CN1695873A - 中厚板材激光喷丸成形的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中厚板材激光喷丸成形的方法和装置，装置包括激光发生器、导光***、激光喷丸头、工件夹具***、控制***。根据加工零件的曲面形状，通过计算机控制***模拟出所需的应力场分布形状，优化出作用在板料表面的冲击波压力及喷丸轨迹分布；根据优化的冲击波压力及喷丸轨迹分布参数，计算机控制***自动选择激光脉冲参数、光束变换装置及光学掩模的参数，编制NC加工程序用于计算机控制***以控制导光***、工作台所走轨迹；激光器发出的一个高能量的短脉冲强激光，通过光束变换装置可转变成若干个群脉冲，再通过光学掩模作用在工件表面的能量转换体上，能量转换体把吸收的群脉冲激光能量转变成冲击波压力作用在工件表面，实现成形。

Description

中厚板材激光喷丸成形的方法和装置

技术领域

本发明涉及机械制造领域，特指一种基于高能脉冲激光喷丸技术的板材成形的方法和装置，其适用于有光滑曲率要求的中厚板材件的成形加工。特别适用于用常规方法难以成形或根本无法成形的中厚板材的小曲率成形件的加工。

背景技术

中厚板材成形件在航空和国防工业中有着十分广泛的应用。飞机上的大型结构零部件如机翼、蒙皮、整体壁板及涡轮发动机叶片等，为了承受有效的结构载荷和满足空气动力学性能，要求具有精确复杂的曲率形状，并保持材料原有的结构特性；国防工业中导弹、火箭，核反应堆中核反应金属罐容器等零部件的成形加工，除了要有精确的外形外，其表面要求很高的机械力学性能和表面质量。这些中厚板材件的加工，用传统的加工方法，如机械喷丸成形，加热辅助弯曲成形等很难满足零件的使用要求和性能。

传统的机械喷丸成形是利用有质弹丸流高速撞击板材表面，易产生加工硬化，且使受喷表面变得粗糙，降低表面质量。同时现有喷丸***十分复杂，在每次喷丸以后，弹丸必须收集、清洗、分级和破粒去除。由于机械喷丸参数多而难以精确控制，因而目前机械喷丸成形仍采用试喷和样板检验方法，导致生产周期长，成本费用高。并且由于机械喷丸产生的残余应力较小，所能成形的板材厚度较小(＜5mm)，适应的材料有限。加热辅助弯曲成形是目前成形中厚板材的主要方法，其工艺是首先将待加工的板材加热到一定温度，使材料的屈服强度降低，然后采用模具压力使之弯曲成形，由于加热改变了材料的组织，使得成形后零件的力学性能降低，表面产生残余拉应力，从而影响使用寿命。

与本发明最为接近的是美国加州大学Hackel Lloyd和Harris Fritz申请的专利“CONTOUR FORMIMG OF METALS BY LASER PEENING”(专利号：WO0105549)，提出用激光单点锤击金属板材表面产生残余应力，再利用残余应力释放产生微曲度进行的微变形成形，通过各点每次锤击的微曲度的累积或在同一点实施多次冲击，就可取得更大尺寸的弯曲。其缺点如下：(1)由于是利用激光单点锤击产生的残余压应力诱导的弯曲，所以变形量小；(2)在激光锤击前必须在待冲击表面敷能量吸收层，再在涂层上用水作约束层。这种分开式处理方法，造成激光能量利用率低、数据不稳、可靠性差等缺点，而且还需一道去除残留能量吸收层的后处理工序；(3)用水作约束层时需额外的供水***，并使工装夹具变复杂，且激光锤击过程中水的飞溅难以控制，易损坏光学镜片等。

现有专利“一种激光冲击精密成形方法及装置”(专利号：ZL01134063.0)，提出一种高性能激光冲击精密成形技术，它直接利用强脉冲激光束(功率密度大于10⁹W/cm²，脉冲宽度8-30ns)冲击工件表面的柔性贴膜，使其表层气化电离并形成冲击波，由于产生的冲击波压力峰值超过材料动态屈服强度，致使板材发生明显塑性变形。这种方法所采用的是单次激光冲击下板料产生宏观的塑性变形，即直接成形凹形、凹形搭接的工艺，其适合于有拉深比要求的零件成形。由于每次激光脉冲诱导的冲击波压力必须使板料产生宏观的凹形变化，因而所采用的激光脉冲能量必须足够大，这给激光器带来了较高的要求。由于激光冲击成形过程中伴随着表面强化，致使板材的屈服强度提高，后续变形困难，导致搭接区域的材料塑性流动较差，所能成形的板材厚度有限，表面的粗糙度无法保证，因此不能用于有光滑曲率要求的中厚板材成形。

