一种圆弧端齿结构零件的激光冲击强化方法 |
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| 申请号 | CN202211403729.4 | 申请日 | 2022-11-10 | 公开(公告)号 | CN115821028A | 公开(公告)日 | 2023-03-21 |
| 申请人 | 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司; | 发明人 | 陈慧斌; 张恭轩; 于真鹤; 李吉鹏; 董文启; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于航空 发动机 技术领域，具体涉及一种圆弧端齿结构零件的 激光冲击强化 方法。该方法包括工艺参数的开发、在圆弧端齿结构零件的待加工区域涂覆吸收层，并对非强化区域做好保护及按加工路径对圆弧端齿结构零件的待加工区域进行加工，并保证加工过程中约束层的 覆盖 。本方法处理加工后的圆弧端齿结构可提高服役寿命，代替传统干膜 润滑剂 的作用。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种圆弧端齿结构零件的激光冲击强化方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种圆弧端齿结构零件的激光冲击强化方法技术领域背景技术[0002] 圆弧端齿结构用于风扇、压气机转子组件和涡轮转子组件间连接，以传递扭矩。在服役中需要承受较大循环载荷以及接触磨损，尤其是在凹齿凸齿间会发生微小的相对移动，即微动磨损，因此需要具备高耐冲击、抗磨损性能。在制造过程中需要保证粗糙度控制要求以减少圆弧端齿结构的磨损。由于目前常用的喷丸强化等表面强化方法，会提高圆弧端齿面表面粗糙度，因此目前圆弧端齿表面大多为磨削加工表面，未做表面强化处理。 [0003] 目前提高圆弧端齿服役性能的方法仍然是在配合面上使用干膜润滑剂，从而减少磨损带来的损失。但在圆弧端齿服役后，干膜润滑剂均脱落殆尽，服役期间保护圆弧端齿的时间仍是有待探索。考虑到干膜润滑剂与圆弧端齿结合时间的问题，使用激光冲击强化技术可直接在圆弧端齿表面形成残余压应力场，进而提高圆弧端齿的服役寿命。 [0004] 激光冲击强化技术的原理是利用高功率密度脉冲激光作用在材料表面吸收层，吸收层材料吸收激光能量后立即形成等离子体冲击波并在约束层作用下沿材料内部传播，材料表层将形成塑性形变区域，在材料内引入残余压应力，进而提高材料力学性能。（表面硬度提高、微动疲劳）激光冲击强化加工后明显优势是能够保持或降低材料表面的粗糙度，在达到圆弧端齿结构表面质量验收要求的同时提高服役寿命，并针对圆弧端齿结构在激光冲击强化后出现变形问题提出了变形控制方法，激光冲击强化技术中提高疲劳寿命和变形量在达到阈值之前是正相关的，提高的疲劳寿命越大同时变形量越大，激光冲击强化圆弧端齿结构激光冲击强化工艺的难点是在于寿命‑变形的协同控制。 [0005] 激光冲击强化仿真原理是将激光冲击强化过程转化为力学模型，将激光能量、脉冲宽度、光斑面积、搭接率、激光入射角度多种变量产生的冲击波峰值压力在模拟软件中转化为随时间、空间分布的力，模拟的冲击力作用在零件模型后使零件模型发生应变，此过程为动态显式分析。材料模型受力后发生弹性形变的位置回弹，最终达到材料内的应力平衡，此过程为隐式分析。利用激光冲击强化仿真技术可降低工艺参数开发的周期及成本。 发明内容[0006] 基于上述问题，本发明提出一种圆弧端齿结构零件的激光冲击强化方法，本方法处理加工后的圆弧端齿结构可提高服役寿命，代替传统干膜润滑剂的作用。 [0007] 本发明的技术方案是：一种圆弧端齿结构零件的激光冲击强化方法，包括以下步骤： 步骤1）开发工艺参数 使用仿真软件迭代不同工艺参数，并进行模拟仿真验证强化效果，确定激光冲击强化的工艺参数范围； 步骤2）在圆弧端齿结构零件的待加工区域涂覆吸收层，并对非强化区域做好保护；吸收层材料的选择从传统的黑胶带和铝箔变为液态有机物； 步骤3）对圆弧端齿结构零件的待加工区域进行激光冲击强化加工 步骤3.1）将圆弧端齿结构零件装夹在夹具止口上，将圆弧端齿结构零件的圆心与机械手中心找正重合； 步骤3.2）将机械手调整姿态至激光器指示灯位于初始加工位置，并调节约束层厚度； 步骤3.3）按加工路径对圆弧端齿结构零件的待加工区域进行加工，并保证加工过程中约束层的覆盖； 所述加工路径为齿形变形控制路径和宏观结构变形控制路径的结合：所述齿形变形控制路径采用奇偶数齿位间隔加工方法，所述宏观结构变形控制路径采用对向齿位加工方法，即选定的第一个端齿加工完毕后加工与其相对180°的端齿，再选定第三个端齿加工完毕后加工与其相对180°的端齿，再选定第五个端齿加工完毕后加工与其相对180°的端齿，以此类推至奇数端齿全部加工完毕后加工偶数端齿，直至所有端齿加工完毕。 [0008] 进一步的，上述的一种圆弧端齿结构零件的激光冲击强化方法，步骤1）所述的激光冲击强化的工艺参数范围为：激光能量E：10～18J；激光脉冲宽度τ：15ns～20ns；光斑形状：正方形；光斑尺寸：5mm；激光入射角θ：0～30°；搭接率：35%～50%。 [0009] 进一步的，上述的一种圆弧端齿结构零件的激光冲击强化方法，步骤3.2）所述约束层的选择是去离子水膜，厚度范围为1～3mm。 [0010] 本发明的优点及有益效果：1、本发明中齿形变形控制路径的优势是避免加工引起的应力集中导致的圆弧端齿结构的齿形变形；宏观结构变形控制路径的优势是避免加工中造成应力集中于同侧，防止出现圆心偏移的情况。两种加工路径方式结合后即可对圆弧端齿结构进行激光冲击强化变形控制。 [0011] 2、本发明可应用于航空发动机带有圆弧端齿结构的低温部件，激光冲击强化技术本身对于表面粗糙度的保持是稳定可靠的，相对于传统的干膜润滑剂，可以有效降低因表面粗糙度过高带来的磨损，并解决干膜润滑剂因厚度均匀性问题导致零组件配合时造成的平衡量超差问题，以及干膜润滑剂服役期间脱落的问题，从而代替干膜润滑剂。附图说明 [0012] 图1为航空发动机圆弧端齿结构零件及强化部位宏观示意图；图2为航空发动机圆弧端齿结构零件及强化部位局部示意图； 图3为激光冲击强化设备及零件装夹位置示意图； 图4为激光冲击强化原理图； 其中，1‑强化部位、2‑激光器；3‑外光路；4‑机械手；5‑零件装夹部位；6‑吸收层；7‑约束层；8‑激光束；9‑等离子体冲击波。 具体实施方式[0014] 如图3、图4所示，激光束8从激光器2发射出后经过外光路3聚焦和整形，穿过约束层7作用在吸收层6后形成等离子体冲击波9，等离子体冲击波9在约束层7的作用下沿着材料内部传播，在材料内引起塑性变形从而引入残余压应力提高寿命。 [0015] 一种圆弧端齿结构零件的激光冲击强化方法，具体步骤如下：1）根据图1，在UG内建立模型后将模型导入仿真软件，经过迭代不同激光能量、脉冲宽度、光斑面积、搭接率、激光入射角度计算模拟软件内残余应力及粗糙度，对比设计图指标，选择几组较好的激光冲击强化工艺参数； 2）对步骤1）选择的几组工艺参数进行试验，并继续微调激光能量、脉冲宽度、光斑面积、搭接率、激光入射角度迭代工艺参数，得到最佳工艺参数，过程中需检测试验件的微动疲劳寿命、表面粗糙度和变形量。最佳工艺参数为：激光能量E ：18J；激光脉冲宽度τ： 15ns；光斑形状：正方形；光斑尺寸：5mm；激光入射角θ：20°；搭接率：50%。 [0016] 3）将圆弧端齿结构零件表面按图1所示，在强化部位1涂覆吸收层6并做好非加工区域的保护。 [0017] 4）涂覆吸收层6后的零件装夹到图3的零件装夹部位5处，并找正圆心。 [0018] 5）调整机械手4将激光器2指示灯放置在零件首次加工的位置。 [0019] 6）将机械手4进行加工路径试运行，并保证加工过程中约束层7的覆盖，并做好非加工区域的保护；加工路径为：选定的第一个端齿加工完毕后加工与其相对180°的端齿，再选定第三个端齿加工完毕后加工与其相对180°的端齿，再选定第五个端齿加工完毕后加工与其相对180°的端齿，以此类推至奇数端齿全部加工完毕后加工偶数端齿，直至所有端齿加工完毕。 [0021] 8）运行机械手4远离激光束8至安全位置，将零件取下。 [0022] 9）撕下零件表面的吸收层6，用擦拭纸蘸取丙酮将零件表面擦拭干净。 [0023] 10）如更换材料和零件尺寸需重复步骤1和2，3～9的步骤通用。 |
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