控制复杂曲面薄壁零件在激光喷丸强化过程中变形的方法与流程

本发明属于激光加工制造技术领域，具体涉及一种控制复杂曲面薄壁零件在激光喷丸强化过程中变形的方法。

背景技术：

激光喷丸强化作为一种新型表面改性技术，具有加载压力高，塑性变形影响程度深，冲击区域、加载压力参数可控，易于自动化等优点，激光喷丸强化处理过程中，会在零件表面产生塑性变形，即在表面形成微凹坑，实现零件表面局部的体积转移，使得零件产生变形，尤其是在复杂曲面薄壁零件的激光喷丸强化过程中，复杂表面曲率使得薄壁零件极易产生弯曲、扭转变形，对复杂曲面薄壁零件激光喷丸强化过程中的变形情况进行合理的评估预测有助于提高激光喷丸强化效果；目前的评估方法，判断过程繁琐，且不便于对变形情况的控制。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种控制复杂曲面薄壁零件在激光喷丸强化过程中变形的方法，用于合理评估并控制复杂曲面薄壁零件激光喷丸强化过程中的变形问题。

为实现上述目的，本发明的实施例提供一种控制复杂曲面薄壁零件在激光喷丸强化过程中变形的方法，其特征在于，包括以下过程：

s1、建立库文件，库文件中包含不同条件下板料的变形形式；

s2、确定板料表面塑性变形深度与板料变形方式、变形量的对应关系，并将结果存于库文件中；其中，正向表示变形方向与激光束作用方向相同的变形方式；反向表示变形方向与激光束作用方向相反的变形方式；

s3、基于弹塑性力学，结合abaqus有限元仿真和激光喷丸实验结果的分析处理，以板料厚度及塑性变形深度确定激光喷丸过程中正反向变形方式，建立不同变形形式的变形特征参数，确定正反变形转化阈值参数，并将变形特征参数、阈值参数对应的激光喷丸参数、板料材质厚度及残余应力分布结果存储于数据库中；

s4、实际进行复杂曲面薄壁件激光喷丸强化过程中，基于零件曲面的特征方程或曲面坐标，以厚度作为指标，对曲面零件表面进行划分，根据激光喷丸强化的目标结果选择激光喷丸参数，结合激光喷丸参数和不同区域的厚度计算变形特征参数，确定所选的激光喷丸强化参数是否会产生变形；如产生变形，则确定变形形式，基于评判预测结果重新确定激光喷丸参数；若产生正向变形，则减小激光喷丸参数，则减小激光喷丸参数，或增大功率密度，使变形特征参数处于正反变形转化阈值附近若产生反向变形，则减小激光喷丸参数。

进一步的，所述步骤s1中，不同激光喷丸参数、不同厚度不材质板料与变形形式对应关系库文件通过理论分析、仿真研究及实验模拟的方法确定，库文件中记录了不同激光功率密度、不同厚度变化后板料变形的规律。

进一步的，所述步骤s2中，表面塑性变形深度通过测量板料深度方向的残余应力分布及理论计算综合确定，板料变形方式和变形量通过三坐标测量仪确定，所述的塑性变形深度理论计算公式为式中，cel为弹性波波速，cpl为塑性波波速，τ激光脉冲宽度，p为激光冲击波压力，hel为材料动态屈服强度。

进一步的，所述步骤s3中，变形特征参数通过塑性变形深度和板料厚度建立，具体为式中，lp是塑性变形深度，h是板料厚度，建立变形特征参数与变形形式的对应关系。

进一步的，所述步骤s4中，通过目标效果选择的激光喷丸参数和板料厚度确定变形特征参数，进而评估零件在激光喷丸强化过程中是否会产生变形，产生何种形式的变形，最后结合评估结果，优选激光喷丸参数，从而控制薄壁件激光喷丸强化过程中变形，并获得最优强化效果。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

(1)本发明的一种控制复杂曲面薄壁零件在激光喷丸强化过程中变形的方法，并不仅仅适用于激光喷丸强化，还适合在表面形成强烈的表面处理技术，如机械喷丸等。相比目前所采用的评估方法，本发明的变形控制方法具有方案直观，易于判断，可有效控制薄壁零件激光喷丸强化过程变形的优点，符合薄壁结构零件高要求的标准。

