CN110153563A - 一种温度补偿的深冷激光冲击实验夹具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种温度补偿的深冷激光冲击实验夹具，包括：弹簧滑块压紧件，包括两个相同的弹簧滑块单元，弹簧滑块单元包括外滑块、弹簧和内滑块，弹簧连接外滑块和内滑块，外滑块和内滑块均能够沿直线滑动；及夹持件，用于从两个外滑块的外侧面夹持两个外滑块；其中，两个弹簧滑块压紧件位于同一条直线上，并对称分布，在夹持件的作用下，两个内滑块能够从试样工件的两端夹紧试样工件。本发明可主动并且实时地对试样在深冷环境下产生的塑性收缩进行补偿，始终保证强化过程中夹具对试样的夹紧力。

Description

一种温度补偿的深冷激光冲击实验夹具

技术领域

本发明涉及激光加工以及表面强化技术领域，尤其涉及一种温度补偿的深冷激光冲击实验夹具。

背景技术

深冷激光冲击强化技术结合了激光冲击强化高能超快以及超低温变形技术的多重优点，深冷温度下材料的屈服强度明显提高，因此相比于传统激光冲击，深冷激光冲击强化可以在金属材料表面诱导产生更高的残余压应力幅值以及更高密度的位错结构，进一步细化表层晶粒，从而显著提升结构件的抗疲劳强度，在航空航天、海洋工程以及交通运输等领域均具有极其广阔的应用前景。

但是，深冷激光冲击强化需要在实验过程中使试样达到深冷温度，而金属材料长时间处于超低温环境下会发生塑性收缩变形，使得常规夹具无法保证冲击过程中对试样完全夹紧。此外，深冷环境下实验操作更加危险，实验试样装夹过程效率低下，因此传统激光冲击系统中所用到的夹具在深冷环境下并不适用。如现有技术提出了一种用于激光冲击强化平板试样的通用夹具，其主要通过螺栓拧紧的方式来固定试样，但是在深冷温度下试样发生收缩后该夹具将无法起到夹紧作用。

而现有的深冷激光冲击强化装置都是针对深冷装置而没有专门考虑深冷激光冲击时的专用夹具。现有技术的深冷激光冲击强化装置中，一般直接将试样放置在深冷工作台上通过热传导来降温而没有进行装夹，这会导致冲击过程中试样移动导致强化的精确性下降。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种温度补偿的深冷激光冲击实验夹具，可主动并且实时地对试样工件在深冷环境下产生的塑性收缩进行补偿，始终保证强化过程中夹具对试样的夹紧力。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种温度补偿的深冷激光冲击实验夹具，应用于深冷激光冲击装置，并设置于深冷箱中，包括：

弹簧滑块压紧件，包括两个相同的弹簧滑块单元，所述弹簧滑块单元包括外滑块、弹簧和内滑块，所述弹簧连接所述外滑块和所述内滑块，所述外滑块和所述内滑块均能够沿直线滑动；及

夹持件，用于从两个所述外滑块的外侧面夹持两个所述外滑块；

其中，两个所述弹簧滑块压紧件位于同一条直线上，并对称分布，在所述夹持件的作用下，两个所述内滑块能够从试样工件的两端夹紧试样工件。

优选地，所述夹持件包括：

第一夹紧臂，具有第一首端、第一弯折部和第一尾端，所述第一弯折部靠近所述第一尾端设置；

第二夹紧臂，具有第二首端、第二弯折部和第二尾端，所述第二弯折部靠近所述第二尾端设置；

其中，所述第一弯折部和所述第二弯折部铰接，使得所述第一夹紧臂和所述第二夹紧臂形成X形，且所述第一夹紧臂和所述第二夹紧臂均能绕铰接处转动，所述第一首端和所述第二首端均为夹持端，增大所述第一尾端与所述第二尾端之间的距离，则所述第一夹紧臂和所述第二夹紧臂的夹持端的距离减小，所述第一首端和所述第二首端分别位于两个所述外滑块的外侧面。

优选地，所述第一首端和所述第二首端相向设置，且均向内侧倾斜。

优选地，还包括锥端螺纹柱，所述锥端螺纹柱与深冷箱的侧壁螺纹连接，所述锥端螺纹柱的一端为锥形端，伸入至深冷箱内，并位于所述第一尾端和所述第二尾端之间，调节所述锥端螺纹柱伸入深冷箱内的长度能够改变所述第一尾端和所述第二尾端之间的距离。

优选地，还包括手柄，所述手柄的一端与所述锥端螺纹柱的另一端固连，旋转所述手柄能够调节所述锥端螺纹柱伸入深冷箱内的长度。

优选地，还包括相对设置的两条滑块导轨，两条所述滑块导轨设置于深冷箱的底壁内侧上，所述外滑块和所述内滑块的底端分别具有两个相同的移动底座，两个所述移动底座与两个所述滑块导轨一一对应的移动配合。

