CN107267743B - 一种温度可控的深冷激光冲击强化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种温度可控的深冷激光冲击强化系统，包括夹具底座、液氮自动补充装置、液位监测装置、第一支撑板、盖板、螺杆压紧装置和周向定位装置。通过自动流量调控漏斗、电动液氮泵、液位监测器与计算机系统相连，保证液氮液位高度保持一定进而实现工件温度可控，通过螺杆压紧机构对工件和约束层进行加紧定位，所述的周向定位装置通过夹紧块和挡块对螺杆实现周向约束。夹紧定位过程快速简单，重复定位精度高，且定位可靠，实现了温度可控、约束效果更佳的深冷激光冲击强化实验效果。

Description

一种温度可控的深冷激光冲击强化系统

技术领域

本发明涉及深冷处理、激光加工领域，具体地说是一种温度可控的深冷激光冲击强化系统。

背景技术

目前，激光冲击强化技术已经成功应用于航空航天、船舶及汽车等行业，并且激光冲击强化技术的出现很好的解决了传统金属材料强化技术的接触加工、加工时间长等缺陷，但是当前的激光冲击强化技术都是在室温或者高温下进行的，强化之后得到的金属材料强度与塑性之间存在着此消彼长的矛盾，常温下的激光冲击强化技术虽然能够提高材料强度，但是会伴随着塑性的降低，从而达不到航空钛合金的要求。随着深冷激光冲击强化技术的出现，更好的解决了强度与塑性之间的矛盾，即提高强度的同时保证了塑性。但是深冷激光冲击过程中的工件温度可控性、光束质量和约束效果仍然是需要解决的关键问题。

对于国内外相关文献的查询，公开号为CN102492805A的中国专利申请，一种深冷激光冲击强化装置，首次在超低温环境下采用激光冲击强化技术对材料进行强化处理，完毕后，保温一段时间后，让其缓慢升至室温。但是该发明并没有提出材料与约束层的加紧装置，液氮也没有与材料直接接触，而是通过液氮储存腔和深冷腔进行传热，这种传热方式降温效率较差以及不能实现温度可控，也就达不到深冷激光冲击强化对于温度的要求。公开号为CN103525995A的中国专利申请，一种提高合金材料强韧性和抗疲劳寿命的处理方法，对材料依次进行固溶处理、时效处理和激光冲击。但是该发明并没有将深冷处理和激光冲击强化这两种工艺进行复合。公开号为CN105063284A的中国专利申请，一种适用于深冷激光冲击技术的高透光率的深冷激光冲击头及激光冲击系统，但是用静止液氮作为约束层会导致约束效果不佳，不如水等流动液体或者K9光学玻璃约束效果好。

由于深冷激光冲击需要将工件保持在深冷环境下，所以常温激光冲击系统不再适用于深冷激光冲击强化，而且将工件直接暴露在液氮中会导致液氮汽化从而降低透光率和光束质量，本发明通过嵌入式深冷箱盖保持其与液氮接触，用热传导的方式保证工件处于深冷环境下，通过超低温温度计对工件温度进行实时监测，通过液位检测和液氮自动补充装置控制液氮液面高度进而控制深冷箱盖与液氮接触面积，保证传热至工件后使其处于不同深冷温度下，最后通过螺旋压板对工件进行加紧保证约束效果，解决了深冷激光冲击过程中工件与液氮接触而产生的液氮汽化物质导致光束透过率低或者用空气传热效率低的问题，实现了温度可控、约束效果更佳的深冷激光冲击强化实验效果。

通过对国内外文献进行检索，目前还没有通过嵌入式结构和热传导方式设计的温度可控的深冷激光冲击强化系统，也没有螺旋压板加紧装置在深冷激光冲击领域中的应用，本发明为首次提出这种热传导式温度可控的深冷激光冲击强化系统。

发明内容

针对上述问题，本发明目的在于提供一种温度可控的深冷激光冲击强化系统，通过嵌入式深冷箱盖与液氮保持接触，用热传导的方式保证工件置于深冷环境下，通过超低温温度计对工件温度进行实时监测，通过液位检测装置和液氮自动补充装置控制液氮液面高度进而控制深冷箱盖与液氮接触面积，进而保证传热至工件后使其处于不同深冷温度下，并且通过螺旋压板对工件进行加紧保证约束效果，解决了深冷激光冲击过程中工件与液氮接触而产生的液氮汽化物质导致光束透过率低或者用空气传热效率低的问题，实现了温度可控、约束效果更佳的深冷激光冲击强化实验效果。该深冷激光冲击强化系统能够高精度和高效地将工件夹持在现有的激光冲击强化设备上进行深冷激光冲击强化。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种温度可控的深冷激光冲击强化系统，其特征在于，包括夹具底座、液位监测装置、液氮自动补充装置、第一支撑板、盖板、螺杆压紧装置和周向定位装置；两个第一支撑板通过螺纹固定在夹具底座上，盖板固定在两个第一支撑板之间、并位于第一支撑板顶部；

