CN108774682B - 一种基于激光冲击波技术的回转支承软带消除装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光冲击波技术的回转支承软带消除装置及方法，属于回转支承加工领域。本发明包括回转装夹机构、升降冲击机构和水循环机构，所述回转装夹机构设置有底座和回转台，通过第一电机能够控制回转台相对底座转动，回转件固定在回转台上；所述升降冲击机构包括齿条轴、激光发生器和激光冲击头，设置升降齿轮以驱动齿条轴在回转台中心上下运动，在齿条轴上端安装激光发生器，所产生激光通过激光冲击头射向回转件软带；所述水循环机构用于在激光冲击头与回转件软带之间形成水帘。本发明通过各机构的相互配合，能够对回转支承外圈内表面的软带和内圈外表面的软带进行消除，使传统工艺加工后的回转件的结构强度得到大幅增强。
Description
技术领域
本发明涉及回转支承加工技术领域，更具体地说，涉及一种基于激光冲击波技术的回转支承软带消除装置及方法。
背景技术
回转支承是能使两个结构部件做相对旋转运动的机械产品，可以同时承受较大的轴向力、径向力和倾覆力矩，它被广泛应用于工程机械、风力发电、军用雷达等行业。回转支承由内圈、外圈和滚动体组成，为了提高回转支承的力学性能和使用寿命，需要对回转支承的内圈外表面和外圈内表面进行热处理。目前，主流的热处理工艺是中频扫描感应淬火，若重复淬火会产生裂纹，因此，回转支承的内圈外表面和外圈内表面在淬火时旋转运动小于360。，会产生15mm左右的未淬火区，称之为软带，软带区硬度低、磨损快，容易产生裂纹，大大降低了回转支承的力学性能和使用寿命。回转支承在使用过程中，经过长时间的交变载荷，软带区将最先失效，并可能引发安全事故。
对于直径较小的回转支承可以采用整体感应加热淬火实现无软带，但该技术要求回转支承的直径不能过大，且对设备输出功率要求很高。除此以外，可以通过回转支承的合理安装，减轻软带的影响，但该技术对安装准确性要求高，且未真正消除软带。
经过检索，中国专利公开了一种渐变硬度齿轮式回转支承齿轮淬火加工工艺(申请号：201410384561.6)，该工艺是在齿轮进行感应淬火时，将齿轮加热区段分成正常硬度区、过渡区和软带区三段，用数控程序将正常硬度区、过渡区和软带区分别设定三段不同的线速度，过渡区和软带区的线速度为正常硬度区的1-3倍；加热停止后，减少淬火液喷水器持续喷液时间，使齿轮的上端保持高温状态，对齿轮中部由上至下进行高温自回火。
该专利通过对不同区域速度的控制，使得软区也得到淬火，只是在程度上略有欠缺，从而提高产品的硬度。但该工艺没有真正解决软带区的问题，没有从实质上消除软带。
又如中国专利公开的一种无软带回转支承套圈的淬火方法(申请号：201810111079.3)，该专利包括以下步骤：步骤一、工件的定位：将工件水平安装在机床的工作平台上，并将其进行固定；步骤二、确定工件的圆心位置：机床主轴上安装有测距传感器，本发明操作工艺简单、方便，可在淬火之前对回转支承的中心进行定位，保证感应加热器和冷却装置运动的精确性，通过两个感应加热器同时向相反方向运动而实现回转支承滚道的无软带热处理过程。
上述专利方案是通过设置两个感应加热器，并让其同时运动，最终距离相聚2mm，从而实现无软带淬火加工。该方法中，至于是否真的能够形成无软带加工暂不考虑，采用该方法并不能消除已经产生的软带。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术中淬火时产生的软带区不易消除的不足，提供了一种基于激光冲击波技术的回转支承软带消除装置及方法。本发明通过回转装夹机构、升降冲击机构和水循环机构的相互配合，能够对回转支承外圈内表面的软带和内圈外表面的软带进行消除，使传统工艺加工后的回转件的结构强度得到大幅增强。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种基于激光冲击波技术的回转支承软带消除装置，包括回转装夹机构、升降冲击机构和水循环机构，所述回转装夹机构设置有底座和回转台，通过第一电机能够控制回转台相对底座转动，回转件固定在回转台上；所述升降冲击机构包括齿条轴、激光发生器和激光冲击头，设置升降齿轮以驱动齿条轴在回转台中心上下运动，在齿条轴上端安装激光发生器，所产生激光通过激光冲击头射向回转件软带；所述水循环机构用于在激光冲击头与回转件软带之间形成水帘。
