專利名稱：一種錐壓與激光沖擊相結合的小孔強化方法
技術領域：
本發明屬于零件表面強化技術領域，涉及零件表面的激光噴丸強化與壓入處理，提供了一種錐壓與激光沖擊相結合的小孔強化方法。
背景技術：
在航空航天等領域的機械結構中，孔在機械連接機構占有重要地位。一般而言，孔往往是整個零件的應力集中部位。零部件往往都是從孔位置開始發生失效而導致整個零件的報廢。換言之，由于孔本身的壽命從而降低整個零部件的使用壽命。因此，急待有效的小孔強化工藝，目的就是為了改善帶孔零部件的機械性能，從而在使用的過程中能夠更加安全更加可靠有更長的疲勞壽命。
在王玉梅的深孔滾壓工藝參數及復合滾壓工具的研究中可知，目前國內外孔的強化主要采用機械噴丸和滾壓兩種強化工藝方法。傳統采用機械噴丸的方法對孔壁進行強化，即在孔內設置一帶有錐角的反射裝置，將高速運動噴丸噴射到反射裝置上，使彈丸與空內壁發生撞擊，從而起到強化的效果。但是這種強化方法受到孔尺寸的限制，當孔徑小到一定程度的時候就無法或者很難實現，且噴丸強化后厚度方向的應力分布也不均勻。在陳潔的專利CN 102205488A中敘述了一種開縫襯套冷擠壓加工孔的辦法，其原理是將開縫襯套裝在一根具有過盈量的錐形擠壓棒上，使擠壓芯棒強行通過零件內孔，擠壓力通過開縫襯套均勻傳遞到零件的內孔壁上，使內孔的周圍產生殘余壓應力，但是在擠壓過程中極易斷棒，一旦斷棒，其折斷的芯棒極難從零件中取出，開縫襯套是消耗性工藝襯套，每擠一個孔就要扔掉一個開縫襯套，每根擠壓芯棒二百多美元，小直徑開縫襯套每個I 2美元，費用巨大難以承受，生產成本太大難以接受。在專利CN 101024862A中敘述了一種基于激光沖擊波技術孔壁的強化方法和裝置，該專利主要是在現有的孔內安裝反射錐的錐面上涂上能量吸收層材料，再進行激光沖擊強化，且能得到均勻的強化層，但是針對小孔，特別是直徑在3mm以下的小孔，該強化方法的使用受到限制，強化效果難以得到保證。在專利CN 101126117A中敘述了一種孔結構的激光沖擊處理方法，其實施方法為在激光沖擊強化之前將芯棒或襯套放置于孔內，芯棒或者襯套與處理孔表面平齊，完成激光沖擊強化后去除芯棒或者襯套，該專利的特點是先開孔后強化，加入芯棒或者是襯套是為了保證孔口位置激光沖擊強化后不變形，保證強化后孔口的質量，但是采用這種強化方法很可能在激光沖擊強化后，芯棒或者襯套很難從小孔中取出或者是無法取出，也很容易對小孔造成傷害。在專利CN 102517423A中敘述了一種小孔強化方法，其實施方法是先用大光斑大能量的激光對金屬板件待開孔表面進行沖擊強化，使金屬板件沿厚度方向較深處產生殘余壓應力，再用小光斑小能量的激光對金屬板件待開孔位置四周的表面進行二次沖擊強化，使金屬板件表面產生較好的殘余壓應力，最后進行打孔，這種方法避免了先開孔后進行激光沖擊強化而產生的孔端面質量不高的問題，但是當板件厚度較大時，該方法還不能保證孔壁整個厚度方向上都是壓應力，較難得到理想的壓應力效果。因此，開發一種新的小孔強化工藝，保證孔壁沿厚度方向上均為壓應力具有深遠的意義，在本發明中結合激光沖擊強化與機械壓入的方法，能夠有效的保證待加工孔位置厚度方向上均為壓應力，且壓應力較為均勻，經對國內外現有文獻的檢索結果發現，目前國內外還沒有與本發明方法類似的研究報導。

發明內容
本發明提供了一種錐壓與激光沖擊相結合的小孔強化方法，目的是為了保證強化后孔壁沿厚度方向上均為壓應力，同時該工藝也適應于較厚的板料類零件、僅單面便于激光沖擊強化的板料類零件為小孔的強化提供了一種新的思路。對現有的小孔強化工藝進行檢索，沒有檢索到類似的強化工藝方法，本發明的具體步驟如下 A)對板料/工件(4)進行清潔表面處理，保持表面的清潔平整，無脂類等殘留物；
B)在板料/工件(4)待加工小孔及周圍表面貼上能量吸收層(3)和約束層(2)；
C)將板料/工件(4)放置于激光器的工作臺上且定位，對板料/工件(4)待加工小孔及周圍進行單面激光沖擊強化；
D)板料/工件(4)完成激光沖擊強化后用錐形壓頭(5)從沒有進行激光沖擊強化的一面壓入板料/工件(4)的小孔待加工位置；
E)在板料/工件(4)預定位置加工小孔；
