋转平台；7-电动三爪卡盘；8-升降支架；9-工业相机；10-工作台；11-第一气缸；12-计算机；13-第二气缸；14-第三气缸；15-固定板；16-浮动接头；17-滑块；18-连杆；19-轴承座；20-轴承；21-第四气缸；22-限位块；23-光轴。

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。

如图1所示，本发明所述的用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法，包括如下步骤：

步骤1：通过激光喷丸校形试验获得校形区域的平均曲率变化数据，建立激光参数、喷丸路径与平均曲率对应关系数据库；该激光参数和喷丸路径与环形零件的校形需求相适应；

步骤2：根据环形零件残余压应力强化需求选取激光参数进行喷丸强化，同时工业相机9检测喷丸后内孔变形并传递给计算机12以获得内孔各点曲率数据，如图2所示；

步骤3：由计算机12检验内孔各点曲率是否满足精度要求，若不满足则根据内孔各点曲率数据确定校形区域并计算校形区域的平均曲率，利用数据库匹配校形区域的平均曲率得到的激光参数和喷丸路径，计算机12调控激光器和运动平台实现激光喷丸校形环形零件1的校形区域；图3中为环形零件1内孔变形示意图。

步骤4：再进行实时检测分析，如校形后内孔曲率仍不满足精度要求，则重复上述步骤，直至校形后内孔曲率满足精度要求。

所述校形区域为喷丸强化后内孔各点曲率大于标准内孔曲率的圆周区域，由计算机12计算校形区域的平均曲率，再由内孔曲率数据库选取激光喷丸校形所需的激光参数和喷丸路径。

所述激光喷丸强化所用的光斑尺寸与环形零件1宽度相适应，激光光斑为圆形，所述激光喷丸强化时光斑搭接率为75％，喷丸强化次数一般为1次。

所述激光喷丸校形所用校形光斑尺寸大于强化光斑尺寸，所述激光喷丸校形的激光能量小于激光喷丸强化的激光能量，所述激光喷丸校形时光斑搭接率为50％，所述激光喷丸校形次数为2-3次，以增加校形精度。

如图4和图6所示，本发明所述的用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法的一体化装置，包括工作台10、上料装置、夹紧装置、翻转机构、激光发射装置、工业相机9和数据处理***；所述工作台10设有上料工位和加工工位；所述上料装置位于上料工位，所述上料装置用于输送环形零件1，所述夹紧装置用于夹紧所述上料装置输送的环形零件1，所述翻转机构用于使夹紧装置在上料工位与加工工位之间切换；所述激光发射装置在加工工位对环形零件1进行激光喷丸强化和激光喷丸校形；所述工业相机9位于加工工位处，用于拍摄环形零件1内孔图像；所述数据处理***包括所述数据库和控制***，所述控制***控制上料装置、夹紧装置、翻转机构和激光发射装置协调动作。

如图7所示，所述上料装置包括第一气缸11、限位块22、套筒2、传感器4和升降装置，所述工作台10为双层工作台，上层工作台上安装套筒2，所述套筒2内放置若干待加工的环形零件1，所述套筒2一侧底部开槽，所述第一气缸11驱动限位块22伸入所述套筒2底部开槽位置，用于卡住环形零件1；所述传感器4位于套筒2底部用于检测底部是否存在环形零件1；所述上层工作台与下层工作台之间设有升降装置，控制***控制第一气缸11收缩使底部环形零件1掉落在升降装置上，通过升降装置将环形零件1输送至夹紧装置中。处于上料工位时套筒2底部紧贴升降支架8，通过第一气缸11和限位块22的一松一紧可以使最底部环形零件1落在升降支架8上而其他环形零件1则被顶住，再由第四气缸21驱动升降支架8带动环形零件1下降到夹紧装置中。

如图5所示，所述夹紧装置包括底座5、电动三爪卡盘7和中空旋转平台6，所述底座5上安装中空旋转平台6，所述中空旋转平台6上安装电动三爪卡盘7，所述电动三爪卡盘7用于夹紧从上料装置输送的环形零件1；所述翻转机构安装在工作台10与底座5之间，用于实现底座5实现90度翻转。所述升降装置底部安装在底座5，当处于加工工位时，可以通过第四气缸21推动升降支架8将加工后的环形零件1实现下料。

