一种汽车轮毂的激光冲击改性装置及方法 |
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| 申请号 | CN202211593964.2 | 申请日 | 2022-12-13 | 公开(公告)号 | CN116254406A | 公开(公告)日 | 2023-06-13 |
| 申请人 | 集美大学; | 发明人 | 蒋清山; 陈秀玉; 蒋清源; 许志龙; 陈俊英; 李毅; 王魏庆; 赵志文; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 汽车 轮毂 的激光冲击改性装置及方法，装置包括 激光器 平台、控制系统、 机械臂 和 工件 固定装置；所述激光器平台包括底座、激光发生器、聚光凸透镜和 水 流 喷嘴 ；所述控制系统控制所述机械臂调整汽 车轮 毂的 位姿 ，使汽车轮毂的轴线在水平面内，并使汽车轮毂当前被加工区域处于距离 激光束 出光口一定距离的 位置 ，所述激光束在汽车轮毂的危险区域表面形成一个光斑影响区并被吸收，实现对所述汽车轮毂进行激光冲击改性操作。本发明提通过合理的局部应变改性控制，在轮毂表面中产生一定深度的高幅值残余压应 力 层，使轮毂可以获得较为均匀的 应力 分布 ，提高表层硬度，有效地改善轮毂的疲劳性能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种汽车轮毂的激光冲击改性装置，其特征在于：包括激光器平台、控制系统、机械臂和工件固定装置； |
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| 说明书全文 | 一种汽车轮毂的激光冲击改性装置及方法【技术领域】 [0002] 疲劳失效是汽车轮毂服役过程中的主要失效形式。轮毂的疲劳失效是指轮毂在交变载荷作用下，经过较长时间工作后在其表面会出现裂纹而后轮毂毫无征兆地断裂的现象，并且这种断裂往往是无明显变形的低应力断裂。当轮毂产生疲劳失效后，该部件就报废不能使用了，因而我们希望可以尽可能地延长轮毂的使用寿命。 [0003] 残余应力在轮毂的疲劳寿命方面有着重要影响，目前汽车轮毂的成型工艺主要包括靠滚压和旋压、冲压等成型工艺三种。汽车轮毂在成型过程中往往会经过各种冷热加工工序，由于冷热加工工序会使轮毂的内部组织产生变化或对轮毂造成塑性变形，从而在轮毂中产生残余应力，从而导致加快轮毂的疲劳失效。然而目前大多数人未考虑成型过程中引入的残余应力的影响，都是按照名义应力进行校核和寿命计算，从而大大偏离了实际。 [0004] 疲劳失效若不加以有效预防，则会造成重大事故，对人员生命和经济都有着巨大损失。在这种情况下，我们需要一种改善残余应力，延长轮毂使用寿命，降低使用成本的表面改性技术或方法。【发明内容】 [0005] 鉴于此，本发明要解决的技术问题，在于提供一种汽车轮毂的激光冲击改性装置及方法，通过合理的局部应变改性预置残余应力，在轮毂表面中产生高幅值和深度的残余压应力层，使轮毂可以获得较为均匀的应力分布，提高表层硬度，有效地改善轮毂的疲劳性能，大幅提高其服役寿命，降低车辆的运营和维护成本。 [0007] 所述激光器平台包括底座、激光发生器、聚光凸透镜和水流喷嘴，所述激光发生器和所述水流喷嘴设在所述底座上，所述聚光凸透镜位于所述激光发生器的前端，用以在汽车轮毂的危险区域表面形成一个光斑影响区；所述激光发生器发出的激光束处于水平入射状态； [0008] 所述机械臂的末端具有一法兰，所述工件固定装置连接在所述法兰上并固定汽车轮毂。 [0009] 所述控制系统控制所述机械臂调整汽车轮毂的位姿，使汽车轮毂的轴线在水平面内，并使汽车轮毂当前被加工区域处于距离激光束出光口一定距离的位置，同时保证当前被加工区域的表面法线与激光束之间的夹角在预设范围内，实现对所述汽车轮毂进行激光冲击改性操作。 [0010] 第二方面，本发明提供一种汽车轮毂的激光冲击改性方法，采用第一方面所述的激光冲击改性装置来实现，具体包括如下步骤： [0011] 步骤一、根据成型工艺及方法确定汽车轮毂表面残余应力的分布规律；计算汽车轮毂正常服役工作情况下的名义应力分布情况； [0012] 步骤二、将残余应力和名义应力叠加，得到汽车轮毂实际的服役应力分布情况； [0014] 步骤四、对汽车轮毂进行发黑或者在其危险区域表面喷涂黑漆，形成激光冲击的吸收层； [0015] 步骤五、将汽车轮毂通过工件固定装置固定在机械臂的末端法兰上，并使汽车轮毂的轴线在水平面内； [0016] 步骤六、通过控制系统控制机械臂调整汽车轮毂的位姿，对汽车轮毂的危险区域进行激光冲击改性操作，并使汽车轮毂当前被加工区域处于距离激光束出光口一定距离的位置，激光束在当前被加工区域形成一个光斑影响区，同时保证当前被加工区域的表面法线与激光束之间的夹角在15°以内；通过水流喷嘴喷出水流作为当前被加工区域的激光冲击约束层。 [0017] 本发明的优点在于：本发明方法先确定轮毂服役过程中实际应力较大的危险区域，进而通过所述汽车轮毂激光冲击改性装置对汽车轮毂的危险区域进行激光冲击改性操作，通过合理的局部应变改性预置残余应力，在轮毂表面中产生高幅值和深度的残余压应力层，使轮毂可以获得较为均匀的应力分布，并且轮毂的表面硬度增加，从而大幅改善轮毂整体的疲劳性能，使其疲劳服役寿命得到显著提升，达到降低车辆运营和维护成本的目标。具体如下： [0018] (1)利用弹塑性成型仿真或者残余应力测试确定其表面残余应力的分布规律，再将轮毂正常工作状态下的所受额定载荷的名义应力计算出来并叠加，可精确得到其实际应力的分布区域，进而确定危险区域。 [0019] (2)可准确定位出轮毂及各个部件的空间位置；机械臂末端法兰中心处建立工具坐标系，激光器平台底座位置建立地面坐标系，这样轮毂及其被加工点相对激光束的位置和姿态便可以通过两个坐标的相对关系进行描述，方便确定各个加工状态的位置，满足所加工要求。【附图说明】 [0020] 下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。 [0021] 图1为本发明激光冲击改性装置实施例的前视立体结构示意图。 [0022] 图2为本发明激光冲击改性装置实施例的后视立体结构示意图。 [0023] 图3为图2的局部放大示意图。 [0024] 图4为本发明激光冲击改性装置实施例的俯视结构示意图。 [0025] 图5为图4的局部放大示意图。 [0026] 图6为本发明中激光出光口与轮毂表面法线所成角度的示意图。 [0027] 图7为本发明中激光出光口距离轮毂表面的示意图。 [0028] 图8为本发明中水流处于激光光斑影响区上方一定距离的示意图。 [0029] 图中，光冲击改性装置100，激光器平台1，底座11，激光发生器12，聚光凸透镜13，水流喷嘴14；控制系统2，机械臂3，法兰31，工件固定装置4；汽车轮毂200；激光束A，光斑影响区B。【具体实施方式】 [0030] 本发明实施例通过提供一种汽车轮毂的激光冲击改性装置及方法，确定轮毂服役过程中实际应力较大的危险区域，进而对危险区域进行激光冲击改性，从而改善轮毂的残余应力，延长轮毂使用寿命和使用成本，提高安全性能。 [0031] 本发明实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：先确定轮毂服役过程中实际应力较大的危险区域，进而通过所述汽车轮毂激光冲击改性装置对汽车轮毂的危险区域进行激光冲击改性操作，通过合理的局部应变改性预置残余应力，在轮毂表面中产生高幅值和深度的残余压应力层，使轮毂可以获得较为均匀的应力分布，并且轮毂的表面硬度增加，从而大幅改善轮毂整体的疲劳性能，使其疲劳服役寿命得到显著提升，达到降低车辆运营和维护成本的目标。 [0032] 激光冲击改性的原理是：激光器平台中的激光发生器会发射出平行激光光束，光束经过聚光凸透镜后作用于汽车轮毂的危险区域形成光斑影响区，同时喷嘴喷出水流作为危险区域的激光的约束层，通过合理的局部应变改性预置残余应力，在轮毂表面中产生高幅值和深度的残余压应力层，使轮毂可以获得较为均匀的应力分布，并且轮毂的表面硬度增加。 [0034] 实施例一 [0035] 请参阅图1至图8所示，本实施例提供一种汽车轮毂的激光冲击改性装置100，包括激光器平台1、控制系统2、机械臂3和工件固定装置4； [0036] 所述激光器平台1包括底座11、激光发生器12、聚光凸透镜13和水流喷嘴14，所述激光发生器12和所述水流喷14嘴设在所述底座11上，所述聚光凸透镜13位于所述激光发生器12的前端，用以对激光发生器12发出的激光束A进行汇聚，从而在汽车轮毂的危险区域表面形成一个光斑影响区B，该光斑影响区B即为当前被加工区域；所述激光发生器12发出的激光束A处于水平入射状态； [0037] 所述机械臂3的末端具有一法兰31，所述工件固定装置4连接在所述法兰上并固定汽车轮毂200，从而使机械臂3通过各个关节的控制带动汽车轮毂200平移和旋转。 [0038] 所述控制系统2控制所述机械臂3调整汽车轮毂200的位姿，使汽车轮毂200的轴线在水平面内，并使汽车轮毂200当前被加工区域处于距离激光束A出光口一定距离D的位置，同时保证当前被加工区域的表面法线C与激光束A之间的夹角α在预设范围内，实现对所述汽车轮毂200进行激光冲击改性操作。 [0039] 作为本实施例更优或更为具体的实现方式： [0040] 所述当前被加工区域与激光束A出光口的距离D为10～20cm；根据凸透镜成像原理，激光束A经过出光口的透镜后，聚焦光照至汽车轮毂200的当前被加工区域，便于后续的加工强化； [0041] 所述激光冲击的吸收层的厚度为0.05～0.3mm；所述激光束A的重复频率为1～5Hz，激光束A单次脉冲输出能量为1～20J，脉冲宽度为5～60ns，即可由以上数值计算得出 2 激光束A功率密度为0.02～14.14GW/cm； [0042] 所述光斑影响区B的大小为5～20mm2；既可以适应异形曲面的加工，保证单次激光冲击在其光斑影响区B的范围内均匀吸收，同时又可以保证一定的加工效率。 [0043] 所述机械臂3调整关节转动角位移来控制相邻两个光斑影响区B搭接率在30％以上。控制光斑影响区B的搭接率在30％以上，可以在轮毂表面实现更好的光斑覆盖率和改性效果，表层材料在激光冲击改性后组织得到细化更加均匀，并在表面产生一定深度的残余压应力层。 [0044] 所述水流喷嘴14喷射在汽车轮毂当前被加工区域的上方5～20mm处，且约束层厚度为0.5～2mm，水流喷射方向与汽车轮毂的表面法线方向所成的角度控制在10°～60°之间。通过控制水流喷嘴14按上述喷射的距离和角度，可以保证水流落至汽车轮毂200的表面后，形成一层均匀的水膜。同时，水膜完全覆盖住当前被加工区域，保证激光束A通过水膜时能量的均匀性，以便对激光冲击改性后的效果进行有效控制。 [0045] 实施例二 [0046] 请参阅图1至图8所示，本实施例提供一种汽车轮毂的激光冲击改性方法，采用实施例一所述的激光冲击改性装置来实现，具体包括如下步骤： [0047] 步骤一、根据成型工艺及方法确定汽车轮毂200表面残余应力的分布规律；计算汽车轮毂200正常服役工作情况下的名义应力分布情况； [0048] 目前现有技术可实验得到表面残余应力的分布情况，或者通过仿真软件(例如Abaqus软件)施加与实际情况相符合的边界条件，确定其表面残余应力的分布规律；再通过仿真软件(例如Abaqus软件)计算得到名义应力分布情况； [0049] 步骤二、将残余应力和名义应力叠加，得到汽车轮毂实际的服役应力分布情况； [0050] 利用软件(例如Abaqus软件)将残余应力和名义应力线性叠加计算可得出汽车轮毂实际的服役应力分布情况； [0051] 步骤三、确定汽车轮毂200的危险区域，并将确定的危险区域作为轮毂的被加工区域；所述危险区域为实际的服役应力超过预设阀值的区域； [0052] 被加工区域表面可以是分散的多个区域，包括轮毂的内表面、外表面以及端面； [0053] 步骤四、对汽车轮毂200进行发黑或者在其危险区域表面喷涂黑漆，形成激光冲击的吸收层； [0054] 步骤五、将汽车轮毂200通过工件固定装置4固定在机械臂3的末端法兰31上，并使汽车轮毂200的轴线在水平面内； [0055] 步骤六、通过控制系统2控制机械臂3调整汽车轮毂200的位姿，对汽车轮毂200的危险区域进行激光冲击改性操作，并使汽车轮毂200当前被加工区域处于距离激光束A出光口一定距离的位置，激光束A在当前被加工区域形成一个光斑影响区B，同时保证当前被加工区域的表面法线与激光束B之间的夹角α在15°以内；通过水流喷嘴14喷出水流作为当前被加工区域的激光冲击约束层。 [0056] 作为本实施例更优或更为具体的实现方式： [0057] 所述机械臂3的末端法兰31中心处建立工具坐标系O1，在激光冲击改性装置的底座上建立地面坐标系O2； [0058] 在进行激光冲击改性过程中，所述汽车轮毂200的被加工点相对激光束的位置和姿态便可以通过所述工具坐标系O1和所述地面坐标系O2的相对关系进行描述。 [0059] 其中激光出光口位置是固定不变的，位置坐标可确定，当前加工区域是激光束A作用于汽车轮毂200表面的部分。这样整个装置各部分之间的相对位置和姿态便可以用坐标来表述，也便于控制系统2更好地控制机械臂3； [0060] 所述控制系统2通过所述工具坐标系O1和所述地面坐标系O2控制所述机械臂3运动，使汽车轮毂200的被加工点处的位置及法线满足激光冲击改性操作的需求。 [0061] 所述当前被加工区域与激光束出光口的距离D在10～20cm。根据凸透镜成像原理，激光束A经过出光口的透镜后，聚焦光照至汽车轮毂200的当前被加工区域，便于后续的加工强化。 [0062] 所述水流喷嘴14喷射在汽车轮毂200当前被加工区域的上方5～20mm处，约束层厚度为0.5～2mm，且在激光冲击改性过程中，水流喷射方向与轮毂200表面法线方向所成的角度控制在10°～60°之间。通过控制水流喷嘴14按上述喷射的距离和角度，可以保证水流落至汽车轮毂200的表面后，形成一层均匀的水膜。同时，水膜完全覆盖住当前被加工区域，保证激光束A通过水膜时能量的均匀性，以便对激光冲击改性后的效果进行有效控制。 [0063] 所述激光冲击的吸收层的厚度为0.05～0.3mm，另外激光发生器可调节激光的频率和能量大小，控制光斑的重叠率，进而可在轮毂表面得到不同的表面残余压应力。 [0064] 所述光斑影响区B大小为5～20mm2，可以是圆形、矩形或其他形状，所述光斑影响2 区B大小为5～20mm ，既可以适应异形曲面的加工，保证单次激光冲击在其光斑影响区B的范围内均匀吸收，同时又可以保证一定的加工效率。 [0065] 较佳的，所述激光束A的重复频率为1～5Hz，激光束A单次脉冲输出能量为1～20J，2 脉冲宽度为5～60ns，即可由以上数值计算得出激光束A功率密度为0.02～14.14GW/cm。 [0066] 所述机械臂3调整关节转动角位移来控制相邻两个光斑影响区B搭接率在30％以上。控制光斑影响区B的搭接率在30％以上，可以在轮毂表面实现更好的光斑覆盖率和改性效果，表层材料在激光冲击改性后组织得到细化更加均匀，并在表面产生一定深度的残余压应力层。 [0067] 综上所述，本发明方法先确定轮毂服役过程中实际应力较大的危险区域，进而通过所述汽车轮毂激光冲击改性装置对汽车轮毂的危险区域进行激光冲击改性操作，通过合理的局部应变改性预置残余应力，在轮毂表面中产生高幅值和深度的残余压应力层，使轮毂可以获得较为均匀的应力分布，并且轮毂的表面硬度增加，从而大幅改善轮毂整体的疲劳性能，使其疲劳服役寿命得到显著提升，达到降低车辆运营和维护成本的目标。具体如下： [0068] (1)利用弹塑性成型仿真或者残余应力测试确定其表面残余应力的分布规律，再将轮毂正常工作状态下的所受额定载荷的名义应力计算出来并叠加，可精确得到其实际应力的分布区域，进而确定危险区域。 [0069] (2)可准确定位出轮毂及各个部件的空间位置；机械臂末端法兰中心处建立工具坐标系，激光器平台底座位置建立地面坐标系，这样轮毂及其被加工点相对激光束的位置和姿态便可以通过两个坐标的相对关系进行描述，方便确定各个加工状态的位置，满足所加工要求。 [0070] 虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。 |
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