一種激光誘導空泡強化泵閥芯的裝置和方法
【專利摘要】本發明公開了一種激光誘導空泡強化泵閥芯的裝置和方法。水槽中安裝有步進電機以及安裝在固定螺栓上的閥芯工件,水槽中有兩套固定裝置，可以在加工工件的同時完成另一工件的安裝夾緊；步進電機與控制驅動器，保證工件在加工過程中處于正確的工位；水槽上方安裝高功率激光系統,高功率激光經擴束系統擴束后在工件表面上方擊穿液體形成空泡，空泡潰滅沖擊工件表面，使其表面形成殘余壓應力，提高泵閥芯表面的強度和抗空蝕性。
【專利說明】
一種激光誘導空泡強化泵閥芯的裝置和方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種激光誘導空泡強化栗閥芯的裝置和方法，屬于栗閥芯表面強化技術，用于實現激光誘導空泡對閥芯工件進行高效率的強化加工。
【背景技術】
[0002]長期以來，隨著液壓技術的高壓、大流量和小型化的發展，液壓元件極易發生空蝕現象，而這種現象，如果控制不好，就會對液壓元件固體壁面產生嚴重的破壞。而閥芯作為液壓栗中最為重要的元件，其性能的好壞關系到液壓元件的工作壽命和效率。
[0003]激光誘導空化強化是一種綠色強化技術，可以提高閥芯材料表面的力學性能，大幅度提高閥芯的強度、疲勞壽命以及抗空蝕性能。利用激光誘導空化強化技術可以避免材料產生宏觀變形，最大尺度的保證閥芯的精度。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種通過激光誘導產生空泡從而對高精度栗閥芯表面強化加工的裝置及其方法。
[0005]為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為:一種激光誘導空泡強化栗閥芯的裝置，包括激光發生系統、水槽、三維移動平臺和液體栗，所述激光發生系統位于所述水槽的上方，所述水槽位于所述三維移動平臺上，所述液體栗用來向所述水槽內循環輸入液體;所述水槽內設有第一步進電機，所述第一步進電機輸出端連接有支座，所述支座上對稱設有第二步進電機和第三步進電機，所述第二步進電機和所述第三步進電機上分別安裝有閥芯工件。
[0006]上述方案中，所述第二步進電機和所述第三步進電機的輸出端安裝有固定螺栓，所述閥芯工件穿過所述固定螺栓后，通過彈簧墊圈和螺母進行固定。
[0007]上述方案中，所述激光發生系統依次由激光控制器、激光激光器、擴束鏡、全反鏡和聚焦透鏡連接而成。
[0008]上述方案中，所述第一步進電機、所述第二步進電機和所述第三步進電機均與控制驅動器連接，所述三維移動平臺與數字控制器連接，所述控制驅動器、所述液體栗、所述激光控制器和所述數字控制器均與計算機連接。
[0009]上述方案中，所述水槽上端通過進水管與所述液體栗連接，所述水槽下端通過出水管與液體箱連接。
[0010]本發明還提供了一種激光誘導空泡強化栗閥芯的方法，包括如下步驟:
步驟一:將兩個閥芯工件分別安裝在第二步進電機和第三步進電機輸出端的固定螺栓上，并用彈簧墊圈和螺母分別進行固定；
步驟二:打開液體栗，使液體進入水槽并漫過閥芯工件，調節液體栗流量，保持水槽中液體的容量；
步驟三:打開激光發生系統并調節三維移動平臺，使得激光發生系統發出的激光聚焦點位于其中一個閥芯工件表面上方的液體中，誘導產生空泡開始進行強化加工處理；
步驟四:當其中一個閥芯工件加工完成時，第一步進電機旋轉180°，使另外一個閥芯工件進入正確的工位繼續進行強化加工，直至兩個閥芯工件均完成強化處理。
[0011 ]進一步地，步驟一中，安裝兩個閥芯工件之前，先清洗閥芯工件，并擦拭干凈，在兩個閥芯工件外圈粘貼一層黑色膠帶;步驟四中，兩個閥芯工件完成強化處理后，取出閥芯工件，清除表面黑膠帶并將其擦拭干凈。
[0012]進一步地，所述第二步進電機和所述第三步進電機基本步距角均為1.8°/步，當第二步進電機或第三步進電機旋轉一周后，三維移動平臺向水平方向平移一段距離，直至完成一個閥芯工件所有表面的加工。
[0013]進一步地，步驟三中，激光聚焦點位于閥芯工件表面上方1.5mm處;三維移動平臺向水平方向平移2mm。
[0014]進一步地，激光發生系統的激光能量10mJ?2J，波長1064nm，脈寬10ns，光斑直徑2mm，沖擊頻率5Hz。