F)加工完成后對板料/工件(4)進行后處理。上述步驟C)和D)可先后順序對調，并且抽出錐形壓頭或不抽出錐形壓頭(5)后，對板料/工件(4)待加工小孔及周圍進行單面或兩面激光沖擊強化。所述錐形壓頭(5)材料為淬火鋼、硬質合金、金剛石燒結體中的一種。錐形壓頭
(5)錐度在1:6 1:0. 5之間，錐形壓頭截面最大直徑與孔徑比在O. 25、. 85之間。所述步驟C)或D)中，激光沖擊的參數根據板料/工件(4)加工小孔需要調節，激光脈沖寬度的調節范圍為O. 002-99ns、激光光斑半徑的調節范圍為O. 2_10mm、激光脈沖能量大小的調節范圍為O. 1-99J。所述步驟B)中，能量吸收層為鋁箔、黑漆或黑膠帶；約束層為水、K9光學玻璃或有機玻璃。本發明的有益效果在于
1)與類似的專利相比本工藝的強化特點在于先強化后開孔，相比于先開孔后強化的優點在于避免激光強化對孔端面產生的不良影響，諸如造成孔端面的粗糙度降低、孔端面位置的變形、孔精度下降等問題；
2)綜合了激光沖擊強化和機械強化各自的優點，結合錐形壓頭的壓入與激光沖擊強化使得強化后待加工孔位置沿厚度方向上都為壓應力，提高了零件上小孔的疲勞壽命和抗應力腐蝕性能，使小孔位置的使用壽命和強度得到提高；
3)激光沖擊過程中由于吸收層和約束層的熱保護，減少對板料造成熱傷害；
4)適用范圍廣，能適用于不同材質不同厚度的板料類零件。


下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。圖1是本發明小孔強化工藝示意 圖2是激光強化的工藝路線 圖3是7050鋁合金、厚度為4mm板料處理后孔壁沿厚度方向殘余應力示意 圖4是304不銹鋼、厚度為6mm板料處理后孔壁沿厚度方向殘余應力示意圖。圖中(I)激光束、(2)約束層、(3)吸收層、(4)板料/工件、(5)錐形壓頭；(6) 光斑、(7)激光沖擊路線、(8)激光沖擊起始位置、(9) 4mm厚7050鋁合金激光沖擊強化應力、(10 ) 4mm厚7050鋁合金激光沖擊強化與錐壓應力、(11) 6mm厚304不銹鋼雙面激光沖擊強化應力、(12) 6mm厚304不銹鋼兩面激光沖擊強化與錐壓處理后應力。
具體實施例方式以下結合附圖所示實例作進一步詳述。如圖1所示，本發明提供一種錐壓與激光沖擊相結合的小孔強化方法，本實例以鋁合金板料為例，對工藝中的一種實施方式結合圖1詳細闡述，實例中的板料為7050鋁合金，板厚為4mm，將鋁合金板料進行預處理后，保證零件表面的清潔與光潔度，在鋁合金板料表面貼上鋁箔作為能量吸收層(3)，再在鋁箔外以常溫流動水為約束層(2)，在激光沖擊過程中對板料/工件(4)進行熱保護，減小激光對板料/工件(4)的熱傷害；將帶有鋁箔的鋁合金板料/工件(4)固定于激光器的操作平臺上，對板料進行激光沖擊強化，在本實例中選用的激光參數為35J、光斑直徑為4mm、激光束的脈寬為20ns、光斑之間的搭接率為50%、沖擊路線如圖2所示，激光誘導會產生沖擊波，沖擊波產生后，等離子體迅速膨脹，但其被限制在鋁合金表面和吸收層鋁箔之間，從而產生一個向板料內部傳播的沖擊壓縮波，該沖擊壓縮波就會對鋁合金產生強化作用，對板料/工件(4)上未貼吸收層的一面進行壓入處理，在本次實例中采用的是硬質合金錐形壓頭，壓頭的錐度為1:1. 5，錐形壓頭截面的最大直徑為2mm，壓入深度為3mm ;完成后得到我們所需要的強化效果；最后對預定位置加工小孔，小孔直徑為2. 6mm，對小孔內壁厚度方向上各點的應力加以檢測，與僅僅使用激光沖擊強化后加工小孔，應力檢測對比結果如圖3所示。實例2如圖1 (C)所示，本實例以304不銹鋼板料為例，對工藝中的一種實施方式結合圖1 (c)詳細闡述，實例中的板料板厚為6mm，將試件進行預處理后，保證零件表面的清潔與光潔度，在試件待加工小孔位置貼上鋁箔作為能量吸收層(3)，再在鋁箔外以常溫流動水為約束層(2)，在激光沖擊過程中對板料/工件(4)進行熱保護減小激光對板料/工件(4)的熱傷害；接著對304不銹鋼試件進行壓入處理，在本次實例中采用的是金剛石燒結體錐形壓頭，壓頭的錐度為1:2，錐形壓頭截面的最大直徑為2mm，壓入深度為4mm，完成后保持錐形壓頭與304不銹鋼的擠壓狀態且將試件連同錐形壓頭一起安裝于激光器操作平臺上；接著對304不銹鋼進行激光強化，在本實例中選用的激光參數為46J、光斑直徑為4mm、激光束的脈寬為20ns、光斑之間的搭接率為50%、沖擊路線如圖2所示；完成強化后清理試件，對調上述壓頭壓入面與激光強化面，重復上述操作，即板料的雙面都將被激光強化和壓入處理過；最后對預定位置加工小孔，小孔直徑為3_，對小孔內壁厚度方向上各點的應力加以檢測，與僅僅對試件兩面使用激光沖擊強化后加工小孔，應力檢測對比結果如圖4所示。
