[发明专利]一种孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置及其方法

说明书

本发明提供了一种孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置及其方法，包括激光器发生装置、夹紧卡盘、复合挤压芯棒、数控移动工作平台、夹具和控制系统；所述数控移动工作平台顶部设有夹紧卡盘；所述复合挤压芯棒包括芯棒前锥和后锥，所述芯棒前锥和后锥内部中空，所述后锥一端伸入所述夹紧卡盘内部；所述后锥另一端与芯棒前锥连接；所述后锥内部设有全反镜，所述芯棒前锥内部设有圆锥全反镜，所述圆锥全反镜反射光束透过芯棒前锥形成环形激光带；所述后锥另一端上设有芯棒工作段，所述控制系统控制所述数控移动工作平台运动，所述控制系统还控制激光器发生装置和夹紧卡盘。本发明可以减少了激光传输过程中的能量损耗，能够实现大规模的连续喷丸强化。

技术领域

本发明涉及激光喷丸强化技术领域或者挤压强化技术领域，特别涉及一种孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置及其方法。

背景技术

航空关键结构件之间的连接主要是靠螺接和铆接，而螺栓孔和铆接孔的存在会导致材料不连续，因此孔边在结构件服役过程中会出现明显的应力集中，尤其是在复杂的外加载荷下孔结构很容易发生疲劳断裂失效，从而导致整机的安全性、可靠性和使用寿命都大大降低。疲劳断裂是飞机结构件的主要失效形式，这些失效结构件中约有70％的疲劳裂纹源于连接孔，约有90％的机体事故是因孔结构失效导致，可见孔结构失效已成为制约飞机整体疲劳可靠性的主要因素。随着航空领域高端装备的快速发展，人们对其关键结构件孔壁的服役性能要求越来越高，一方面是研制性能更高的材料来取代现有材料，另一方面是通过各种表面强化技术来提高材料的服役性能。

目前国际上使用最为广泛的连接孔强化工艺是孔挤压强化，相比于其他强化方法，其具有不改变材料、不改变结构设计、不增加机体重量、孔壁质量好、成本低等优势。孔挤压强化是基于材料塑性变形特性来增加孔的疲劳寿命，用有一定相对过盈量的芯棒，施加外载驱使芯棒从孔的一端缓慢压入并匀速穿过零件孔，孔壁周边区域就发生一定的弹塑性变形，产生的残余压应力能够有效地降低材料的平均应力水平，一定程度上抑制疲劳裂纹扩展，从而提高零件的疲劳寿命。但是对于孔径较小的小孔挤压强化，强化难度很大，因为受孔径和可达性的限制，芯棒在挤压过程中由于太细在大过盈量的情况下容易折断，因而限制了小孔挤压强化的应用范围。同时，为了获得更好的强化效果，就必须采用相对过盈量更大的芯棒，这样在孔挤压强化时，芯棒的工作段和孔壁发生剧烈摩擦，容易造成轴向孔壁的划伤，从而降低其最终的强化效果。

激光喷丸强化作为一种新型的表面强化技术，在工业中也被广泛用来提高材料的强度、耐磨性和抗疲劳性，其强化原理主要是靠激光束和能量吸收层作用产生等离子体爆炸，在约束层的作用下诱导产生高压冲击波向材料内部扩散，冲击波的力学效应使金属材料表面发生塑性变形，从而使材料的组织致密化，并在材料表面形成一定深度的残余压应力层，能够有效地消除材料内部的应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，因此激光喷丸强化处理后材料的疲劳性能得到很大的改善。公开号CN101024862A的发明专利“一种基于激光冲击波技术孔壁的强化方法和装置”，提出了在待加工工件孔径内插入反射锥，将能量吸收层涂在反射锥的锥面上，充当能量吸收杆，激光束辐照在能量吸收杆上，产生等离子爆炸波在约束层的影响下作用在锥和孔壁上，从而实现对孔壁的强化。上述装置虽然实现了对孔壁的强化，但是仍然存在一些不足：(1)诱导的冲击波经过反射锥的反射消耗了大量的能量，降低了对于孔壁的强化效果；(2)能量吸收层在冲击过程中会产生消耗，不能实现大规模的连续喷丸；(3)对孔壁的强化区域做不到精准控制。

申请号为201010510712.X的发明专利“一种紧固孔激光冲击强化的方法和装置”，将能量吸收杆放置于紧固孔内部合适位置，激光脉冲束作用在能量吸收杆上顶端诱导等离子体爆炸产生冲击波作用于紧固孔内壁，从而对紧固孔进行强化，但是强化后激光光斑搭接在孔壁上产生不同程度的凹坑，导致材料表面粗糙度的增大，会在一定程度上抵消残余应力对延长疲劳寿命的贡献。申请号为201210456285.0的发明专利“中小径长管内壁激光喷丸强化的方法与装置”，虽然利用环形激光束实现了对中小径长管的内壁进行激光喷丸处理，但是其强化效果并不明显，且管壁由于光束搭接会出现不同程度的凹坑凸起，影响管壁整体的光整度和粗糙度。

发明内容