[0015]本發明的具體優點如下:(1)利用激光誘導產生空泡，使空泡潰滅時的射流作用于閥芯工件表面，提高了表層殘余壓應力，有效提高了閥芯工件表面的強度和抗空蝕性能。
(2)在閥芯工件表面粘貼黑膠帶，增強了工件表面對能量的吸收，同時也降低激光對工件表面粗糙度和精度的影響。(3)該裝置有兩套固定裝置，在一個工件加工的同時，可完成對另一工件的裝夾，節約加工時間，提高了加工效率。
【附圖說明】
[0016]圖1為激光誘導空泡強化栗閥芯裝置的示意圖。
[0017]圖2為水槽內部結構俯視圖。
[0018]圖3為閥芯工件裝夾示意圖。
[0019]圖4為激光誘導空化強化原理圖。
[0020]圖中:1、計算機;2、數字控制器;3、水槽;4、第一步進電機;5、三維移動平臺；6、空泡;6-1、脈動初期的空泡;6-2、脈動中期的空泡;6-3、脈動末期的空泡;7、閥芯工件;7-1、待加工的閥芯工件a; 7-2、待加工的閥芯工件b; 8、液體箱;9、出水管；1、進水管；11、液體栗；12、聚焦透鏡；13、全反鏡；14、擴束鏡；15、激光束；16、激光器;17、控制驅動器;18、激光器控制器;19、第二步進電機;20、第三步進電機;21、彈簧墊圈；22、螺母;23、固定螺栓;24、射流；25、閥芯表面;26、支座。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖，對本發明的技術方案進行更詳細的說明。
[0022]如圖1和圖2所示，一種激光誘導空泡強化栗閥芯的裝置，包括激光發生系統、水槽3、三維移動平臺5和液體栗11，所述激光發生系統位于所述水槽3的上方，所述水槽3位于所述三維移動平臺5上，所述水槽3上端通過進水管10與所述液體栗11連接，所述水槽3下端通過出水管9與液體箱8連接;所述水槽3內設有第一步進電機4，所述第一步進電機4輸出端連接有支座26，所述支座26上對稱設有第二步進電機19和第三步進電機20，所述第二步進電機19和所述第三步進電機20的輸出端均安裝有固定螺栓23，閥芯工件7穿過每個所述固定螺栓23后，通過彈簧墊圈21和螺母22進行固定(如圖3所示)。激光發生系統依次由激光控制器18、激光激光器16、擴束鏡14、全反鏡13和聚焦透鏡12連接而成。所述第一步進電機4、所述第二步進電機19和所述第三步進電機20均與控制驅動器17連接，所述三維移動平臺5與數字控制器2連接，所述控制驅動器17、所述液體栗11、所述激光控制器18和所述數字控制器2均與計算機I連接。
[0023]本實施例的待加工的閥芯工件a 7-1和待加工的閥芯工件b 7_2均適用于無腐蝕性液體中，材料為45號鋼，其中待加工的閥芯工件a 7-1固定在第二步進電機19上，待加工的閥芯工件b 7-2固定在第三步進電機20上;將待加工的閥芯工件a 7-1和待加工的閥芯工件b 7-2的工件表面粘貼上黑膠帶，分別安裝在第二步進電機19和第三步進電機20的固定螺栓23上。打開液體栗11，使液體進入水槽3并漫過待加工的閥芯工件a 7-1和待加工的閥芯工件b 7-2,,保持水槽中液體的容量不變，使得水槽中的液體表面與工件表面的距離為12cm。調節三維移動平臺，使得激光聚焦點位于閥芯工件表面上方1.5mm處。打開激光器，設置激光參數:激光能量400mJ，波長1064nm，脈寬1ns，沖擊頻率5Hz。激光束15在水槽3中的聚焦點處產生空泡6。如圖4所示，激光誘導產生的氣泡6的動作分為三個階段，脈動初期的空泡6-1在極其短暫的時間內轉變為脈動中期的空泡6-2和脈動末期的空泡6-3，最終潰滅產生射流24，射流24作用于待加工的閥芯工件a 7-1的閥芯表面25，產生強化效果。處于加工工位中的第二步進電機基本步距角為1.8°/步，旋轉一周后，三維移動平臺向水平方向平移2mm，待加工的閥芯工件a 7_1相對也隨之平移2mm，實現不同表面位置處的誘導空化，如此不斷循環直至完成第二步進電機上的待加工的閥芯工件a 7-1整個表面的加工。當待加工的閥芯工件a 7-1加工完成時，第一步進電機4旋轉180°，使待加工的閥芯工件b 7_2進入正確的工位，第三步進電機20開始工作，繼續完成對待加工的閥芯工件b 7-2的強化加工。強化加工完成后，取出閥芯工件，清除其表面黑膠帶并將其擦拭干凈。通過XRD射線衍射儀和三維表面形貌儀檢測發現，閥芯工件表面粗糙度好，加工表面均為殘余壓應力。