发明内容

本发明的目的是要克服上述缺点，提供用于常规方法难于成形的中厚板材(＞6-15mm)成形的方法和装置，特别适用于光滑小曲率板材零件的精密成形。

本发明采用以下方法实现上述目的：根据加工零件的曲面形状，通过计算机控制***模拟出所需的应力场分布形状，优化出作用在板料表面的冲击波压力及喷丸轨迹分布；根据优化的冲击波压力及喷丸轨迹分布参数，计算机控制***自动选择激光脉冲参数、光束变换装置及光学掩模的参数，编制NC加工程序用于计算机控制***以控制导光***、工作台所走轨迹；激光器发出的一个高能量的短脉冲强激光，通过光束变换装置可转变成若干个群脉冲，再通过光学掩模作用在工件表面的能量转换体上，能量转换体把吸收的群脉冲激光能量转变成冲击波压力作用在工件表面，实现成形。

激光器发出的激光束的光斑模式可以是基模和多模中的一种，脉冲能量为15-60J，脉冲宽度为20-30ns。

计算机控制***控制轮廓扫描测量***，测量板料喷丸成形中板料的变形量，再由计算机控制***进行误差分析、应力场和板料变形量动态模拟，由激光控制器和激光喷丸头调节激光脉冲能量、喷丸强度以及喷丸轨迹，实现板料的精密成形。

实施该方法的装置包括激光发生器、导光***、激光喷丸头、工件夹具***、控制***。

激光发生器由三级组成：一级调Q钕玻璃(φ16mm×280mm)激光振荡器，谐振腔长800mm，一级前置钕玻璃(φ16mm×200mm)激光放大器和一级钕玻璃(φ20mm×500mm)激光主放大器，所输出的激光波长为1.06μm，脉冲能量为10～60J，脉冲宽度为5～30ns，重复频率2Hz，最峰值功率密度5×10⁹W/cm²。

导光***是连接激光发生器至工件之间的光路传输***，由导光管、折返镜、光束变换装置组成；

激光喷丸头内设有聚焦镜和光学掩模，其中聚焦镜组包含聚焦镜、可旋转反射镜、三棱镜，光学掩模可根据喷丸要求，对激光脉冲进行筛选，从而获得所需的脉冲分布方式。

工件夹具***包括五轴联动数控工作台和工件夹具，表面贴有能量转换体的工件板料装夹在工件夹具中，工件夹具安装在数控工作台上，工作台根据机床控制器的指令实现三轴移动和两轴转动，满足喷丸过程所需的运动要求；

控制***由轮廓扫描测量***、机床控制器、激光控制器、计算机控制***组成，由计算机控制***分别控制激光控制器、机床控制器、和轮廓扫描测量***。

激光发生器发出的激光经导光***连接激光喷丸头，在激光控制器的控制下对工件板料实施喷丸动作，同时工件夹具***在机床控制器控制下作多轴运动，以获得所需的形状；激光控制器、机床控制器和轮廓扫描测量***、激光喷丸头与计算机控制***相连，从而实现对整个***工作过程的有效控制。

本发明实施过程如下：

根据加工零件的曲面形状，通过专用计算机控制***模拟所需的应力场分布形状，优化出作用在板料表面的冲击波压力及轨迹分布；

(1)根据优化的冲击波压力及轨迹分布等参数，计算机控制***自动选择激光脉冲参数、光学变换装置及光学掩模的参数，编制NC加工程序用于控制***以控制导光***、工作台所走轨迹；

(2)在工件表面覆盖能量转换体，激发高能脉冲激光，经光学变换装置形成的群脉冲通过光学掩模冲击能量转换体，转换为高幅冲击波压力作用在工件表面，以此作为板料塑性成形的变形力。通过改变激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲形状以及激光光束模式，可获取不同大小的塑性变形力；

