CN106086319B - 一种激光诱导空泡强化泵阀芯的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光诱导空泡强化泵阀芯的装置和方法。水槽中安装有步进电机以及安装在固定螺栓上的阀芯工件,水槽中有两套固定装置，可以在加工工件的同时完成另一工件的安装夹紧；步进电机与控制驱动器，保证工件在加工过程中处于正确的工位；水槽上方安装高功率激光系统,高功率激光经扩束系统扩束后在工件表面上方击穿液体形成空泡，空泡溃灭冲击工件表面，使其表面形成残余压应力，提高泵阀芯表面的强度和抗空蚀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光诱导空泡强化泵阀芯的装置和方法，属于泵阀芯表面强化技术，用于实现激光诱导空泡对阀芯工件进行高效率的强化加工。
背景技术
长期以来，随着液压技术的高压、大流量和小型化的发展，液压元件极易发生空蚀现象，而这种现象，如果控制不好，就会对液压元件固体壁面产生严重的破坏。而阀芯作为液压泵中最为重要的元件，其性能的好坏关系到液压元件的工作寿命和效率。
激光诱导空化强化是一种绿色强化技术，可以提高阀芯材料表面的力学性能，大幅度提高阀芯的强度、疲劳寿命以及抗空蚀性能。利用激光诱导空化强化技术可以避免材料产生宏观变形，最大尺度的保证阀芯的精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过激光诱导产生空泡从而对高精度泵阀芯表面强化加工的装置及其方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种激光诱导空泡强化泵阀芯的装置，包括激光发生系统、水槽、三维移动平台和液体泵，所述激光发生系统位于所述水槽的上方，所述水槽位于所述三维移动平台上，所述液体泵用来向所述水槽内循环输入液体；所述水槽内设有第一步进电机，所述第一步进电机输出端连接有支座，所述支座上对称设有第二步进电机和第三步进电机，所述第二步进电机和所述第三步进电机上分别安装有阀芯工件。
上述方案中，所述第二步进电机和所述第三步进电机的输出端安装有固定螺栓，所述阀芯工件穿过所述固定螺栓后，通过弹簧垫圈和螺母进行固定。
上述方案中，所述激光发生系统依次由激光控制器、激光激光器、扩束镜、全反镜和聚焦透镜连接而成。
上述方案中，所述第一步进电机、所述第二步进电机和所述第三步进电机均与控制驱动器连接，所述三维移动平台与数字控制器连接，所述控制驱动器、所述液体泵、所述激光控制器和所述数字控制器均与计算机连接。
上述方案中，所述水槽上端通过进水管与所述液体泵连接，所述水槽下端通过出水管与液体箱连接。
本发明还提供了一种激光诱导空泡强化泵阀芯的方法，包括如下步骤：
步骤一：将两个阀芯工件分别安装在第二步进电机和第三步进电机输出端的固定螺栓上，并用弹簧垫圈和螺母分别进行固定；
步骤二：打开液体泵，使液体进入水槽并漫过阀芯工件，调节液体泵流量，保持水槽中液体的容量；
步骤三：打开激光发生系统并调节三维移动平台，使得激光发生系统发出的激光聚焦点位于其中一个阀芯工件表面上方的液体中，诱导产生空泡开始进行强化加工处理；
步骤四：当其中一个阀芯工件加工完成时，第一步进电机旋转180°，使另外一个阀芯工件进入正确的工位继续进行强化加工，直至两个阀芯工件均完成强化处理。
进一步地，步骤一中，安装两个阀芯工件之前，先清洗阀芯工件，并擦拭干净，在两个阀芯工件外圈粘贴一层黑色胶带；步骤四中，两个阀芯工件完成强化处理后，取出阀芯工件，清除表面黑胶带并将其擦拭干净。
进一步地，所述第二步进电机和所述第三步进电机基本步距角均为1.8°/步，当第二步进电机或第三步进电机旋转一周后，三维移动平台向水平方向平移一段距离，直至完成一个阀芯工件所有表面的加工。
进一步地，步骤三中，激光聚焦点位于阀芯工件表面上方1.5mm处；三维移动平台向水平方向平移2mm。