所述液氮自动补充装置包括电动液氮泵、集成控制器和自动调控流量漏斗，自动调控流量漏斗上口封闭、并通过螺纹连接在夹具底座上，自动调控流量漏斗与电动液氮泵采用螺纹连接，电动液氮泵与自动调控流量漏斗通过集成控制器和计算机系统相连，自动调控液氮液面高度，自动调控流量漏斗通过螺纹连接固定在深冷箱盖上；

所述液位监测装置包括浮标与液位监测器，液位监测器与计算机系统相连收集即时液位信息，计算机系统根据液位监测器所测液位高度，通过控制电动液氮泵与自动调控流量漏斗调控流量大小以保证液氮液面在指定高度；

所述螺杆压紧装置包括压板、第一连接板、第二支撑板、第二连接板、升降块、螺杆与旋转把手，所述螺杆穿过所述盖板上的通孔，上端与旋转把手固定连接，下端与夹具底座转动副连接；所述升降块装在螺杆上、并通过螺纹连接，所述第二支撑板通过第二连接板连接在升降块上，所述压板通过第一连接板连接在第二支撑板上，所述压板中间具有圆形通孔；

所述周向定位装置包括夹紧块、挡块、挡销和拧紧旋钮，所述挡销固定在盖板上，所述夹紧块装在螺杆上、并位于盖板上方，所述拧紧旋钮装在夹紧块、并通过螺纹连接，挡块的与盖板上的挡销配合实现螺杆的周向定位。

优选地，所述螺杆压紧装置还包括悬块、支撑杆，两个所述支撑杆固定在盖板与夹具底座之间，所述悬块装在支撑杆上、且能够沿支撑杆上下滑动，两个悬块均固定在第二支撑板上。

优选地，所述深冷箱体上设有泄压阀。

优选地，所述升降块与螺杆采用过盈配合。

优选地，采用深冷箱盖作为夹具底座，所述深冷箱盖通过搭扣固定在深冷箱体上。

优选地，所述的深冷箱体、深冷箱盖分别采用铝合金和紫铜材料制成。

优选地，夹具底座上还设有用于定位工件的销钉，作为待加工工件定位。

优选地，所述螺杆与夹具底座和盖板通过轴承连接。

优选地，约束层与压板通过底部的凹槽进行定位，并且凹槽内设有胶垫圈。

本发明通过螺杆压紧机构对工件和约束层进行加紧定位，夹紧定位过程快速简单，拆装工件时间不超过2分钟，用螺杆压紧装置通过压板对约束层(光学玻璃)两端均衡施加压力，保证约束效果。通过活动块与第一支撑板、第二支撑杆之间的端面接触，保证压板平稳地施加在光学玻璃上。采用销轴、端面定位的方法，重复定位精度高，且定位可靠，极大地提高了深冷激光冲击强化的质量和生产效率。

根据计算机系统接收到的液面监测装置所传入即时数据，通过控制自动调控流量漏斗和电动液氮泵不断进行液氮的保证液氮液面为固定值，深冷箱盖传热至工件从而保证其温度固定在一定深冷温度下。压板与约束层接触的部位采用了胶垫，避免了对光学玻璃的损伤，夹具底座选用超高传热系数紫铜提高了对工件的降温效率，夹具主体和深冷箱体采用铸铁材料，既节约了成本也降低了热量的传输和液氮的损失。

通过嵌入式深冷箱盖与液氮保持接触，用热传导的方式保证工件置于深冷环境下，解决了深冷激光冲击过程中工件与液氮接触而产生的液氮汽化物质导致光束透过率低或者用空气传热效率低的问题，通过超低温温度计对工件温度进行实时监测。本发明具有结构简单、质量轻、使用方便、成本低等优点，在提高生产效率的同时，实现了温度可控、冲击质量更好的深冷激光冲击系统。