作为本发明更进一步的改进，所述回转台底部固连有同轴的从动齿轮，该从动齿轮与主动齿轮相啮合，所述主动齿轮与第一电机的转轴相连接。
作为本发明更进一步的改进，所述回转台通过滚动体放置在底座上，回转台与底座相对位置上开设有截面为弧形的环形槽，所述滚动体卡在环形槽内。
作为本发明更进一步的改进，所述回转台上表面设置有支承垫，用于支撑回转件；并在回转台上设置锁紧机构，用于固定回转件。
作为本发明更进一步的改进，所述锁紧机构包括三个周向等间隔设置的直线电机和安装在直线电机上的夹板，通过直线电机驱动夹板向内夹紧或向外胀开把回转件固定。
作为本发明更进一步的改进，所述激光发生器与激光冲击头通过到导光管连接，该导光管包括直线导光管和回转导光管；所述回转导光管带有两个直角弯，在直角弯处有全反射镜，使入射光线与出射发光线的方向相反。
作为本发明更进一步的改进，所述激光冲击头与导光管螺纹连接。
作为本发明更进一步的改进，所述水循环机构包括依次通过管路连接的水泵、控制阀、管接头和喷头，所述底座中部设置储水腔，水泵从储水腔内抽取水液为喷头供水。
作为本发明更进一步的改进，所述底座上表面设置有环形的挡水板，该挡水板与回转台外壁之间留有间隙；所述底座还上设置有异形孔，该异形孔上端与底座上表面的环形槽连通，异形孔下端与储水腔连通。
本发明的一种基于激光冲击波技术的回转支承软带消除方法，具体步骤为：
步骤1、回转件的内圈外表面或外圈内表面在中频扫描淬火后，标记产生软带区；
步骤2、对所述软带区使用砂纸进行打磨，使用丙酮进行清洗并干燥，在干燥后的表面涂覆一层黑漆或者铝箔作为吸收层；
步骤3、把回转件放置在支承垫上，并用锁紧机构固定，使回转件与回转台同轴，然后调整回转件的位置，使所述的激光冲击头对准软带区；
步骤4、调节激光发生器的脉冲宽度、能量、功率密度、直径参数；
步骤5、启动装置，喷头开始喷水，在激光冲击头与回转件加工面之间形成水帘作为约束层；激光发生器产生的激光通过激光冲击头和水帘照在软带区；与此同时，第二电机驱动齿条轴向下运动；
步骤6、当齿条轴向下运动设定距离后，第一电机驱动回转台转动设定角度，第二电机反转驱动齿条轴反向运动；
步骤7、按照步骤6中的动作持续运行，直至加工完软带区。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明通过回转装夹机构、升降冲击机构和水循环机构的相互配合，能够对回转支承外圈内表面的软带和内圈外表面的软带进行消除，使传统工艺加工后的回转件的结构强度得到大幅增强，避免了回转支承件重复淬火产生裂纹的问题，工件加工区域材料表面硬度提高，晶粒细化，力学性能和使用寿命大大提升。
(2)本发明的底座与回转台通过环形槽与滚动体的配合进行连接，实现了回转台的转动，此外，在回转台上开设回流孔、在底座上设置异形孔，能够是喷出的水液快速回流至储水腔内，实现了水液的循环利用。
(3)本发明的激光发生器与激光冲击头通过到导光管连接，直线导光管可满足回转支撑外圈内表面的加工需求，回转导光管可满足回转支撑内圈外表面的加工需求，由于激光冲击头采用螺纹连接方式进行安装，直线导光管与回转导光管更换方便，而且能够调节激光冲击头与加工面的间距，结构设计合理，原理简单，便于推广使用。
附图说明
图1为本发明的回转支承软带消除装置的内部结构示意图；
图2为本发明夹紧结构的锁紧机构示意图；
图3为本发明胀开结构的夹紧结构示意图；
图4为本发明加工回转支承内圈时升降冲击机构的示意图；
图5为本发明对软带区域进行激光冲击波处理的示意图。
示意图中的标号说明：1、外接水管；2、阀体；3、底座；4、滚动体；5、回转台；6、支承垫；7、回转支承外圈；8、齿条轴；9、激光发生器；10、激光束；11、激光冲击头；12、喷头；13、管接头；14、控制阀；15、水管；16、水泵；17、过滤器；18、液位计；19、第一电机；20、异形孔；21、第一联轴器；22、主动齿轮；23、从动齿轮；24、第二电机；25、第二联轴器；26、升降齿轮；27、回流孔；28、螺栓；29、夹板；30、直线电机；31、回转导光管；32、回转支承内圈；33、全反射镜；34、水；35、淬火区；36、软带区；37、激光光斑；38、挡水板。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例