【主權項】
1.一種激光誘導空泡強化栗閥芯的裝置，包括激光發生系統、水槽(3)、三維移動平臺(5)和液體栗(11)，所述激光發生系統位于所述水槽(3)的上方，所述水槽(3)位于所述三維移動平臺(5)上，所述液體栗(11)用來向所述水槽(3)內循環輸入液體;其特征在于，所述水槽(3)內設有第一步進電機(4)，所述第一步進電機(4)輸出端連接有支座(26)，所述支座(26)上對稱設有第二步進電機(19)和第三步進電機(20)，所述第二步進電機(19)和所述第三步進電機(20)上分別安裝有閥芯工件(7)。2.根據權利要求1所述的一種激光誘導空泡強化栗閥芯的裝置，其特征在于，所述第二步進電機(19)和所述第三步進電機(20)的輸出端安裝有固定螺栓(23)，所述閥芯工件(7)穿過所述固定螺栓(23)后，通過彈簧墊圈(21)和螺母(22)進行固定。3.根據權利要求1或2所述的一種激光誘導空泡強化栗閥芯的裝置，其特征在于，所述激光發生系統依次由激光控制器(18)、激光激光器(16)、擴束鏡(14)、全反鏡(13)和聚焦透鏡(12)連接而成。4.根據權利要求3所述的一種激光誘導空泡強化栗閥芯的裝置，其特征在于，所述第一步進電機(4)、所述第二步進電機(19)和所述第三步進電機(20)均與控制驅動器(17)連接，所述三維移動平臺(5)與數字控制器(2)連接，所述控制驅動器(17)、所述液體栗(11)、所述激光控制器(18)和所述數字控制器(2)均與計算機(I)連接。5.根據權利要求1或2所述的一種激光誘導空泡強化栗閥芯的裝置，其特征在于，所述水槽(3)上端通過進水管(10)與所述液體栗(11)連接，所述水槽(3)下端通過出水管(9)與液體箱(8)連接。6.—種激光誘導空泡強化栗閥芯的方法，包括如下步驟: 步驟一:將兩個閥芯工件(7)分別安裝在第二步進電機(19)和第三步進電機(20)輸出端的固定螺栓(23)上，并用彈簧墊圈(21)和螺母(22)分別進行固定； 步驟二:打開液體栗(U)，使液體進入水槽(3)并漫過閥芯工件(7)，調節液體栗(11)流量，保持水槽(3)中液體的容量； 步驟三:打開激光發生系統并調節三維移動平臺(5)，使得激光發生系統發出的激光聚焦點位于其中一個閥芯工件表面上方的液體中，誘導產生空泡(6)開始進行強化加工處理； 步驟四:當其中一個閥芯工件加工完成時，第一步進電機(4)旋轉180°，使另外一個閥芯工件進入正確的工位繼續進行強化加工，直至兩個閥芯工件均完成強化處理。7.根據權利要求6所述的一種激光誘導空泡強化栗閥芯的方法，其特征在于，步驟一中，安裝兩個閥芯工件之前，先清洗閥芯工件，并擦拭干凈，在兩個閥芯工件外圈粘貼一層黑色膠帶；步驟四中，兩個閥芯工件完成強化處理后，取出閥芯工件，清除表面黑膠帶并將其擦拭干凈。8.根據權利要求6所述的一種激光誘導空泡強化栗閥芯的方法，其特征在于，所述第二步進電機(19)和所述第三步進電機(20)基本步距角均為1.8° /步，當第二步進電機(19)或第三步進電機(20)旋轉一周后，三維移動平臺5向水平方向平移一段距離，直至完成一個閥芯工件所有表面的加工。9.根據權利要求8所述的一種激光誘導空泡強化栗閥芯的方法，其特征在于，步驟三中，激光聚焦點位于閥芯工件表面上方1.5mm處;三維移動平臺(5)向水平方向平移2mm。10.根據權利要求6或7或8或9所述的一種激光誘導空泡強化栗閥芯的方法，其特征在于，激光發生系統的激光能量10mJ?2J，波長1064nm，脈寬10ns，光斑直徑2mm，沖擊頻率5Hz0
【文檔編號】C21D1/09GK106086319SQ201610418500
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月15日 公開號201610418500.6, CN 106086319 A, CN 106086319A, CN 201610418500, CN-A-106086319, CN106086319 A, CN106086319A, CN201610418500, CN201610418500.6
【發明人】何浩, 任旭東, 袁壽其, 佟艷群, 周睿
【申請人】江蘇大學