如图8所示，所述翻转机构包括第二气缸13、第三气缸14、固定板15、浮动接头16、滑块17、连杆18、轴承座19、轴承20、光轴23和底板5；第二气缸13和第三气缸14分别通过螺栓连接对称安装在固定板15左端并整体居中固定在上层工作台的凸台上，第二气缸13和第三气缸14的气缸杆上过盈配合有浮动接头16，浮动接头16右端置于滑块17凹槽内，连杆18两端分别与滑块17和底座5铰接，所述底座5底部与固定板15旋转副连接，具体为：底座5底部两个轴承座19，轴承座19内安装轴承20，两个所述轴承20内支撑光轴23，所述光轴23与固定板15右端内孔间隙配合。由第二气缸13和第三气缸14驱动所固连的浮动接头16推动滑块17带动连杆18将底板5进行90°翻转落入下层底座10凹槽处，实现上料工位和加工工位之间的切换。

处于加工工位时电动三爪卡盘7上涨紧的环形零件1中心对应着激光器出光口和水枪出口，由中空旋转平台6实现已装夹环形零件1的高精度旋转，根据环形零件残余压应力强化需求选用激光参数进行激光喷丸强化，同时工业相机9检测喷丸后内孔变形并传递给计算机12以获得内孔曲率变化数据，由计算机12检验内孔曲率是否满足精度要求，若不满足则根据内孔曲率变化数据确定校形区域，再由数据库匹配相应的激光参数和喷丸路径，最后计算机12调控激光器和运动平台实现激光喷丸校形，若校形后内孔曲率仍不满足精度要求，则重复上述步骤，直至校形后内孔曲率满足精度要求，最后电动三爪卡盘7收缩由第四气缸21驱动升降支架8将加工合格工件推出使其落在双层底座10右侧滑坡上完成下料。

本发明工作流程：

当环形零件1落到套筒2底部时传感器4红外检测到信号并传送给计算机12，第一气缸13推出5mm使限位块22将套筒最下方倒数第二个环形零件1顶住，随后第四气缸21收缩50mm驱动升降支架8下降到电动三爪卡盘7的凹槽中，套筒2最底部环形零件1随之落在电动三爪卡盘7卡爪上，再由电动三爪卡盘7向外扩张10mm对环形零件1进行夹紧完成上料，然后由第二气缸13和第三气缸14推动浮动接头16、滑块17和连杆18使底板5以及安装在底板5上的中空旋转平台6顺时针翻转90°至加工工位，再通过控制中空旋转平台6以1/24rad/s的角速度旋转，控制半径为24mm的环形零件1的线速度为1mm/s，随后水枪持续出水形成激光冲击约束层，选取10J能量、2mm光斑大小、50％搭接率进行激光喷丸强化，由工业相机9实时检测喷丸后内孔变形传递给计算机12，由计算机12检验内孔曲率是否满足精度要求，若不满足则根据内孔曲率变化数据确定校形区域，再由数据库匹配相应的激光参数和喷丸路径，最后计算机12调控激光器和运动平台实现激光喷丸校形，若校形后内孔曲率仍不满足精度要求，则重复上述步骤，直至校形后内孔曲率满足精度要求，加工完毕后由计算机12发出信号使电动三爪卡盘7向内收缩10mm松开工件，再由第四气缸21驱动升降支架8将已加工环形零件1推出落入底座10滑坡并完成收集，然后第二气缸13和第三气缸14再次驱动翻转机构复位，第四气缸21再次使升降支架8贴合套筒2底部，第一气缸11带动限位块22收缩5mm完成复位，使套筒2中环形零件1下落在底部升降支架8上，再由传感器4检测信号继续正常运作，如此往复，环形零件1滚道喷丸强化后残余应力大于500MPa，轴承内孔喷丸强化-校形后曲率半径偏差小于0.1mm，使得环形零件1在满足喷丸强化需求的同时对内孔精度有着严密的控制，整个流程全自动化操作，减少了人力的浪费，提高了工作效率，保障了使用者的自身安全，提高了激光冲击环形零件的精准度，整体经济性、安全性、工作效率、精准性以及实用性较高，与现有的激光喷丸环形零件装置相比较，本发明通过设计能够提升激光喷丸环形零件外圈装置的整体经济性、安全性、工作效率、精准度以及实用性。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立数据库：通过激光喷丸校形试验获得校形区域的平均曲率变化数据，建立激光参数、喷丸路径与平均曲率对应关系数据库；