(2)本发明实现了根据变形特征参数可以直观判断板料所产生的变形形式(正向或反向变形)，并可通过调整激光功率密度，调整变形特征参数，实现控制复杂曲面零件在激光喷丸强化过程中变形形式(正向或反向)。

附图表说明

图1为本发明的实施例中一种控制复杂曲面薄壁零件在激光喷丸强化过程中变形的方法的流程图；

图2为本发明的实施例中板料激光喷丸变形实验试样示意图；

图3为本发明的实施例中采用不同参数实验后板料的变形结果图；

图4为本发明的实施例中板料不同变形形式的特征参数计算结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种控制复杂曲面薄壁零件在激光喷丸强化过程中变形的方法，主要包括以下步骤，如图1的流程图所示：

1、建立库文件，本实施例所采用的靶材为tc4钛合金，第一步，加工试样，试样具体尺寸及实验作用区域，如图2所示，其基本参数为e＝112.5gpa，c0＝5.09km/s，ρ0＝4.5×103kg/m3，合金材料的动态屈服强度σy＝1.34gpa，加工完成后对试样进行激光喷丸强化，选用不同的厚度和不同的激光参数进行板料激光喷丸强化变形实验，具体参数如下表1所示：

表1板料激光喷丸变形实验过程中所采用的参数

2、板料激光喷丸变形试验后，板料的变形方向和变形角度通过三坐标测量仪测量，具体如图3所示，由实验结果可以看出，功率密度为1.53gw/cm²，板料在1mm时，产生反向变形(其中，正向表示变形方向与激光束作用方向相同的变形方式；反向表示变形方向与激光束作用方向相反的变形方式)；随着厚度逐渐增加，变形逐渐减小，当板料厚度大于1.5mm时，基本不产生变形；功率密度为2.25gw/cm²时，板料初始产生反向变形，当板料厚度增加到1.9mm时，基本不产生变形；当功率密度大于等于3.26gw/cm²时，板料首先产生正向变形，随后产生反向变形，即随着板料厚度的增加，板料变形形式发生转化，3.26gw/cm²、4.94gw/cm²、6.43gw/cm²时，对应的变形方式转化的厚度为1.08mm，1.54mm，1.72mm。

3、基于塑性变形深度公式和板料厚度，变形特征参数通过塑性变形深度和板料厚度建立，具体为式中，lp是塑性变形深度，h是板料厚度，建立变形特征参数与变形形式的对应关系；计算出板料变形特征参数，具体结果如图4所示，由计算结果可知，当变形特征参数λ<0.212，板料不产生大的变形；当0.212<λ<0.58，板料产生正向变形，即变形方向与激光束入射方向相同；当λ＞0.65，板料产生反向变形，即变形方向与激光束入射方向相反；对于本实施例的tc4钛合金板料而言，正向、反向变形的变形特征参数阈值为0.62。

4.将上述结果保存于库文件中，在实际进行薄壁件激光喷丸强化过程中，基于薄壁零件曲面的特征方程或曲面坐标，以厚度作为指标，对曲面零件表面进行划分，根据激光喷丸强化的目标结果选择激光喷丸参数，结合激光喷丸参数和不同区域的厚度计算变形特征参数，确定所选的激光喷丸强化参数是否会产生变形，以钛合金而言，当变形参数0.212<λ<0.58，即可判断板料产生正向变形，应适当减小激光功率密度，使变形特征参数小于0.212，或根据强化效果要求，增加功率密度，可将变形特征参数增加至0.59～0.64之间；当变形参数λ＞0.65，可判断板料产生反向变形，则应减小激光功率密度，从而减小变形特征参数，使之处于0.59～0.64之间；从而通过计算塑性变形深度，及板料厚度，计算出变形特征参数，从而，根据变形特征参数可以直观判断板料所产生的变形形式(正向或反向变形)，并可通过调整激光功率密度，调整变形特征参数，实现控制复杂曲面零件在激光喷丸强化过程中变形形式。

对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。