一種激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)化泵閥芯的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)化泵閥芯的裝置和方法。水槽中安裝有步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)與控制驅(qū)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(tǒng),高功率激光經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)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(yīng)力，提高泵閥芯表面的強(qiáng)度和抗空蝕性。
【專利說明】
一種激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)化泵閥芯的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)化栗閥芯的裝置和方法，屬于栗閥芯表面強(qiáng)化技術(shù)，用于實現(xiàn)激光誘導(dǎo)空泡對閥芯工件進(jìn)行高效率的強(qiáng)化加工。
【背景技術(shù)】
[0002]長期以來，隨著液壓技術(shù)的高壓、大流量和小型化的發(fā)展，液壓元件極易發(fā)生空蝕現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象，如果控制不好，就會對液壓元件固體壁面產(chǎn)生嚴(yán)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(guān)系到液壓元件的工作壽命和效率。
[0003]激光誘導(dǎo)空化強(qiáng)化是一種綠色強(qiáng)化技術(shù)，可以提高閥芯材料表面的力學(xué)性能，大幅度提高閥芯的強(qiáng)度、疲勞壽命以及抗空蝕性能。利用激光誘導(dǎo)空化強(qiáng)化技術(shù)可以避免材料產(chǎn)生宏觀變形，最大尺度的保證閥芯的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種通過激光誘導(dǎo)產(chǎn)生空泡從而對高精度栗閥芯表面強(qiáng)化加工的裝置及其方法。
[0005]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)化栗閥芯的裝置，包括激光發(fā)生系統(tǒng)、水槽、三維移動平臺和液體栗，所述激光發(fā)生系統(tǒng)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(nèi)循環(huán)輸入液體;所述水槽內(nèi)設(shè)有第一步進(jìn)電機(jī)，所述第一步進(jìn)電機(jī)輸出端連接有支座，所述支座上對稱設(shè)有第二步進(jìn)電機(jī)和第三步進(jìn)電機(jī)，所述第二步進(jìn)電機(jī)和所述第三步進(jìn)電機(jī)上分別安裝有閥芯工件。
[0006]上述方案中，所述第二步進(jìn)電機(jī)和所述第三步進(jìn)電機(jī)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(jìn)行固定。
[0007]上述方案中，所述激光發(fā)生系統(tǒng)依次由激光控制器、激光激光器、擴(kuò)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(jìn)電機(jī)、所述第二步進(jìn)電機(jī)和所述第三步進(jìn)電機(jī)均與控制驅(qū)動器連接，所述三維移動平臺與數(shù)字控制器連接，所述控制驅(qū)動器、所述液體栗、所述激光控制器和所述數(shù)字控制器均與計算機(jī)連接。
[0009]上述方案中，所述水槽上端通過進(jìn)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(fā)明還提供了一種激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)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(jìn)電機(jī)和第三步進(jìn)電機(jī)輸出端的固定螺栓上，并用彈簧墊圈和螺母分別進(jìn)行固定；
步驟二:打開液體栗，使液體進(jìn)入水槽并漫過閥芯工件，調(diào)節(jié)液體栗流量，保持水槽中液體的容量；
步驟三:打開激光發(fā)生系統(tǒng)并調(diào)節(jié)三維移動平臺，使得激光發(fā)生系統(tǒng)發(fā)出的激光聚焦點(diǎn)位于其中一個閥芯工件表面上方的液體中，誘導(dǎo)產(chǎn)生空泡開始進(jìn)行強(qiáng)化加工處理；
步驟四:當(dāng)其中一個閥芯工件加工完成時，第一步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，使另外一個閥芯工件進(jìn)入正確的工位繼續(xù)進(jìn)行強(qiáng)化加工，直至兩個閥芯工件均完成強(qiáng)化處理。
[0011 ]進(jìn)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(qiáng)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(jìn)一步地，所述第二步進(jìn)電機(jī)和所述第三步進(jìn)電機(jī)基本步距角均為1.8°/步，當(dāng)?shù)诙竭M(jìn)電機(jī)或第三步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)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(jìn)一步地，步驟三中，激光聚焦點(diǎn)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(jìn)一步地，激光發(fā)生系統(tǒng)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(fā)明的具體優(yōu)點(diǎn)如下:(1)利用激光誘導(dǎo)產(chǎn)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(yīng)力，有效提高了閥芯工件表面的強(qiáng)度和抗空蝕性能。
(2)在閥芯工件表面粘貼黑膠帶，增強(qiáng)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(jié)約加工時間，提高了加工效率。
【附圖說明】
[0016]圖1為激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)化栗閥芯裝置的示意圖。
[0017]圖2為水槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0018]圖3為閥芯工件裝夾示意圖。
[0019]圖4為激光誘導(dǎo)空化強(qiáng)化原理圖。
[0020]圖中:1、計算機(jī);2、數(shù)字控制器;3、水槽;4、第一步進(jìn)電機(jī);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(jìn)水管；11、液體栗；12、聚焦透鏡；13、全反鏡；14、擴(kuò)束鏡；15、激光束；16、激光器;17、控制驅(qū)動器;18、激光器控制器;19、第二步進(jìn)電機(jī);20、第三步進(jìn)電機(jī);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(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行更詳細(xì)的說明。