激光喷丸强化：对环形零件(1)进行激光喷丸强化，用于提高残余压应力；

激光喷丸校形：激光喷丸强化后内获取环形零件(1)内孔变形量，数据处理***得出内孔各点曲率数据；数据处理***将不满足精度要求的内孔各点建立校形区域，计算校形区域的平均曲率；利用数据库匹配校形区域的平均曲率得到的激光参数和喷丸路径，校形环形零件(1)的校形区域；

若环形零件(1)内孔仍不满足精度要求，重新确定校形区域，重复激光喷丸校形，直至校形后内孔满足精度要求。

2.根据权利要求1所述的用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法，其特征在于，所述校形区域为喷丸强化后内孔各点曲率大于标准内孔曲率的圆周区域。

3.根据权利要求1所述的用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法，其特征在于，所述激光喷丸强化所用的光斑尺寸与环形零件(1)宽度相适应，所述激光喷丸强化时光斑搭接率为75％。

4.根据权利要求1所述的用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法，其特征在于，所述激光喷丸校形所用校形光斑尺寸大于强化光斑尺寸，所述激光喷丸校形的激光能量小于激光喷丸强化的激光能量，所述激光喷丸校形时光斑搭接率为50％，所述激光喷丸校形次数为2-3次。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述的用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法的一体化装置，其特征在于，包括工作台(10)、上料装置、夹紧装置、翻转机构、激光发射装置、工业相机(9)和数据处理***；所述工作台(10)设有上料工位和加工工位；所述上料装置位于上料工位，所述上料装置用于输送环形零件(1)，所述夹紧装置用于夹紧所述上料装置输送的环形零件(1)，所述翻转机构用于使夹紧装置在上料工位与加工工位之间切换；所述激光发射装置在加工工位对环形零件(1)进行激光喷丸强化和激光喷丸校形；所述工业相机(9)位于加工工位处，用于拍摄环形零件(1)内孔图像；所述数据处理***包括所述数据库和控制***，所述控制***控制上料装置、夹紧装置、翻转机构和激光发射装置协调动作。

6.根据权利要求5所述的用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法的一体化装置，其特征在于，所述上料装置包括第一气缸(11)、限位块(22)、套筒(2)、传感器(4)、升降装置，所述工作台(10)为双层工作台，上层工作台上安装套筒(2)，所述套筒(2)内放置若干待加工的环形零件(1)，所述套筒(2)一侧底部开槽，所述第一气缸(11)驱动限位块(22)伸入所述套筒(2)底部开槽位置，用于卡住环形零件(1)；所述传感器(4)位于套筒(2)底部用于检测底部是否存在环形零件(1)；所述上层工作台与下层工作台之间设有升降装置，控制***控制第一气缸(11)收缩使底部环形零件(1)掉落在升降装置上，通过升降装置将环形零件(1)输送至夹紧装置中。

7.根据权利要求5所述的用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法的一体化装置，其特征在于，所述夹紧装置包括底座(5)、电动三爪卡盘(7)和中空旋转平台(6)，所述底座(5)上安装中空旋转平台(6)，所述中空旋转平台(6)上安装电动三爪卡盘(7)，所述电动三爪卡盘(7)用于夹紧从上料装置输送的环形零件(1)；所述翻转机构安装在工作台(10)与底座(5)之间，用于实现底座(5)实现90度翻转。

8.根据权利要求7所述的用于环形零件的激光喷丸强化-校形方法的一体化装置，其特征在于，所述翻转机构包括第二气缸(13)、第三气缸(14)、固定板(15)、浮动接头(16)、滑块(17)和连杆(18)，所述底座(5)底部与固定板(15)旋转副连接，所述固定板(15)安装在下层工作台上，所述第二气缸(13)和第三气缸(14)分别安装在固定板(15)上，所述第二气缸(13)的气缸杆和第三气缸(14)的气缸杆分别通过浮动接头(16)连接滑块(17)，所述滑块(17)与连杆(18)一端铰接，所述连杆(18)另一端与底座(5)底部铰接。

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