CN105855244A - 一种曲轴油孔的激光空化清洁强化装置及清洁强化方法 - Google Patents

一种曲轴油孔的激光空化清洁强化装置及清洁强化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种曲轴油孔的激光空化清洁强化装置及其清洁强化方法，包括激光发生单元、运动模组,工作液载具和计算机，激光发生单元位于所述工作液载具上端，工作液载具内装有工作介质，内部安装有第一智能机械手和第二智能机械手，工作液载具底端安装有增气机，激光发生单元、第一智能机械手、第二智能机械手和增气机均与计算机连接。进行清洁强化时，调节激光束能量和无量纲距将空泡的主要作用形式分为冲击波A和溃灭流B两种模式；首先采用模式A清除机械加工后残留的毛刺和切屑，采用B模式对清洁完成的油孔内壁进行性能强化。本发明既满足了对于油孔内壁这样的狭长通道的有效强化，还能极大的提高曲轴油孔的清洁状况，循环有效的进行油孔清洁。

Description

一种曲轴油孔的激光空化清洁强化装置及清洁强化方法
技术领域
本发明涉及一种金属的激光空化清洁强化装置及其清洁强化方法，尤其涉及一种曲轴油孔的激光空化清洁强化装置及其清洁强化方法。
背景技术
在液体中，激光功率密度超过液体的击穿阈值时，液体介质被击穿，在击穿区域形成发光的等离子体腔体，等离子体继续强吸收激光能量，腔体迅速膨胀，形成空泡，空泡的脉动向液体中辐射脉冲声波，该过程即“光空化”现象，激光与液体介质相互作用导致的光空化效应是激光医学、水下激光加工等领域的基础理论问题。空化现象的出生与发展取决于很多复杂的因素，一方面空化现象的存在对水利机械设备、高速运动物体的水动力特性等有着严重的影响，如降低机械的性能，侵蚀破坏液力机械的叶片等；另一方面合理利用空化现象也能对生产、生活产生有益的帮助，如提高眼科手术的疗效及水中激光打孔的效率等。鉴于上述原因以及空泡运动的复杂性，几十年来，空化现象以及对于如何合理利用空化现象来为社会的生产、生活服务一直是科研工作者研究的热点问题之一。
我国是世界第一汽车产销大国，从2009-2015年开始已连续六年蝉联全球第一。预计未来十年，我国汽车市场年均增长率将继续快速提高，稳定在7%以上。汽车行业的蓬勃发展对汽车制造业提出了更高的要求和期望，发动机是汽车的核心部件，对汽车的运行可靠性和使用性能具有决定性影响。曲轴是汽车发动机受力最集中、受力情况最复杂的部件，也是最容易发生问题的部件，曲轴的质量直接决定发动机的整体质量。
曲轴的失效形式主要表现为轴颈磨损和疲劳断裂。其中80%是由于曲轴产生裂纹导致的，一般来说曲轴的裂纹多发生在曲柄与轴颈之间的过渡圆角处以及油孔处。因此油孔处的强化是非常必须且必要的。此外，曲轴清洁程度的好坏，直接与发动机的油路是否畅通，运动副的润滑磨损情况密切相关。曲轴清洁不好，轻则损伤部件，性能下降，重则造成发动机烧损，甚至报废。油道清洁度的主要影响因素是加工过程中产生的毛刺，可活动切屑和微小切屑。如何利用激光诱导产生的空化泡技术来清洗强化汽车曲轴，尚未检索到相关文献。
发明内容
本发明的目的在于提供一种曲轴油孔的空化清洁强化装置及其清洁强化方法，
利用激光诱导产生的空化泡产生的冲击波和溃灭时产生的高强度力效应来对汽车曲轴的狭长孔壁内部进行有效清洁，同时实现改善曲轴的机械性能。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种曲轴油孔的激光空化清洁强化装置，包括激光发生单元、工作液载具和计算机，所述激光发生单元位于所述工作液载具上端，所述工作液载具内装有工作介质，内部安装有第一智能机械手和第二智能机械手，所述工作液载具底端安装有增气机，所述激光发生单元、所述第一智能机械手、所述第二智能机械手和所述增气机均与所述计算机连接。
上述方案中，所述工作液载具的进水口处装有水泵，所述工作液载具的出水口处装有过滤器。
上述方案中，所述激光发生单元包括YAG激光器，扩束镜，全反镜和光束转换及调节装置。
本发明还提供了利用曲轴油孔的激光空化清洁强化装置对曲轴油孔进行清洁强化的方法，包括如下步骤：
第一步，用第一智能机械手和第二智能机械手将机械加工完成的曲轴进行固定夹紧，并保证曲轴的油孔向上，且与激光发生单元的激光束方向保持对齐。
第二部，向工作液载具中注入硅油，使液面至少没过曲轴油孔，并打开增气机，提高工作液中气体浓度。
第三步：通过计算机控制激光发生单元的激光参数，使其满足产生空化泡的理论要求，并保证激光发生单元的激光束照射到油孔内。