[0022]如圖1和圖2所示，一種激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)化栗閥芯的裝置，包括激光發(fā)生系統(tǒng)、水槽3、三維移動平臺5和液體栗11，所述激光發(fā)生系統(tǒng)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(jìn)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(nèi)設(shè)有第一步進(jìn)電機(jī)4，所述第一步進(jìn)電機(jī)4輸出端連接有支座26，所述支座26上對稱設(shè)有第二步進(jìn)電機(jī)19和第三步進(jìn)電機(jī)20，所述第二步進(jìn)電機(jī)19和所述第三步進(jìn)電機(jī)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(jìn)行固定(如圖3所示)。激光發(fā)生系統(tǒng)依次由激光控制器18、激光激光器16、擴(kuò)束鏡14、全反鏡13和聚焦透鏡12連接而成。所述第一步進(jìn)電機(jī)4、所述第二步進(jìn)電機(jī)19和所述第三步進(jìn)電機(jī)20均與控制驅(qū)動器17連接，所述三維移動平臺5與數(shù)字控制器2連接，所述控制驅(qū)動器17、所述液體栗11、所述激光控制器18和所述數(shù)字控制器2均與計算機(jī)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(jìn)電機(jī)19上，待加工的閥芯工件b 7-2固定在第三步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)19和第三步進(jìn)電機(jī)20的固定螺栓23上。打開液體栗11，使液體進(jìn)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(diào)節(jié)三維移動平臺，使得激光聚焦點(diǎn)位于閥芯工件表面上方1.5mm處。打開激光器，設(shè)置激光參數(shù):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(diǎn)處產(chǎn)生空泡6。如圖4所示，激光誘導(dǎo)產(chǎn)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(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動中期的空泡6-2和脈動末期的空泡6-3，最終潰滅產(chǎn)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(chǎn)生強(qiáng)化效果。處于加工工位中的第二步進(jìn)電機(jī)基本步距角為1.8°/步，旋轉(zhuǎn)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(xiàn)不同表面位置處的誘導(dǎo)空化，如此不斷循環(huán)直至完成第二步進(jìn)電機(jī)上的待加工的閥芯工件a 7-1整個表面的加工。當(dāng)待加工的閥芯工件a 7-1加工完成時，第一步進(jìn)電機(jī)4旋轉(zhuǎn)180°，使待加工的閥芯工件b 7_2進(jìn)入正確的工位，第三步進(jìn)電機(jī)20開始工作，繼續(xù)完成對待加工的閥芯工件b 7-2的強(qiáng)化加工。強(qiáng)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(fā)現(xiàn)，閥芯工件表面粗糙度好，加工表面均為殘余壓應(yīng)力。
【主權(quán)項】
1.一種激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)化栗閥芯的裝置，包括激光發(fā)生系統(tǒng)、水槽(3)、三維移動平臺(5)和液體栗(11)，所述激光發(fā)生系統(tǒng)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(nèi)循環(huán)輸入液體;其特征在于，所述水槽(3)內(nèi)設(shè)有第一步進(jìn)電機(jī)(4)，所述第一步進(jìn)電機(jī)(4)輸出端連接有支座(26)，所述支座(26)上對稱設(shè)有第二步進(jìn)電機(jī)(19)和第三步進(jìn)電機(jī)(20)，所述第二步進(jìn)電機(jī)(19)和所述第三步進(jìn)電機(jī)(20)上分別安裝有閥芯工件(7)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)化栗閥芯的裝置，其特征在于，所述第二步進(jìn)電機(jī)(19)和所述第三步進(jìn)電機(jī)(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(jìn)行固定。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)化栗閥芯的裝置，其特征在于，所述激光發(fā)生系統(tǒng)依次由激光控制器(18)、激光激光器(16)、擴(kuò)束鏡(14)、全反鏡(13)和聚焦透鏡(12)連接而成。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)化栗閥芯的裝置，其特征在于，所述第一步進(jìn)電機(jī)(4)、所述第二步進(jìn)電機(jī)(19)和所述第三步進(jìn)電機(jī)(20)均與控制驅(qū)動器(17)連接，所述三維移動平臺(5)與數(shù)字控制器(2)連接，所述控制驅(qū)動器(17)、所述液體栗(11)、所述激光控制器(18)和所述數(shù)字控制器(2)均與計算機(jī)(I)連接。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)化栗閥芯的裝置，其特征在于，所述水槽(3)上端通過進(jìn)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(dǎo)空泡強(qiáng)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(jìn)電機(jī)(19)和第三步進(jìn)電機(jī)(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(jìn)行固定； 步驟二:打開液體栗(U)，使液體進(jìn)入水槽(3)并漫過閥芯工件(7)，調(diào)節(jié)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(fā)生系統(tǒng)并調(diào)節(jié)三維移動平臺(5)，使得激光發(fā)生系統(tǒng)發(fā)出的激光聚焦點(diǎn)位于其中一個閥芯工件表面上方的液體中，誘導(dǎo)產(chǎn)生空泡(6)開始進(jìn)行強(qiáng)化加工處理； 步驟四:當(dāng)其中一個閥芯工件加工完成時，第一步進(jìn)電機(jī)(4)旋轉(zhuǎn)180°，使另外一個閥芯工件進(jìn)入正確的工位繼續(xù)進(jìn)行強(qiáng)化加工，直至兩個閥芯工件均完成強(qiáng)化處理。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)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(qiáng)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(jù)權(quán)利要求6所述的一種激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)化栗閥芯的方法，其特征在于，所述第二步進(jìn)電機(jī)(19)和所述第三步進(jìn)電機(jī)(20)基本步距角均為1.8° /步，當(dāng)?shù)诙竭M(jìn)電機(jī)(19)或第三步進(jìn)電機(jī)(20)旋轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求8所述的一種激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)化栗閥芯的方法，其特征在于，步驟三中，激光聚焦點(diǎn)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(jù)權(quán)利要求6或7或8或9所述的一種激光誘導(dǎo)空泡強(qiáng)化栗閥芯的方法，其特征在于，激光發(fā)生系統(tǒng)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(fā)明人】何浩, 任旭東, 袁壽其, 佟艷群, 周睿
【申請人】江蘇大學(xué)