优选地，所述移动底座嵌入在所述滑块导轨内，所述移动底座与所述滑块导轨之间设置有若干滚珠。

优选地，还包括内六角螺钉，所述内滑块的内侧面上设有凸台，所述凸台上设有垂直向的螺纹通孔，所述内六角螺钉与所述螺纹通孔相配，所述内六角螺钉的底部穿过所述凸台，并位于所述凸台的下方，所述内六角螺钉的底部设有滚珠，拧紧所述内六角螺钉，可使所述滚珠与试样工件抵接。

优选地，所述第一首端和所述第二首端分别设有一个滚柱，所述滚柱具有中心滚轴，所述滚柱的外圆柱壁与所述外滑块的外侧面线接触，所述第一首端和所述第二首端分别和对应的所述滚柱的中心滚轴铰接。

优选地，还包括刻度尺，所述刻度尺设置于深冷箱的外侧，并沿所述弹簧的伸缩方向设置，可以测量所述弹簧的伸缩量。

本发明的有益效果：

1)本发明通过夹持件夹持内弹簧滑块压紧件的两端，并通过弹簧滑块压紧件中弹簧的压缩余量，在试样装夹完成后实时补偿由于试样低温收缩产生的内滑块与试样之间的间隙，在试验全程都保证内滑块对试样的压紧力，实现对夹具对温度的补偿，进而显著提高深冷环境下进行激光冲击实验装夹的效率和安全性。

2)本发明通过刻度尺可以测出弹簧的收缩量，从而计算出滑块对试样的夹紧力，实现夹紧力的精确可调，提高了激光冲击强化的可重复性。

3)本发明的夹持件和弹簧滑块压紧件的结构简单，并且能够通过调节锥端螺纹柱伸入深冷箱内的长度来调节夹持件对弹簧滑块压紧件的夹持力，以适应不同试样工件的使用。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种温度补偿的深冷激光冲击实验夹具的俯视示意图。

图2为根据本发明实施例的弹簧滑块压紧件的正视图。

附图标记：

1.深冷箱，2.紧定螺钉，3.手柄，4.锥端螺纹柱，5.铰接接头，6.第一夹紧臂，601.第一首端，602.第一弯折部，603.第一尾端；7.第二夹紧臂，701.第二首端；702.第二弯折部，703.第二尾端；8.滚柱，9.外滑块，10.弹簧，11.内滑块，1101.凸台；12.试样工件，13.滑块导轨，14.滚珠，15.内六角螺钉，16.滚珠，17.刻度尺。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种温度补偿的深冷激光冲击实验夹具。

请参阅图1和图2，根据本发明实施例的一种温度补偿的深冷激光冲击实验夹具，应用于深冷激光冲击装置，并设置于深冷箱1中，深冷箱1由内外两层材料制成，内层为铝合金用来存储液氮，外层为聚氨酯发泡材料来进行隔温绝热。根据本发明实施例的夹具包括：弹簧滑块压紧件、夹持件、锥端螺纹柱4、手柄3、滑块导轨13、内六角螺钉15和刻度尺17。

具体地，如图1所示，滑块导轨13的滑槽呈“C”形，两条滑块导轨13相对设置于深冷箱1的底壁内侧。

如图2所示，弹簧滑块压紧件包括两个相同的弹簧滑块单元，弹簧滑块单元设置于两条滑块导轨13上，并且两个弹簧滑块单元对称设置，弹簧滑块单元包括外滑块9、弹簧10和内滑块10，弹簧10连接外滑块9和内滑块10，外滑块9和内滑块10均与滑块导轨13配合。

进一步地，本实施例中的外滑块9和内滑块10的底端分别具有两个相同的移动底座，移动底座嵌入在滑块导轨13的滑槽内，两个移动底座与两个滑块导轨13一一对应的移动配合，为了减少底座与滑块导轨13之间的摩擦力，移动底座的顶端面和底端面与滑块导轨13之间设置有若干滚珠14。