附图说明

图1为本发明所述深冷箱盖及夹具示意图。

图2是本发明所述螺杆压紧装置和周向定位装置局部结构示意图。

图3是所述温度可控的深冷激光冲击强化系统示意图。

图4是压板示意图。

图中：

1.深冷箱体、2.夹具底座、3.第一支撑板、4.盖板、5.旋转把手、6.第二支撑板、7.第一连接板、8.自动调控流量漏斗、9.泄压阀、10.加工工件、11.搭扣、12.约束层、13.压板、14.悬块、15.挡销、16.挡块、17.夹紧块、18.拧紧旋钮、19.升降块、20.螺钉、21.第二连接板、22.螺杆、23.支撑杆、24.计算机系统、25.激光控制器、26.激光器、27.折射镜、28.聚焦镜、29.电动液氮泵、30.超低温温度计、31.集成控制器、32.液位监测器、33.浮标。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1和图2所示，本发明所述温度可控的深冷激光冲击强化系统中的夹紧装置，包括夹具底座2、第一支撑板3、盖板4、螺杆压紧装置和周向定位装置；两个第一支撑板3通过螺纹固定在夹具底座2上，盖板4固定在两个第一支撑板3之间、并位于第一支撑板3顶部。可以采用深冷箱盖作为夹具底座2，所述深冷箱盖通过搭扣固定在深冷箱体1上。所述深冷箱盖上设有连通深冷箱体1的漏斗8，所述深冷箱体1上设有泄压阀9。漏斗8通过螺纹连接在夹具底座2上，深冷箱体1与泄压阀9采用螺纹连接。所述泄压阀与漏斗所用材料为耐低温材料，保证在液氮温度下能有效的工作。

所述深冷箱盖采用紫铜制成。紫铜的传热系数较高，利于加快热量的传输和工件温度的冷却，螺杆压紧装置和螺钉采用铸铁和碳钢材料，因为铁的传热系数较低，利于减少热量的传递和加快工件的冷却，另外铁价格便宜，成本低。深冷箱体外还包有泡沫盒，这样能减少热量的散失和液氮的消耗，降低实验成本。

另外，如图3所示，箱盖采用嵌入式结构，这样既能实现箱盖跟箱体的精确定位也能保证箱盖和工件与液氮的充分接触，从而保证实验环境的高效稳定。

所述液氮自动补充装置包括电动液氮泵29、集成控制器31和自动调控流量漏斗8，电动液氮泵29与自动调控流量漏斗8通过集成控制器31和计算机系统24相连，自动调控液氮液面高度，自动调控流量漏斗8通过螺纹连接固定在深冷箱盖2上。

所述液位监测装置包括浮标33与液位监测器32，液位监测器32与计算机系统24相连收集即时液位信息，保证液位高度保持一定。

所述螺杆压紧装置包括压板13、第一连接板7、第二支撑板6、第二连接板21、升降块19、螺杆22与旋转把手5，所述螺杆22穿过所述盖板4上的通孔，上端与旋转把手5固定连接，下端与夹具底座2转动副连接；具体的，所述螺杆22与夹具底座2和盖板4通过轴承连接。所述升降块19装在螺杆22上、并通过螺纹连接，所述第二支撑板6通过第二连接板21连接在升降块19上，所述压板13通过第一连接板7连接在第二支撑板6上。所述压板13中间具有圆形通孔，如图4所示，约束层12与压板13通过底部的凹槽进行定位，并且凹槽内设有胶垫圈，避免光学玻璃受到损坏。其中压板与第一连接板、第一连接板与第二支撑板、第二支撑板与第二连接板、第二连接板与升降块均采用螺钉连接，升降块与螺杆之间采用过盈配合。

所述周向定位装置包括夹紧块17、挡块16、挡销15和拧紧旋钮18，所述挡销15固定在盖板4上，所述夹紧块17装在螺杆22上、并位于盖板4上方，所述拧紧旋钮18装在夹紧块17、并通过螺纹连接，挡块16的与盖板4上的挡销15配合实现螺杆22的周向定位，所述挡销15与挡块16和盖板4之间采用过盈配合。盖板4与挡块16之间通过挡销15进行定位，采用过盈配合这样既方便又可靠。

夹具底座2上还设有用于定位工件10的销钉，所述的销钉和深冷箱盖2采用过盈配合。工件10与深冷箱盖2之间通过销钉15进行定位，通过拧旋转把手5利用螺杆22和压板13对约束层12和加工工件10施加约束力，保证深冷激光冲击强化过程中的约束效果。所述的周向定位装置通过夹紧块15和挡块14对螺杆实现周向约束。

本发明的工作过程是：

使用时，首先打开深冷箱盖2，将工件10和约束层光学玻璃12放在深冷箱盖2上，然后用锥度为7:24的锥型销钉15对工件10进行定位，通过压板13内的凹槽对光学玻璃12进行定位，拧紧旋转把手5，通过螺杆22、升降块19、连接板21、支撑板6、第二连接板7、压板13对工件10和光学玻璃12实现加紧，从而保证约束效果；接着对螺杆22插入夹紧块17旋上拧紧旋钮18，插入挡块16和通过挡销15对其进行周向定位；将深冷箱盖2盖上，搭上搭扣11，关闭泄压阀9，通过螺纹将流量自动控制漏斗8旋进深冷箱盖2，打开电动液氮泵29、计算机系统24、液位监测器32、超低温温度计30和集成控制器31，根据所需温度调节液位监测器阈值，向深冷箱体1中加入液氮到一定液位高度并且不断补充液氮直至超低温温度计30上显示温度稳定在固定值，两分钟后打开激光控制器25和激光器26，调试激光光斑和能量参数，开始深冷激光冲击强化实验。