第四步：通过计算机控制第一智能机械手和第二智能机械手按照要求上下移动，保证空化泡作用完整个油孔内壁。
第五步：对整个工件进行清洁处理。
上述方法中，所述激光发生单元包括YAG激光器，扩束镜，全反镜和光束转换及调节装置，并且所述YAG激光器的单脉冲能量范围保证在60mJ～800mJ可调,脉宽5ns～50ns可调,输出波长为1.06μm。
上述方法中，计算机调节激光束能量和无量纲距将空泡的主要作用形式分为冲击波A和溃灭流B两种模式；首先采用模式A清除机械加工后残留的毛刺和切屑，采用B模式对清洁完成的油孔内壁进行性能强化。
本发明的有益效果：（1）充分利用了空化泡脉动过程中的冲击波和溃灭时产生的高强度力效应来对狭长孔内壁进行清洁和强化，将原本对社会生产造成阻碍，对水利机械设备造成冲蚀破坏、工作效率下降等严重副作用的空化泡，巧妙地利用激光技术和计算机控制技术等对其进行诱导和控制，空化泡脉动产生的冲击波有效去除毛刺和残余切屑，并且使空化泡溃灭时产生的高强度力效应来在油孔内壁面产生高幅值残余压应力,有效提高基体表面的微动疲劳抗力，综合改善基体的机械性能，达到对基体表面进行强化延寿的目的；实现了合理利用空化泡现象来为社会生产、生活提供助力的一面。（2）相比传统的油孔清洁方法，采用激光诱导空化泡脉动冲击波比一般采用较广的电解法，避免了电解不当容易造成的毛刺去不干净或者电蚀过重等一系列问题。（3）该处理技术操作简单便捷，易于控制，效率高，对油孔内壁进行强化处理而不影响其心部性能。（4）激光诱导空化泡材料表面改性技术环保性优异，没有任何污染。避免采用回炉、冶炼等回收方式时对环境的二次污染，是绿色的再制造方法。
附图说明
图1为利用激光诱导空化泡对油孔内壁进行清洁强化的装置示意图
图中：1.YAG激光器，2.扩束镜，3.全反镜，4.光束转换及调节装置，5.油孔，6. 工作液载具，7.第一智能机械手，8.过滤器，9.增气机，10.第二智能机械手,11.液面，12.激光束，13.计算机，14.YAG激光器控制器，15.水泵。
具体实施方式
本实施例是应用激光诱导产生原本对水利机械设备造成冲蚀破坏、工作效率下降等副作用的空化泡，利用其脉动周期过程中冲击波和溃灭瞬间产生的高强度力效应来对基材表面进行清洁和强化延寿处理。
下面结合具体实例对本发明作进一步具体详细描述。
如图1所示，一种曲轴油孔的激光空化清洁强化装置，包括激光发生单元、水箱6和计算机13，所述激光发生单元位于所述工作液载具6上端，所述激光发生单元包括YAG激光器1，扩束镜2，全反镜3和光束转换及调节装置4，用于成型为油孔内壁清洁强化的高能量空化泡。所述工作液载具6内装有工作介质，优选硅油，所述工作液载具6内部安装有第一智能机械手7和第二智能机械手10，用于夹紧工件并保证空泡与油孔5的相对位置。所述工作液载具6的进水口处装有水泵15，所述工作液载具6出水口处装有过滤器8，用于保证工作液的清洁，并且充分流动有利于空化泡的形成。所述工作液载具6底端安装有增气机9，用于提高工作液中的气体含量，有利于空化泡的形成并且延长脉动周期。所述激光发生单元、所述第一智能机械手7、所述第二智能机械手10和所述增气机9均与所述计算机13连接，计算机13用来确定合适的激光参数，有效控制空化泡的强度及对基体表面的作用时间。
本实施例中的车用曲轴油孔的激光空化清洁强化的装置的清洁强化方法，其具体步骤如下：
第一步，用第一智能机械手7和第二智能机械手10将机械加工完成的曲轴进行固定夹紧，并保证曲轴的油孔5向上，且与激光发生单元的激光束方向保持对齐。
第二部，向工作液载具6中注入硅油，使液面11至少没过曲轴油孔，并打开增气机9，提高工作液中气体浓度。
第三步：通过计算机13控制激光发生单元的激光参数，使其满足产生空化泡的试验要求，并保证激光发生单元的激光束12照射到油孔5内。
第四步：通过计算机13控制第一智能机械手7和第二智能机械手10按照要求上下移动，保证空化泡作用完整个油孔内壁。
第五步：对整个工件进行清洁处理。
优选的，所述激光发生单元包括YAG激光器1，扩束镜2，全反镜3和光束转换及调节装置4，计算机13调节激光束能量和无量纲将空泡的主要作用形式分为冲击波A和溃灭流B两种模式；首先采用模式A清除机械加工后残留的毛刺和切屑，采用B模式对清洁完成的油孔内壁进行性能强化；并且所述YAG激光器1的单脉冲能量范围保证在60mJ～800mJ可调,脉宽5ns～50ns可调,输出波长为1.06μm。