夹持件用于从两个外滑块9的外侧面夹持两个外滑块9，通过弹簧10的压缩，夹持力传递至内滑块10上，试样工件12置于两个内滑块10之间，从而实现夹紧试样工件12。

进一步的，本实施例中的夹持件包括：第一夹紧臂6和第二夹紧臂7，第一夹紧臂6具有第一首端601、第一弯折部602和第一尾端603，第一弯折部601靠近第一尾端603设置，第二夹紧臂7具有第二首端701、第二弯折部702和第二尾端703，第二弯折部702靠近第二尾端703设置。其中，第一弯折部602和第二弯折部702铰接，铰接点固定在深冷箱上，使得第一夹紧臂6和第二夹紧臂7对称，形成X形，且第一夹紧臂6和第二夹紧臂7均能绕铰接处转动，第一首端601和第二首端701均为夹持端，增大第一尾端603与第二尾端703之间的距离，则第一夹紧臂6和第二夹紧臂7的夹持端的距离减小，第一首端601和第二首端701分别位于两个外滑块9的外侧面，从而实现夹持两个外滑块9。第一首端601和第二首端701相向设置，且均向内侧倾斜，能够更利于夹持外滑块9。

第一首端601和第二首端701分别设有一个滚柱8，滚柱8具有中心滚轴，滚柱8的外圆柱壁与外滑块9的外侧面线接触，第一首端601和第二首端701分别和对应的滚柱8的中心滚轴铰接，通过滚柱8和外滑块9接触来传递夹紧力，滚柱8可以保证夹紧机构尾端和外滑块之间的滑动自由度。

锥端螺纹柱4用于调节夹持件的夹持力，具体的，锥端螺纹柱4与深冷箱1的侧壁螺纹连接，锥端螺纹柱4的一端为锥形端，伸入至深冷箱1内，并位于第一尾端603和第二尾端703之间，调节锥端螺纹柱4伸入深冷箱1内的长度能够改变第一尾端603和第二尾端703之间的距离，从而实现调节夹持件的夹持力。

为了方便调节锥端螺纹柱4伸入深冷箱1内的长度，本实施例中，在锥端螺纹柱4的另一端设置有手柄3，手柄3的一端通过紧定螺钉2与锥端螺纹柱4的另一端固连，并与锥端螺纹柱4垂直，旋转手柄3能够带动锥端螺纹柱4旋转。

为了使内滑块10能够更好的夹持试样工件12，在内滑块11的内侧面上设有凸台1101，凸台1101上设有垂直向的螺纹通孔，内六角螺钉15与螺纹通孔相配，内六角螺钉15的底部穿过凸台1101，并位于凸台1101的下方，内六角螺钉15的底部设有滚珠14，拧紧内六角螺钉15，可使滚珠14与试样工件12抵接。

根据本发明的实施例，刻度尺17设置于深冷箱1的外侧，并沿弹簧10的伸缩方向设置，可以测量弹簧10的伸缩量，通过胡克定律F＝-k·Δx来计算出弹簧滑块压紧件对试样工件12的夹紧力，其中F即为弹簧的弹力，单位为N，k为弹簧的弹簧系数，单位为N/mm，Δx为弹簧长度的变形量，单位为mm；此外，的弹簧10为耐低温材料的特殊弹簧，能够保证在低温环境下弹性不损失。根据弹簧10的伸缩量，保证实验结果的一致性和可重复性，从而提高深冷激光冲击实验的装夹效率和实验结果的一致性。

本实施例中的试样工件12的长度为10～200mm，厚度小于50mm，根据本发明实施例的一种温度补偿的深冷激光冲击实验夹具在深冷激光冲击装置的具体使用步骤如下：

(1)将试样工件12放置在两个内滑块10的中心位置，并通过刻度尺17读出弹簧10未压缩状态下的长度。

(2)旋转手柄3将锥端螺纹柱4旋入箱体，通过增大铰接第一夹紧臂6和第二夹紧臂7尾端的张开角度使得夹持端夹紧。

(3)通过滚柱8和外滑块9的接触面将夹紧力传递给弹簧滑块压紧机构。

(4)继续旋转手柄3直到弹簧的压缩长度Δx达到50mm。

(5)拧入内六角螺钉15直到螺钉头部的滚珠14和试样工件12的表面接触，限制试样工件12垂直方向的自由度。

(6)加入液氮直到液氮没过试样工件12表面3mm，液氮作为深冷激光冲击过程中的能量约束层。

(7)保温半小时后打开激光系统对试样表面指定区域进行深冷激光冲击强化处理，强化完成后直接反向拧动手柄3直到完全松开试样工件12，且由于内六角螺钉15头部嵌入了滚珠14，可以不拧动螺钉，直接用长镊子将试样平移取出。

实验结果表明，使用本发明实施例的夹具后，试样工件12表面深冷激光冲击强化区域更加规整，完全达到了预期强化效果。因此本发明可以显著提高深冷激光冲击的位置精度，满足深冷激光冲击的精确度要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种温度补偿的深冷激光冲击实验夹具，应用于深冷激光冲击装置，并设置于深冷箱(1)中，其特征在于，包括：