權利要求
1.一種錐壓與激光沖擊相結合的小孔強化方法，其特征在于，對待加工板料/工件(4)進行激光沖擊強化和采用在待加工孔位置用硬度較高的錐形壓頭(5)壓入板料/工件(4)相結合的方法，具體步驟為 A)對板料/工件(4)進行表面清潔處理，保持表面的清潔平整，無脂類等殘留物； B)在板料/工件(4)待加工小孔及周圍表面貼上能量吸收層(3)和約束層(2)； C)將板料/工件(4)放置于激光器的工作臺上且定位，對板料/工件(4)待加工小孔及周圍進行單面激光沖擊強化； D)板料/工件(4)完成激光沖擊強化后用錐形壓頭(5)從沒有進行激光沖擊強化的一面壓入板料/工件(4)的小孔待加工位置，待壓入一定深度后取出； E)在板料/工件(4)預定位置加工小孔； F)加工完成后對板料(4)進行后處理。
2.根據權利要求1所述的一種錐壓與激光沖擊相結合的小孔強化方法，其特征在于，所述步驟C)、D)替換為C)將板料/工件(4)放置于激光器的工作臺上且定位，對板料/工件(4)待加工小孔及周圍進行單面或雙面激光沖擊強化；D)板料/工件(4)完成激光沖擊強化后用錐形壓頭(5)從兩面壓入板料/工件(4)的小孔待加工位置，壓入后取出。
3.根據權利要求1所述的一種錐壓與激光沖擊相結合的小孔強化方法，其特征在于，所述步驟C)、D)替換為C)將錐形壓頭(5)從不進行激光沖擊強化的一面壓入板料/工件(4)待加工小孔中心位置；D)抽出錐形壓頭(5)后，在待加工小孔及周圍對板料/工件(4)未進行壓入處理的一面進行激光沖擊強化。
4.根據權利要求1所述的一種錐壓與激光沖擊相結合的小孔強化方法，其特征在于，所述步驟C)、D)替換為C)將錐形壓頭(5)從不進行激光沖擊強化的一面壓入板料/工件(4)待加工小孔中心位置；D)不抽出錐形壓頭(5)，保持錐形壓頭(5)與板料/工件(4)呈擠壓狀態，在待加工小孔及周圍對板料/工件(4)未進行壓入處理的一面進行激光沖擊強化。
5.根據權利要求1、2或3所述的一種錐壓與激光沖擊相結合的小孔強化方法，其特征在于，所述步驟C)或D)中，激光沖擊的參數根據板料/工件(4)加工小孔需要調節，激光脈沖寬度的調節范圍為0.002 ns -99ns、激光光斑半徑的調節范圍為0.2 mm -10mm、激光脈沖能量大小的調節范圍為0.1 J -99J。
6.根據權利要求1、2或3所述的一種錐壓與激光沖擊相結合的小孔強化方法，其特征在于，所述步驟B)中，能量吸收層為鋁箔、黑漆或黑膠帶；約束層為水、K9光學玻璃或有機玻璃。
7.根據權利要求1、2或3所述的一種錐壓與激光沖擊相結合的小孔強化方法，其特征在于，所述步驟B)中，所述錐形壓頭(5)材料為淬火鋼、硬質合金、金剛石燒結體中的一種，錐度在1: 6 1:0. 5之間，錐形壓頭截面最大直徑與孔徑比在0. 25、. 85之間，錐頭通過刀柄與進給系統連接。
全文摘要
本發明公開了一種錐壓與激光沖擊相結合的小孔強化方法，屬于零件表面強化技術領域。本發明先對板料/工件待加工孔位置進行激光沖擊強化，再在待加工孔位置用硬度較高的錐形壓頭壓入板料/工件，最后再對板料/工件加工小孔；或者是用硬度較高的錐形壓頭壓入板料/工件待加工小孔中心位置，抽出錐形壓頭后，再在其背面/對面待打孔位置及周圍進行激光強化處理，最后對板料/工件進行打孔。本方法解決了采用單一的激光沖擊強化對板料待加工孔位置進行處理后產生壓應力層不夠深或出現拉應力問題，同時也可解決某些僅有單面可進行激光板料強化的板料類零件小孔強化問題，使加工后的小孔沿厚度方向都呈現壓應力。
文檔編號C21D1/09GK103014276SQ201210585709
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者姜銀方, 程志軍, 姜文帆, 王春輝, 金華, 丁報 申請人:江蘇大學