[發(fā)明專利]一種通過激光沖擊強化路徑重構加工表面紋理的方法

有效

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• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113210874B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發(fā)明（設計）人: 焦黎;顧慧卿;王西彬;顏培;杜凱;余建杭;宋逸凡;郭志博
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B23K26/356
• 分類號: B23K26/356
• 代理公司: 石家莊德皓專利代理事務所(普通合伙) 13129
• 代理人: 楊瑞龍

本發(fā)明涉及零件加工表面紋理加工方法的研究，具體涉及一種通過控制激光沖擊強化路徑重構加工表面紋理的方法。通過從試件的內圓孔表面提取出表面偏度和峰度等表面紋理特征參數(shù)，并確定已加工表面的材料流動方向；據(jù)此確定出激光沖擊強化的軌跡路徑，通過激光沖擊強化光斑的搭接和堆疊，使強化后表面的材料流動能逆向改變強化前表面材料的流動趨勢；通過標定的激光光斑搭接率與強化后表面的偏度和峰度之間的關聯(lián)，確定出最佳的光斑搭接率；依據(jù)前述得到的強化軌跡路徑和光斑搭接率，執(zhí)行激光沖擊強化，在內孔表面上重構出具有良好抗疲勞性能的表面紋理特征。

技術領域

本發(fā)明涉及零件加工表面紋理加工方法的研究，具體涉及一種通過控制激光沖擊強化路徑重構加工表面紋理的方法。

背景技術

在振動等隨機循環(huán)載荷作用下相互連接的機械構件之間易產(chǎn)生幅度為幾十微米量級的微小相對運動，由此產(chǎn)生的微動損傷會導致疲勞裂紋過早成核。這是相互接觸的零部件發(fā)生疲勞斷裂失效的重要原因，會嚴重降低構件的服役壽命和服役安全性。如何針對性地提出簡單可靠的表面強化處理方法，對面向構件功能和性能的制造具有十分重要的意義。激光沖擊強化作為一種廣泛采用的用于提高零件和構件疲勞壽命的表面強化方法，主要得益于其能夠在加工表面的表層和次表層內引入很大的殘余壓應力，從而有效地提高構件抵抗疲勞裂紋擴展的能力。然而，在激光沖擊強化過程中，由于激光沖擊的等離子體在零件待處理表面爆破后能產(chǎn)生高達1GPa的沖擊載荷，使得零件表面發(fā)生明顯的塑性變形，形成許多不均勻分布的微小凹坑。因此，零件原始表面的紋理特征狀態(tài)發(fā)生了改變，并進一步影響到零件表面的功能和性能特性。激光沖擊強化引入的殘余壓應力可以提高疲勞裂紋的擴展壽命，但卻不能明顯提高疲勞裂紋的萌生壽命。原因在于通過常規(guī)的激光沖擊強化路徑所構建的表面紋理特征在微觀層面具有無序性，因而無法通過所得到的表面紋理控制微動疲勞裂紋的萌生行為。

專利CN112113835A揭示了加工表面的紋理特征參數(shù)與微動疲勞裂紋的萌生位置直接相關，微動疲勞裂紋易萌生于表面偏度和峰度值較高的一側，且當表面偏度為正值、表面峰度值大于3時，更易萌生微動疲勞裂紋，但并未針對性地提出改變表面紋理偏度和峰度的方法；專利CN103898313B公開了一種渦輪盤榫槽結構的激光沖擊強化方法，可實現(xiàn)小區(qū)域的精確應力調控；專利CN103320579B公開了一種激光沖擊飛機渦輪葉片的方法與裝置，可以使飛機渦輪葉片不發(fā)生變形與破裂，并獲得均勻的殘余壓應力分布；專利CN111575476A公開了一種以逐點的方式對葉片邊緣進行沖擊強化的方法，使沖擊軌跡路線沿曲線軌跡間歇式行進，保證沖擊效果的一致性。

總之，上述文獻中揭示的現(xiàn)有技術存在的不足有：①激光沖擊強化多被用于在零件的表層和次表層內引入較大的殘余壓應力，低估了激光沖擊強化在表面紋理構建中的應用可能性；②由于微動疲勞裂紋均從接觸表面開始萌生，現(xiàn)有激光沖擊強化方法忽略了強化工藝對表面紋理的影響，并缺乏針對性的提出通過控制激光沖擊強化路徑達到構建表面紋理特征的方法；③缺乏一種工程應用中基于表面紋理參數(shù)的特定功能的要求，通過工藝路徑規(guī)劃達到構建特定表面紋理的簡便可靠的方法。因此，針對現(xiàn)有激光沖擊強化技術的應用和高服役性能表面紋理構建的工藝方法方面尚存在的不足，需要進一步改進和完善。

發(fā)明內容

本發(fā)明所要解決的技術問題是提出一種通過控制激光沖擊強化路徑重構加工表面紋理的方法，根據(jù)強化前已加工表面的初始表面的偏度和峰度紋理特征和初始表面的材料流動方向，先確定激光沖擊強化的軌跡路徑；通過標定的激光光斑搭接率與強化后表面的偏度和峰度之間的關聯(lián)，確定最佳的光斑搭接率；從而，依據(jù)前述得到的強化軌跡路徑和光斑搭接率，執(zhí)行激光沖擊強化，在內孔表面上重構出具有特定功能和性能的表面紋理特征。

為解決以上技術問題，本發(fā)明采用如下的技術方案：

①構建測量坐標系，測定強化前內孔面(102)的初始偏度和峰度值；