弹簧滑块压紧件，包括两个相同的弹簧滑块单元，所述弹簧滑块单元包括外滑块(9)、弹簧(10)和内滑块(10)，所述弹簧(10)连接所述外滑块(9)和所述内滑块(10)，所述外滑块(9)和所述内滑块(10)均能够沿直线滑动；及

夹持件，用于从两个所述外滑块(9)的外侧面夹持两个所述外滑块(9)；

其中，两个所述弹簧滑块压紧件位于同一条直线上，并对称分布，在所述夹持件的作用下，两个所述内滑块(10)能够从试样工件(12)的两端夹紧试样工件(12)。

2.根据权利要求1所述的温度补偿的深冷激光冲击实验夹具，其特征在于，所述夹持件包括：

第一夹紧臂(6)，具有第一首端(601)、第一弯折部(602)和第一尾端(603)，所述第一弯折部(601)靠近所述第一尾端(603)设置；

第二夹紧臂(7)，具有第二首端(701)、第二弯折部(702)和第二尾端(703)，所述第二弯折部(702)靠近所述第二尾端(703)设置；

其中，所述第一弯折部(602)和所述第二弯折部(702)铰接，使得所述第一夹紧臂(6)和所述第二夹紧臂(7)形成X形，且所述第一夹紧臂(6)和所述第二夹紧臂(7)均能绕铰接处转动，所述第一首端(601)和所述第二首端(701)均为夹持端，增大所述第一尾端(603)与所述第二尾端(703)之间的距离，则所述第一夹紧臂(6)和所述第二夹紧臂(7)的夹持端的距离减小，所述第一首端(601)和所述第二首端(701)分别位于两个所述外滑块(9)的外侧面。

3.根据权利要求2所述的温度补偿的深冷激光冲击实验夹具，其特征在于，所述第一首端(601)和所述第二首端(701)相向设置，且均向内侧倾斜。

4.根据权利要求2所述的温度补偿的深冷激光冲击实验夹具，其特征在于，还包括锥端螺纹柱(4)，所述锥端螺纹柱(4)与深冷箱(1)的侧壁螺纹连接，所述锥端螺纹柱(4)的一端为锥形端，伸入至深冷箱(1)内，并位于所述第一尾端(603)和所述第二尾端(703)之间，调节所述锥端螺纹柱(4)伸入深冷箱(1)内的长度能够改变所述第一尾端(603)和所述第二尾端(703)之间的距离。

5.根据权利要求4所述的温度补偿的深冷激光冲击实验夹具，其特征在于，还包括手柄(3)，所述手柄(3)的一端与所述锥端螺纹柱(4)的另一端固连，旋转所述手柄(3)能够调节所述锥端螺纹柱(4)伸入深冷箱(1)内的长度。

6.根据权利要求1所述的温度补偿的深冷激光冲击实验夹具，其特征在于，还包括相对设置的两条滑块导轨(13)，两条所述滑块导轨(13)设置于深冷箱(1)的底壁内侧上，所述外滑块(9)和所述内滑块(10)的底端分别具有两个相同的移动底座，两个所述移动底座与两个所述滑块导轨(13)一一对应的移动配合。

7.根据权利要求6所述的温度补偿的深冷激光冲击实验夹具，其特征在于，所述移动底座嵌入在所述滑块导轨(13)内，所述移动底座与所述滑块导轨(13)之间设置有若干滚珠(14)。

8.根据权利要求1所述的温度补偿的深冷激光冲击实验夹具，其特征在于，还包括内六角螺钉(15)，所述内滑块(10)的内侧面上设有凸台(1101)，所述凸台(1101)上设有垂直向的螺纹通孔，所述内六角螺钉(15)与所述螺纹通孔相配，所述内六角螺钉(15)的底部穿过所述凸台(1101)，并位于所述凸台(1101)的下方，所述内六角螺钉(15)的底部设有滚珠(14)，拧紧所述内六角螺钉(15)，可使所述滚珠(14)与试样工件(12)抵接。

9.根据权利要求1所述的温度补偿的深冷激光冲击实验夹具，其特征在于，所述第一首端(601)和所述第二首端(701)分别设有一个滚柱(8)，所述滚柱(8)具有中心滚轴，所述滚柱(8)的外圆柱壁与所述外滑块(9)的外侧面线接触，所述第一首端(601)和所述第二首端(701)分别和对应的所述滚柱(8)的中心滚轴铰接。

10.根据权利要求1所述的温度补偿的深冷激光冲击实验夹具，其特征在于，还包括刻度尺(17)，所述刻度尺(17)设置于深冷箱(1)的外侧，并沿所述弹簧(10)的伸缩方向设置，可以测量所述弹簧(10)的伸缩量。