(3)根据选定的脉冲激光工艺参数，激光喷丸轨迹以及作用的脉冲次数，通过五轴联动数控***进行有序地施加应力脉冲，实现板料内预定的应力场分布，实现所需形状的板料成形；

(4)通过轮廓扫描测量***，测量板料喷丸成形中板料的变形量，由计算机控制***进行误差分析，应力场和板料变形量动态模拟，由控制***调节激光脉冲能量、喷丸强度以及喷丸轨迹，实现板料的精密成形。

本发明由于采用高能脉冲激光束替代有质弹丸实施板料的喷丸成形，因而它是非接触式成形，成形表面无明显的机械损伤，表面粗糙度值低，光洁度好；由于采用能量转化体技术，实现把激光能量向冲击波压力的转变，保护了工件表面免受激光的热损伤；由于采用了光学变换装置，采用群脉冲压力作用方式，大大提高了激光喷丸成形的效率；由于采用控制脉冲激光参数，在每次激光作用的过程中，板料不产生宏观的塑性变形，而在板材表面形成适度的残余压缩应力，因而可采用小能量实现大变形；由于通过控制激光参数和作用轨迹，控制工件表面的应力场分形态实现板料成形，因此工艺过程及控制较易实现；因为激光参数精确可控，所以工艺过程的重复性好、易实现自动化生产；因为激光喷丸过程在材料表面形成硬化层和高幅残余压应力，提高了板料成形件的稳定性，几乎无回弹，因此可实现小曲率零件的成形。同时成形件的表面质量提高和高幅残余应力的存在，可使工件的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能大幅提高，省去了后续的加工工序和表面处理工序。由于激光喷丸过程导致更深的残余压缩应力(大于1mm)，且残余应力大小可由激光参数精确控制，因而在中厚板材的柔性精密成形方面具有潜在优势。

附图说明

图1激光喷丸成形方法和装置的示意图。

图2中厚板材激光喷丸成形原理示意图。

图3直线喷丸轨迹下激光喷丸次数与板料弯曲变形量的关系

图4圆柱型零件的激光喷丸成形工艺示意图

图5激光喷丸成形马鞍形零件示意图

1-激光发生器 2-导光壁 3-折返镜 4-光束变换装置 5-光学掩模 6-喷丸头 7-轮廓扫描测量仪 8-工件夹具 9-多轴联动工作台 10-机床控制器 11-激光器控制器 12-计算机控制*** 13-脉冲激光束 14-能量转换体 15-工件 16-成形件

具体实施方式

下面结合图1详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

该装置包括一个激光器发生器(1)和导光***、喷丸头(6)、工件夹具***、控制***。激光器采用的晶体是Nd:YAG，产生能量在10～60焦尔、持续时间为5～30纳秒的激光脉冲，激光束(13)的光斑模式可以是基模、多模等多种模式，其由激光控制器(11)调节和控制。导光***包括导光壁(2)、折返镜(3)、光束变换装置(4)，喷丸头(6)内设有多个聚焦镜和光学掩模(5)，可沿垂直方向移动，通过调节聚焦镜和光学掩模尺寸(5)，可改变光斑大小。工件夹具***包括工件夹具(8)和多轴联动工作台(9)，该装置有三个坐标的移动和和两个转动，可实现五轴联动，从而可方便地对工件(15)实施激光喷丸成形。控制***由轮廓扫描测量***(7)、机床控制器(10)、激光控制器(11)、计算机控制***(12)组成。由激光器(1)产生的激光束经导光壁(2)、折返镜(3)、光束变换装置(4)、光学掩模(5)经喷丸头(6)冲击到待加工板料(15)上，轮廓扫描测量***(7)、机床控制器(10)、激光控制器(11)与计算机控制***相连，从而实现对整个***工作过程的有效控制。

图2为激光喷丸成形原理示意图，经图1中导光***输出的群脉冲激光束(13)从喷丸头(6)发出，作用在粘附在工件上的能量转换体(14)，能量转换体把吸收的高能激光瞬间气化、电离转化为冲击波机械能，作用在待加工工件(15)表面。工件(15)固定在图1中的夹具(8)上，工件夹具(8)再固定在多轴联动工作台(9)上。机床控制器(10)发出数控指令多轴联动工作台(9)作多轴运动，在群脉冲激光作用下，使板料内部产生所需的高幅应力场分布，实现板料变形而获得所需形状的成形件(16)。