进一步地，激光发生系统的激光能量100mJ～2J，波长1064nm，脉宽10ns，光斑直径2mm，冲击频率5Hz。
本发明的具体优点如下：（1）利用激光诱导产生空泡，使空泡溃灭时的射流作用于阀芯工件表面，提高了表层残余压应力，有效提高了阀芯工件表面的强度和抗空蚀性能。（2）在阀芯工件表面粘贴黑胶带，增强了工件表面对能量的吸收，同时也降低激光对工件表面粗糙度和精度的影响。（3）该装置有两套固定装置，在一个工件加工的同时，可完成对另一工件的装夹，节约加工时间，提高了加工效率。
附图说明
图1为激光诱导空泡强化泵阀芯装置的示意图。
图2为水槽内部结构俯视图。
图3为阀芯工件装夹示意图。
图4为激光诱导空化强化原理图。
图中：1、计算机；2、数字控制器；3、水槽；4、第一步进电机；5、三维移动平台；6、空泡；6-1、脉动初期的空泡；6-2、脉动中期的空泡；6-3、脉动末期的空泡；7、阀芯工件；7-1、待加工的阀芯工件a；7-2、待加工的阀芯工件b；8、液体箱；9、出水管；10、进水管；11、液体泵；12、聚焦透镜；13、全反镜；14、扩束镜；15、激光束；16、激光器；17、控制驱动器；18、激光器控制器；19、第二步进电机；20、第三步进电机；21、弹簧垫圈；22、螺母；23、固定螺栓；24、射流；25、阀芯表面;26、支座。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行更详细的说明。
如图1和图2所示，一种激光诱导空泡强化泵阀芯的装置，包括激光发生系统、水槽3、三维移动平台5和液体泵11，所述激光发生系统位于所述水槽3的上方，所述水槽3位于所述三维移动平台5上，所述水槽3上端通过进水管10与所述液体泵11连接，所述水槽3下端通过出水管9与液体箱8连接；所述水槽3内设有第一步进电机4，所述第一步进电机4输出端连接有支座26，所述支座26上对称设有第二步进电机19和第三步进电机20，所述第二步进电机19和所述第三步进电机20的输出端均安装有固定螺栓23，阀芯工件7穿过每个所述固定螺栓23后，通过弹簧垫圈21和螺母22进行固定（如图3所示）。激光发生系统依次由激光控制器18、激光激光器16、扩束镜14、全反镜13和聚焦透镜12连接而成。所述第一步进电机4、所述第二步进电机19和所述第三步进电机20均与控制驱动器17连接，所述三维移动平台5与数字控制器2连接，所述控制驱动器17、所述液体泵11、所述激光控制器18和所述数字控制器2均与计算机1连接。
本实施例的待加工的阀芯工件a 7-1和待加工的阀芯工件b 7-2均适用于无腐蚀性液体中，材料为45号钢，其中待加工的阀芯工件a 7-1固定在第二步进电机19上，待加工的阀芯工件b 7-2固定在第三步进电机20上；将待加工的阀芯工件a 7-1和待加工的阀芯工件b 7-2的工件表面粘贴上黑胶带，分别安装在第二步进电机19和第三步进电机20的固定螺栓23上。打开液体泵11，使液体进入水槽3并漫过待加工的阀芯工件a 7-1和待加工的阀芯工件b 7-2，,保持水槽中液体的容量不变，使得水槽中的液体表面与工件表面的距离为12cm。调节三维移动平台，使得激光聚焦点位于阀芯工件表面上方1.5mm处。打开激光器，设置激光参数：激光能量400mJ，波长1064nm，脉宽10ns，冲击频率5Hz。激光束15在水槽3中的聚焦点处产生空泡6。如图4所示，激光诱导产生的气泡6的动作分为三个阶段，脉动初期的空泡6-1在极其短暂的时间内转变为脉动中期的空泡6-2和脉动末期的空泡6-3，最终溃灭产生射流24，射流24作用于待加工的阀芯工件a 7-1的阀芯表面25，产生强化效果。处于加工工位中的第二步进电机基本步距角为1.8°/步，旋转一周后，三维移动平台向水平方向平移2mm，待加工的阀芯工件a 7-1相对也随之平移2mm，实现不同表面位置处的诱导空化，如此不断循环直至完成第二步进电机上的待加工的阀芯工件a 7-1整个表面的加工。当待加工的阀芯工件a 7-1加工完成时，第一步进电机4旋转180°，使待加工的阀芯工件b 7-2进入正确的工位，第三步进电机20开始工作，继续完成对待加工的阀芯工件b 7-2的强化加工。强化加工完成后，取出阀芯工件，清除其表面黑胶带并将其擦拭干净。通过XRD射线衍射仪和三维表面形貌仪检测发现，阀芯工件表面粗糙度好，加工表面均为残余压应力。