结合图1，本实施例的一种基于激光冲击波技术的回转支承软带消除装置，包括回转装夹机构、升降冲击机构和水循环机构，回转装夹机构设置有底座3和回转台5，通过第一电机19能够控制回转台5相对底座3转动，回转件固定在回转台5上，当回转台5转动时，回转件同步转动。升降冲击机构包括齿条轴8、激光发生器9和激光冲击头11，设置升降齿轮26以驱动齿条轴8在回转台5中心上下运动，在齿条轴8上端安装激光发生器9，所产生激光通过激光冲击头11射向回转件软带；水循环机构用于在激光冲击头11与回转件软带之间形成水帘。
具体地，回转台5底部固连有同轴的从动齿轮23，在安装从动齿轮23时，可以在回转台5和从动齿轮23上开设螺栓孔，并在螺栓孔内插入螺栓28，拧入螺母进行固定。从动齿轮23与主动齿轮22相啮合，主动齿轮22与第一电机19的转轴通过第一联轴器21相连接。底座3中部设置有储水腔，第一电机19可以安装在该储水腔侧壁上，或者是通过支撑部件支撑，安装在储水腔内。
回转台5可相对底座3转动，作为一种实施方式，可以是在回转台5与底座3之间设置平面轴承，使回转台5能够相对底座3转动。
作为另一实施方式，回转台5通过滚动体4放置在底座3上，回转台5与底座3相对位置上开设有截面为弧形的环形槽，滚动体4卡在环形槽内。滚动体4为球体，在环形槽内设置多个滚动体4，达到足够的支撑作用。作为优选，底座3上的环形槽深度较大，形成球体滚动的通道，而回转台5下表面的环形槽深度可以相对较浅，其只是与球体配合，不需要较大的深度。
回转件可以直接固定在回转台上，并在回转台5上设置锁紧机构，用于固定回转件。但是作为优选，回转台5上表面设置有支承垫6，用于支撑回转件。所设置的支承垫6可以是环形结构，形成环形的支撑面。还可以是块状结构，多个周向等间隔设置的支承垫6作为支撑基础。通过支承垫6能够使回转件被撑起一定的高度，则在加工时，能够充分加工竖直区域。
作为一种实例，锁紧机构包括三个周向等间隔设置的直线电机30和安装在直线电机30上的夹板29，通过直线电机30驱动夹板29向内夹紧或向外胀开把回转件固定。
结合图2，当采用夹紧结构时，直线电机30的主轴朝向圆心的一端安装夹板29，该夹板29的施力面可以为一平面，或者为弧形面，在竖直方向上与回转件外壁类似与线接触。由于三个直线电机30周向等间隔，具有自动定心作用，因此当其把回转件夹紧后，回转件与回转台同轴。
结合图3，当采用胀开结构时，直线电机30的主轴背离圆心的一端安装夹板29，此时夹板29只能是弧形结构，即水平截面为弧形，弧形结构在竖直方向形成杆状结构。由于前端为弧形，当在于回转件内壁接触时，类似于线接触，保证固定的稳固性。如果此时夹板也采用平面结构，则会形成多点接触，稳定性不足，也不利于工件定心。
为了避免对工件的损伤，还可以在装夹板29的工作面上设置橡胶垫。橡胶垫直接与工件接触，避免对加工面的磨损，而由于激光加工时为非接触加工，不会产生切削力，即便是采用橡胶垫，其夹紧程度完全满足加工需求。
升降冲击机构主要用于对回转件沿竖直方向进行激光冲击。具体地，作为一种实施方式，在回转台5中心开始有通孔，齿条轴8从该通孔中穿过。齿条轴8下端的齿牙与升降齿轮26配合，该升降齿轮26通过第二联轴器25与第二电机24的转轴连接，通过第二电机24能够控制齿条轴8上下运动。
在齿条轴8上端安装激光发生器9，激光发生器9水平设置，并通过导光管与激光冲击头11连接，所产生激光通过激光冲击头11射向回转件软带区。
在具体使用时，由于回转件可能是回转支撑外圈或回转支撑内圈，如图1所示，当回转支撑外圈7做为加工对象时，需要加工内表面，此时导光管为直线导光管，激光冲击头11与导光管螺纹连接，且激光冲击头11直径大于直线导光管直径，便于调节激光冲击头11与加工面之间的距离。