图3所示为经喷丸头输出的脉冲激光束(13)，沿着某一条直线轨迹对厚度为8mm的45钢进行喷丸的实验结果，喷丸后的板料变形的形状为带有圆角的V形。沿同一条路径增加喷丸的次数，分别为1～3次，板料的弯曲变形量增加。

图4为激光喷丸成形圆柱面的示意图，激光束(13)从喷丸头(6)输出后沿着相互平行的三条直线对工件进行喷丸，喷丸窄条间的距离如足够大，使二喷丸窄条间存在平面时，就可形成棱柱面。当相邻喷丸窄条中心线间的距离较近，变形区相互连接，可以形成光滑的圆柱面。

图5所示为根据计算机控制***优化的轨迹喷丸，用6×6个Φ2的群脉冲激光束(13)对工件表面(15)连续喷丸，所能获得的马鞍形曲面形状示意图。在喷丸过程中，根据成形零件的曲率大小，可不断改变激光参数，实现精确成形。当沿着某条或几条曲线进行喷丸时，可以得到复合曲率的异形件，如飞机机翼双曲率上下气动弯折区。

更多的成形事例不胜枚举，喷丸轨迹和喷丸强度的不同，能成形出各种复杂的形状，这里仅阐明它的技术方案和部分实施例。

Claims (5)

1、一种中厚板材激光喷丸成形的方法，其特征在于：根据加工零件的曲面形状，通过计算机***模拟出所需的应力场分布形状，优化出作用在板料表面的冲击波压力及喷丸轨迹分布；根据优化的冲击波压力及喷丸轨迹分布参数，计算机***自动选择激光脉冲参数、光束变换装置及光学掩模的参数，编制NC加工程序用于计算机控制***以控制导光***、工作台所走轨迹；激光器发出的一个高能量的短脉冲强激光，通过光束变换装置可转变成若干个群脉冲，再通过光学掩模作用在工件表面的能量转换体上，能量转换体把吸收的群脉冲激光能量转变成冲击波压力作用在工件表面，实现成形。

2、根据权利要求1所述的一种中厚板材激光喷丸成形的方法，其特征在于：激光器发出的激光束的光斑模式可以是基模和多模中的一种，脉冲能量为15-60J，脉冲宽度为20-30ns。

3、根据权利要求1所述的一种中厚板材激光喷丸成形的方法，其特征在于：在激光冲击成形的同时，计算机***控制轮廓扫描测量***，测量板料喷丸成形中板料的变形量，再由计算机***进行误差分析、应力场和板料变形量动态模拟，由激光控制器和激光喷丸头调节激光脉冲能量、喷丸强度以及喷丸轨迹，实现板料的精密成形。

4、一种中厚板材激光喷丸成形装置，其特征在于：装置包括激光发生器、导光***、激光喷丸头、工件夹具***、控制***；其中激光发生器由三级组成：一级调Q钕玻璃(φ16mm×280mm)激光振荡器，谐振腔长800mm，一级前置钕玻璃(φ16mm×200mm)激光放大器和一级钕玻璃(φ20mm×500mm)激光主放大器，所输出的激光波长为1.06μm，脉冲能量为10～60J，脉冲宽度为5～30ns，重复频率2Hz，最大峰值功率密度5×10⁹W/cm²；导光***是连接激光发生器至工件之间的光路传输***，由导光管、折返镜、光束变换装置组成；激光喷丸头内设有聚焦镜和光学掩模，其中聚焦镜组包含聚焦镜、可旋转反射镜、三棱镜；工件夹具***包括五轴联动数控工作台和工件夹具，表面贴有能量转换体的工件板料装夹在工件夹具中，工件夹具安装在数控工作台上；控制***由机床控制器、激光控制器、计算机***组成，由计算机***分别控制激光控制器、机床控制器；激光发生器发出的激光经导光***连接激光喷丸头，工件夹具***位于喷丸头的下方并与机床控制器相连，激光发生器与激光控制器相连，激光喷丸头、机床控制器与激光控制器分别与计算机***相连。

5、根据权利要求4所述的一种中厚板材激光喷丸成形装置，其特征在于：设有轮廓扫描测量***，其与计算机控制***相连。

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