Claims (8)
1.一种激光诱导空泡强化泵阀芯的装置，包括激光发生系统、水槽（3）、三维移动平台（5）和液体泵（11），所述激光发生系统位于所述水槽（3）的上方，所述水槽（3）位于所述三维移动平台（5）上，所述液体泵（11）用来向所述水槽（3）内循环输入液体；其特征在于，所述水槽（3）内设有第一步进电机（4），所述第一步进电机（4）输出端连接有支座（26），所述支座（26）上对称设有第二步进电机（19）和第三步进电机（20），所述第二步进电机（19）和所述第三步进电机（20）上分别安装有阀芯工件（7）；所述第二步进电机（19）和所述第三步进电机（20）的输出端安装有固定螺栓（23），所述阀芯工件（7）穿过所述固定螺栓（23）后，通过弹簧垫圈（21）和螺母（22）进行固定；所述第一步进电机（4）、所述第二步进电机（19）和所述第三步进电机（20）均与控制驱动器（17）连接，所述三维移动平台（5）与数字控制器（2）连接，所述控制驱动器（17）、所述液体泵（11）、所述激光控制器（18）和所述数字控制器（2）均与计算机（1）连接。
2.根据权利要求1所述的一种激光诱导空泡强化泵阀芯的装置，其特征在于，所述激光发生系统依次由激光控制器（18）、激光激光器（16）、扩束镜（14）、全反镜（13）和聚焦透镜（12）连接而成。
3.根据权利要求1或2所述的一种激光诱导空泡强化泵阀芯的装置，其特征在于，所述水槽（3）上端通过进水管（10）与所述液体泵（11）连接，所述水槽（3）下端通过出水管（9）与液体箱（8）连接。
4.一种激光诱导空泡强化泵阀芯的方法，包括如下步骤：
步骤一：将两个阀芯工件（7）分别安装在第二步进电机（19）和第三步进电机（20）输出端的固定螺栓（23）上，并用弹簧垫圈（21）和螺母（22）分别进行固定；
步骤二：打开液体泵（11），使液体进入水槽（3）并漫过阀芯工件（7），调节液体泵（11）流量，保持水槽（3）中液体的容量；
步骤三：打开激光发生系统并调节三维移动平台（5），使得激光发生系统发出的激光聚焦点位于其中一个阀芯工件表面上方的液体中，诱导产生空泡（6）开始进行强化加工处理；
步骤四：当其中一个阀芯工件加工完成时，第一步进电机（4）旋转180°，使另外一个阀芯工件进入正确的工位继续进行强化加工，直至两个阀芯工件均完成强化处理。
5.根据权利要求4所述的一种激光诱导空泡强化泵阀芯的方法，其特征在于，步骤一中，安装两个阀芯工件之前，先清洗阀芯工件，并擦拭干净，在两个阀芯工件外圈粘贴一层黑色胶带；步骤四中，两个阀芯工件完成强化处理后，取出阀芯工件，清除表面黑胶带并将其擦拭干净。
6.根据权利要求4所述的一种激光诱导空泡强化泵阀芯的方法，其特征在于，所述第二步进电机（19）和所述第三步进电机（20）基本步距角均为1.8°/步，当第二步进电机（19）或第三步进电机（20）旋转一周后，三维移动平台5向水平方向平移一段距离，直至完成一个阀芯工件所有表面的加工。
7.根据权利要求5所述的一种激光诱导空泡强化泵阀芯的方法，其特征在于，步骤三中，激光聚焦点位于阀芯工件表面上方1.5mm处；三维移动平台（5）向水平方向平移2mm。
8.根据权利要求4或5或6或7所述的一种激光诱导空泡强化泵阀芯的方法，其特征在于，激光发生系统的激光能量100mJ～2J，波长1064nm，脉宽10ns，光斑直径2mm，冲击频率5Hz。
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