冲击完一个工件10后关闭激光器26，拿走挡销15和挡块16，拧开拧紧旋钮18撤走夹紧块，拧开旋转把手5撤走压板13，更换光学玻璃11和工件10，并重复上述加载步骤。

试验结束后关闭激光器26和激光控制器25，重复上述步骤撤走工件10和光学玻璃12，打开泄压阀9进行液氮回收，解开搭扣11，去下深冷箱盖2。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种温度可控的深冷激光冲击强化系统，其特征在于，包括夹具底座(2)、第一支撑板(3)、盖板(4)、液位监测装置、液氮自动补充装置、螺杆压紧装置和周向定位装置；两个第一支撑板(3)通过螺纹固定在夹具底座(2)上，盖板(4)固定在两个第一支撑板(3)之间、并位于第一支撑板(3)顶部；

所述液氮自动补充装置包括电动液氮泵(29)、集成控制器(31)和自动调控流量漏斗(8)，自动调控流量漏斗(8)上口封闭、并通过螺纹连接在夹具底座(2)上，自动调控流量漏斗(8)与电动液氮泵(29)采用螺纹连接，电动液氮泵(29)与自动调控流量漏斗(8)通过集成控制器(31)和计算机系统(24)相连，自动调控液氮液面高度，自动调控流量漏斗(8)通过螺纹连接固定在深冷箱盖上；

所述液位监测装置包括浮标(33)与液位监测器(32)，液位监测器(32)与计算机系统(24)相连收集即时液位信息，计算机系统(24)根据液位监测器(32)所测液位高度，通过控制电动液氮泵(29)与自动调控流量漏斗(8)调控流量大小以保证液氮液面在指定高度；

所述螺杆压紧装置包括压板(13)、第一连接板(7)、第二支撑板(6)、第二连接板(21)、升降块(19)、螺杆(22)与旋转把手(5)，所述螺杆(22)穿过所述盖板(4)上的通孔，上端与旋转把手(5)固定连接，下端与夹具底座(2)转动副连接；所述升降块(19)装在螺杆(22)上、并通过螺纹连接，所述第二支撑板(6)通过第二连接板(21)连接在升降块(19)上，所述压板(13)通过第一连接板(7)连接在第二支撑板(6)上，所述压板(13)中间具有圆形通孔；

所述周向定位装置包括夹紧块(17)、挡块(16)、挡销(15)和拧紧旋钮(18)，所述挡销(15)固定在盖板(4)上，所述夹紧块(17)装在螺杆(22)上、并位于盖板(4)上方，所述拧紧旋钮(18)装在夹紧块(17)、并通过螺纹连接，挡块(16)与盖板(4)上的挡销(15)配合实现螺杆(22)的周向定位。

2.根据权利要求1所述温度可控的深冷激光冲击强化系统，其特征在于，所述螺杆压紧装置还包括悬块(14)、支撑杆(23)，两个所述支撑杆(23)固定在盖板(4)与夹具底座(2)之间，所述悬块(14)装在支撑杆(23)上、且能够沿支撑杆(23)上下滑动，两个悬块(14)均固定在第二支撑板(6)上。

3.根据权利要求1所述温度可控的深冷激光冲击强化系统，其特征在于，深冷箱体(1)上设有泄压阀(9)。

4.根据权利要求1所述温度可控的深冷激光冲击强化系统，其特征在于，所述升降块(19)与螺杆(22)采用过盈配合。

5.根据权利要求1所述温度可控的深冷激光冲击强化系统，其特征在于，采用深冷箱盖作为夹具底座(2)，所述深冷箱盖通过搭扣固定在深冷箱体(1)上。

6.根据权利要求1所述温度可控的深冷激光冲击强化系统，其特征在于，所述深冷箱盖采用高传热系数材料紫铜制成。

7.根据权利要求1所述温度可控的深冷激光冲击强化系统，其特征在于，夹具底座(2)上还设有用于定位工件(10)的销钉，作为待加工工件定位。

8.根据权利要求1所述温度可控的深冷激光冲击强化系统，其特征在于，所述螺杆(22)与夹具底座(2)和盖板(4)通过轴承连接。

9.根据权利要求1所述的温度可控的深冷激光冲击强化系统，其特征在于，约束层(12)与压板(13)通过底部的凹槽进行定位，并且凹槽内设有胶垫圈。