结合图4，当回转支撑内圈32作为加工对象时，需要加工外表面，即外壁，但激光发生器9是由中心引出，此时导光管为回转导光管31。即导光管上有两个直角弯，如光通道与出光通道相平行。在直角弯处有全反射镜33，使入射光线与出射发光线的方向相反。通过该回转导光管31，能够把向外光线照射到回转支撑内圈32外表面，实现激光加工。同样地，激光冲击头11与导光管螺纹连接，既能够实现两个导光管的切换，又能够调节间距。
在工作时，水循环机构用于在激光冲击头11与回转件软带之间形成水帘。水循环机构包括依次通过管路连接的水泵16、控制阀14、管接头13和喷头12，底座3中部设置储水腔，水泵16从储水腔内抽取水液为喷头12供水。
为了实现水循环，底座3上表面设置有环形的挡水板38，该挡水板38与回转台5外壁之间留有间隙。底座3还上设置有异形孔20，该异形孔20上端与底座3上表面的环形槽连通，异形孔20下端与储水腔连通。喷头12所喷射的水液经过间隙流到底座3上表面，然后进入到环形槽，再通过异形孔20流入到储水腔，实现水循环。
作为优选，在水泵16的抽水端设置有过滤器17，用于过滤杂物。此外，为了便于水液快速回流，在回转台5上设置有上下贯穿的回流孔27，该回流孔27位于支承垫6与驱动齿条轴8之间位置，即便支承垫6为环形结构，也能够保证水液通过回流孔27快速流入到储水腔内。
结合以上实施方式，异形孔20和回流孔27均可沿周向设置3-7个，例如设置4个或6个等，没有具体限制。
此外，作为一种实施方式，水循环机构还包括外接水管1，并在外接水管1上设置有阀体2，通过外接水管1能够定期向储水腔内加水。优选地，阀体2为电磁阀，在储水腔内设置有液位计18，该液位计18与阀体2电信号连接，当液位计18检测到水位不足时，能够向阀体2发出信号，阀体2打开，向储水腔内加水，实现装置的自动控制。
值得说明的是，加工回转支撑外圈合内圈时，由于加工面的改变，喷水位置相应的也会改变此时可以拆卸下管接头13上连接的喷头12，更换对应长度的喷头12。当然，该喷头12还可以采用金属鹅颈管连接的喷头结构，能够自由固定位置。
基于上述装置，本发明提供了一种基于激光冲击波技术的回转支承软带消除方法，具体步骤为：
步骤1、回转件的内圈外表面或外圈内表面在中频扫描淬火后，标记产生的软带区36使其与淬火区35区分开。
步骤2、对软带区36使用砂纸进行打磨，使用丙酮进行清洗并干燥，在干燥后的表面涂覆一层黑漆或者铝箔作为吸收层。
步骤3、把回转件放置在支承垫6上，并用锁紧机构固定，使回转件与回转台5同轴，然后调整回转件的位置，使所述的激光冲击头11对准软带区36。
步骤4、调节激光发生器9的脉冲宽度、能量、功率密度、直径参数。激光发生器9发出脉冲宽度为ns级、能量为1-150J、功率密度为GW/cm2量级，具体使用时，可根据实际需要进行调整选用，没有具体限制。
步骤5、启动装置，喷头12开始喷水，在激光冲击头11与回转件加工面之间形成水帘作为约束层；激光发生器9产生的激光通过激光冲击头11和水帘照在软带区36；与此同时，第二电机24驱动齿条轴8向下运动。
激光发生器9产生激光束10，激光束10经过激光冲击头11和水帘辐照在软带区36上，软带区36预先涂覆的黑漆或者铝箔吸收激光能量后气化、电离产生等离子体，大量的等离子体在约束层约束下，以GPa级的压力冲击软带区36形成激光光斑37，软带区36会产生塑性强化层，塑性强化层可以提高软带区域的表面硬度，产生一定深度方向的残余压应力，进而消除软带。
步骤6、当齿条轴8向下运动设定距离后，完成第一排冲击作业，第一电机19驱动回转台5转动设定角度，第二电机24反转驱动齿条轴8反向运动；
步骤7、按照步骤6中的动作持续运行，重复上述冲击作业，直至加工完软带区36，如图5所示，最终在软带区36表面形成按照一定顺序排列的激光光斑37。冲击完成后，关闭激光发生器9、控制阀14和水泵16，各装置复位，直线电机30缩回，取下回转件。在上述描述中，各个程序间的配合可以通过控制系统直接控制，控制系统可以采用现有的一些控制部件，例如采用PLC控制系统等，本发明不在赘述。
冲击过程中的约束层水帘通过回转台5上的通孔27和底座3上的异形孔20回到底座3内部，并循环使用。若由于水的蒸发使液位计18检测到水34不足时，外接水管上的阀体2打开，外接水经过外接水管1进行补充。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于激光冲击波技术的回转支承软带消除装置，包括回转装夹机构、升降冲击机构和水循环机构，其特征在于：
