[发明专利]一种激光冲击和超声振动挤压协同强化装置及方法

说明书

本发明提供一种激光冲击和超声振动挤压协同强化装置及方法，所述装置包括激光组件、振动组件、液压组件和连接组件。所述方法采用激光冲击强化和超声振动挤压强化同时对金属板料上已开的孔进行强化，所述芯棒与孔成间隙配合状态以对孔进行约束，以防止激光冲击工件外表面时孔和孔角的畸变，并增加孔壁的强化效果；在激光冲击金属板料外表面时，孔中的芯棒施加超声振动，利用一定频率、振幅和模态的功率超声与激光冲击波产生相互作用，在孔壁附近一定深度形成三维的压应力分布，使孔获得较高的抗疲劳性能和较光整的内表面。本发明克服了传统强化工艺的缺陷，解决了单一激光冲击和单一超声振动挤压强化孔的不足。

技术领域

本发明属于零件表面强化领域，提供一种激光冲击和超声振动挤压协同强化装置及方法，主要应用于航空、航天、列车及船舶等工业中应力集中严重的孔强化。

背景技术

在航空航天等领域，由于设计、制造和装配等原因，零件会难以避免的出现孔结构，如果不对孔进行强化处理，则未强化孔就会成为整个零件受力部位疲劳破坏的危险源之一，从而导致安全性能和使用寿命降低。目前广泛使用的强化方法是冷挤压强化和激光冲击强化等。

芯棒直接冷挤压技术，是使芯棒强行通过比芯棒直径略小的孔径，使孔壁发生弹塑性变形，从而在孔壁表面引入残余应力，进而提高孔的疲劳寿命。但该技术在挤压过程中，芯棒与孔壁直接接触，两者间摩擦力大，孔壁表层金属塑性流动严重，导致孔壁表面出现划痕，芯棒断裂等问题。因此普通芯棒冷挤压技术无法达到有效提高高强度金属小孔的挤压强化效果。

专利CN102205488A叙述了一种开缝衬套冷挤压加工孔的方法。通过在孔壁和芯棒之间要增加一个开缝的衬套，用芯棒挤压衬套，衬套再对孔壁进行挤压，使内孔周围产生残余压应力，达到强化效果。但挤压过程中芯棒极易断裂，工艺较为复杂且每次消耗一个衬套，导致加工成本大幅提高。并且大量直径小于3.5mm的无法采用冷挤压强化，对小孔孔径尺寸限制较大。

激光冲击强化是通过对材料表面的强化来调控小孔内壁的应力分布，达到对小孔的强化效果，但这种调控受很多因素的限制，特别是材料厚度等因素。激光冲击强化小孔有单面冲击和双面冲击两种。单面激光冲击强化后小孔孔壁中部存在拉应力，疲劳寿命呈负增益。对于孔壁的应力分布来说，如果双面冲参数适当，效果优于单面冲，双面冲的“应力波峰”分布更倾向于板料厚度方向的中部，但是单双面冲均在靠近板料表面的地方产生拉应力。因此对于厚度大的板料上的小孔，激光冲击强化存在缺陷，孔壁中部无法得到强化。并且在实际生产过程中，工件形状复杂多变，双面冲往往不容易实现，故应用受到一定的限制。

专利CN101942546A叙述了一种激光冲击强化小孔技术，该技术是在小孔内部适当位置放置能量吸收杆，激光脉冲作用在能量吸收杆头部斜面，诱导等离子体爆炸产生冲击波作用于小孔内壁，从而对小孔进行强化。但该方法无法保证直径小于3mm的小孔得到有效的强化。

超声波拉丝是将超声波的能量通过固体或液体耦合到拉丝模具上，通过拉丝模具和金属丝的接触传递到金属丝上，超声振动对金属丝的塑性形变产生很大的影响。超声波拉丝在降低拉拔力，提高拉丝速度，降低摩擦力从而减少模具磨损，延长模具寿命，防止咬粘模壁，降低断线率，提高钢表面质量和改善材料力学性能等方面都能起到良好的作用。

超声振动挤压强化技术是使零件表面被有压力(拉力)和高频纵向冲击力的工具头撞击，使工件表面的微观峰谷被压平，同时表层金属发生塑性变形强化，形成压应力，进而增强零件表面耐疲劳强度。但使用超声振动挤压强化小孔时，小孔的孔角无法得到有效的强化且极易发生变形。

专利CN103710494A叙述了一种基于超声波的小孔强化方法及装置，该方法是在小孔内部适当位置放置压电陶瓷柱，其中压电陶瓷柱为振动部件，进行极化后与超声波发生器相连接。通过压电陶瓷柱的旋转和径向运动撞击小孔内壁产生一定的塑性变形从而引入残余应力，对小孔内壁进行珩磨与强化。但是由于压电陶瓷柱在使用之前需要进行较为严格的极化处理，因此工艺极为复杂，且存在残余应力分布不均匀问题。