Claims (6)

1.一种曲轴油孔的激光空化清洁强化装置，其特征在于，包括激光发生单元、工作液载具（6）和计算机（13），所述激光发生单元位于所述工作液载具（6）上端，所述工作液载具（6）内装有工作介质，所述工作液载具（6）内部安装有第一智能机械手（7）和第二智能机械手（10），所述工作液载具（6）底端安装有增气机（9），所述激光发生单元、所述第一智能机械手（7）、所述第二智能机械手（10）和所述增气机（9）均与所述计算机（13）连接。
2.根据权利要求1所述的一种曲轴油孔的激光空化清洁强化装置，其特征在于，所述工作液载具（6）的进水口处装有水泵(15)，所述工作液载具(6)出水口处装有过滤器(8)。
3.根据权利要求1或2所述的一种曲轴油孔的激光空化清洁强化装置，其特征在于，所述激光发生单元包括YAG激光器（1），扩束镜（2），全反镜（3）和光束转换及调节装置（4）。
4.一种曲轴油孔的激光空化清洁强化装置对曲轴油孔进行清洁强化的方法，包括如下步骤：
第一步，用第一智能机械手(7)和第二智能机械手(10)将机械加工完成的曲轴进行固定夹紧，并保证曲轴的油孔(5)向上，且与激光发生单元的激光束方向保持对齐；
第二部，向工作液载具(6)中注入硅油，使液面(11)至少没过曲轴油孔，并打开增气机(9)，提高工作液中气体浓度；
第三步：通过计算机(13)控制激光发生单元的激光参数，使其满足产生空化泡的理论要求，并保证激光发生单元的激光束（12）聚焦到油孔(5)内；
第四步：通过计算机（13）控制第一智能机械手(7)和第二智能机械手(10)按照要求上下移动，保证空化泡效果能作用整个油孔内壁；
第五步：对整个工件进行清洁处理。
5.根据权利要求4所述的一种曲轴油孔的激光空化清洁强化装置对曲轴油孔进行清洁强化的方法，其特征在于，所述激光发生单元包括YAG激光器（1），扩束镜（2），全反镜（3）和光束转换及调节装置（4），并且所述YAG激光器（1）的单脉冲能量范围保证在60mJ～800mJ可调,脉宽5ns～50ns可调,输出波长为1.06μm。
6.根据权利要求4所述的一种曲轴油孔的激光空化清洁强化装置对曲轴油孔进行清洁强化的方法，其特征在于，计算机(13)调节激光束能量和无量纲距将空泡的主要作用形式分为冲击波A和溃灭流B两种模式；首先采用模式A清除机械加工后残留的毛刺和切屑，采用B模式对清洁完成的油孔内壁进行性能强化。
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