所述回转装夹机构设置有底座(3)和回转台(5)，通过第一电机(19)能够控制回转台(5)相对底座(3)转动，回转件固定在回转台(5)上；
所述回转台(5)通过滚动体(4)放置在底座(3)上，回转台(5)与底座(3)相对位置上开设有截面为弧形的环形槽，所述滚动体(4)卡在环形槽内；
回转台(5)上设置锁紧机构，用于固定回转件；
所述锁紧机构包括三个周向等间隔设置的直线电机(30)和安装在直线电机(30)上的夹板(29)，通过直线电机(30)驱动夹板(29)向内夹紧或向外胀开把回转件固定；
所述升降冲击机构包括齿条轴(8)、激光发生器(9)和激光冲击头(11)，设置升降齿轮(26)以驱动齿条轴(8)在回转台(5)中心上下运动，在齿条轴(8)上端安装激光发生器(9)，所产生激光通过激光冲击头(11)射向回转件软带；
所述激光发生器(9)与激光冲击头(11)通过到导光管连接，该导光管包括直线导光管和回转导光管(31)；所述回转导光管(31)带有两个直角弯，在直角弯处有全反射镜(33)，使入射光线与出射发光线的方向相反；
所述水循环机构用于在激光冲击头(11)与回转件软带之间形成水帘。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击波技术的回转支承软带消除装置，其特征在于：所述回转台(5)底部固连有同轴的从动齿轮(23)，该从动齿轮(23)与主动齿轮(22)相啮合，所述主动齿轮(22)与第一电机(19)的转轴相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击波技术的回转支承软带消除装置，其特征在于：所述回转台(5)上表面设置有支承垫(6)，用于支撑回转件。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击波技术的回转支承软带消除装置，其特征在于：所述激光冲击头(11)与导光管螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击波技术的回转支承软带消除装置，其特征在于：所述水循环机构包括依次通过管路连接的水泵(16)、控制阀(14)、管接头(13)和喷头(12)，所述底座(3)中部设置储水腔，水泵(16)从储水腔内抽取水液为喷头(12)供水。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光冲击波技术的回转支承软带消除装置，其特征在于：所述底座(3)上表面设置有环形的挡水板(38)，该挡水板(38)与回转台(5)外壁之间留有间隙；所述底座(3)还上设置有异形孔(20)，该异形孔(20)上端与底座(3)上表面的环形槽连通，异形孔(20)下端与储水腔连通。
7.一种基于激光冲击波技术的回转支承软带消除方法，其特征在于，采用如权利要求1至6任一项所述的回转支承软带消除装置，具体步骤为：
步骤1、回转件的内圈外表面或外圈内表面在中频扫描淬火后，标记产生软带区(36)；
步骤2、对所述软带区(36)使用砂纸进行打磨，使用丙酮进行清洗并干燥，在干燥后的表面涂覆一层黑漆或者铝箔作为吸收层；
步骤3、把回转件放置在支承垫(6)上，并用锁紧机构固定，使回转件与回转台(5)同轴，然后调整回转件的位置，使所述的激光冲击头(11)对准软带区(36)；
步骤4、调节激光发生器(9)的脉冲宽度、能量、功率密度、直径参数；
步骤5、启动装置，喷头(12)开始喷水，在激光冲击头(11)与回转件加工面之间形成水帘作为约束层；激光发生器(9)产生的激光通过激光冲击头(11)和水帘照在软带区(36)；与此同时，第二电机(24)驱动齿条轴(8)向下运动；
步骤6、当齿条轴(8)向下运动设定距离后，第一电机(19)驱动回转台(5)转动设定角度，第二电机(24)反转驱动齿条轴(8)反向运动；
步骤7、按照步骤6中的动作持续运行，直至加工完软带区(36)。
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