CN110484711A - 一种减小轴类零件激光冲击强化变形的装置及方法 - Google Patents

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罗开玉
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    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
    • C21D10/005—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation by laser shock processing

Abstract

本发明涉及到激光冲击强化技术，特指一种减小轴类零件激光冲击强化变形的装置及方法。装置包括智能夹紧装置、激光加工系统、控制系统、夹持装置、液压系统、电机、位移传感器和底座。轴类零件装夹在夹持装置上并与夹持装置一起安装在底座上。激光加工系统包括外部光路和激光发生器。智能夹紧装置包括智能定位和智能夹紧两个模块，智能夹紧模块包括液压管，液压夹紧元件，上顶板，滑套，滑杆，下顶板，弹性部件，智能浮动夹紧爪，销联接；智能定位模块包括电机与浮动定位模块。该装置可以控制夹紧点位置，抵消或减小工件在激光冲击强化过程中工件夹紧点处的变形和反作用力，并且具有在线测量反作用力的功能。

Description

一种减小轴类零件激光冲击强化变形的装置及方法
技术领域
本发明涉及到激光智能制造领域尤其是激光冲击强化技术，特指一种减小轴类零件激光冲击强化变形的装置及方法。
背景技术
激光冲击强化技术，也称激光喷丸技术。是通过高功率密度(GW/cm量级)、短脉冲(10～30ns量级)的激光通过透明约束层作用于金属表面所涂覆的能量吸收涂层时，涂层吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温(>10K)、高压(>1GPa)等离子体。该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。激光作用结束后，由于冲击区域周围材料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力。残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高疲劳裂纹萌生寿命。同时残余压应力的存在，可引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长疲劳裂纹扩展寿命。
轴类零件是重要的机械传动部件，具有传递扭矩和承受载荷的重要功能。轴类零件因其重要的使用场合，需要具备足够的耐磨性、抗振性和抗疲劳强度。应用激光冲击强化技术对轴类类型进行表面强化处理，能够显著提高耐磨性和抗疲劳性能，从而延长轴的使用寿命，具有十分良好经济效益和使用前景。
但是在轴类零件的激光冲击强化过程中，由于激光冲击波与夹具夹紧力的双重影响，使轴类零件易发生变形，造成零件的使用过程不稳定等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于，提供一种减小轴类零件激光冲击强化变形的装置。
本发明采用的具体技术方案为：
一种减小轴类零件激光冲击强化变形的装置主要包括智能夹紧装置、激光加工系统、控制系统、夹持装置、液压系统、电机、位移传感器和底座。
轴类零件装夹在夹持装置上并与夹持装置一起安装在底座上。激光加工系统包括外部光路和激光发生器，外部光路的出口位于轴类零件正上方固定不动。智能夹紧装置包括智能定位和智能夹紧两种模块，智能夹紧模块包括液压管，液压夹紧元件，上顶板，滑套，滑杆，下顶板，弹性部件，智能浮动夹紧爪，销联接；智能定位模块包括电机与浮动定位模块。
所述底座上面设有滑轨，夹持装置能够沿滑轨左右移动。
所述激光加工系统包括外部光路和激光发生器，激光器为光纤激光器，CO2激光器，YAG固体激光器中的一种。
所述位移传感器位于轴类零件的中轴线右端。
所述液压夹紧元件与上顶板通过螺纹连接，滑套与滑杆通过间隙配合。
所述智能夹紧模块可以适应不同类型和尺寸的轴类零件，液压系统通过液压管与液压夹紧元件连接，通过液压系统来控制液压管和液压夹紧元件使上顶板通过滑套在滑杆上面上下自由移动实现微调。
所述智能浮动夹紧爪包括内置载荷传感器用于监测轴类零件所受力作用。
所述智能浮动夹紧爪分别安装在上顶板左侧底端和下顶板左侧顶端。
所述浮动定位模块安装在下顶板底端，电机与浮动定位模块连接带动整个智能夹紧装置左右移动。
所述控制系统与电机为电连接，载荷传感器和位移传感器与控制系统为信号连接，控制系统与液压系统为信号连接。
所述控制系统包括位置控制单元和力控制单元，位置控制单元用来控制智能夹紧装置和轴类零件在加工过程中的位置，力控制单元用来对智能浮动夹紧爪传输命令来补偿加工过程中的夹紧处的反作用力。
本发明的有益效果：本发明通过智能夹紧装置控制夹紧点位置，抵消或减小工件在激光冲击强化过程中工件的变形和反作用力。通过控制系统准确实施补偿行为，减小加工过程中的变形，在获得工件均匀强化表面的同时提高加工精度。本发明提供的一种减小轴类零件激光冲击强化变形的装置具有自动化程度高，定位精度准确，成形件变形量小等优点，在材料制造领域尤其是轴类零件加工具有广泛的应用前景和经济效益。
附图说明
图1为本发明装置搭建示意图。
图2为本发明浮动定位模块定位原理图。
图3为本发明智能夹紧装置示意图。
图4为本发明智能夹紧装置功能流程图。
其中，(1)控制系统,(2)液压系统，(3)外部光路，(4)激光发生器，(5) 位移传感器，(6)底座，(7)电机，(8)智能夹紧装置，(9)夹持装置，(10) 轴类零件，(11)液压管，(12)液压夹紧元件，(13)上顶板，(14)滑套，(15) 滑杆，(16)下顶板，(17)智能浮动夹紧爪，(18)销联接，(19)弹性部件，(20) 浮动定位模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施作进一步详述,但本发明的保护范围并不仅限于此。
如图1所示，本发明装置主要包括控制系统1,液压系统2，外部光路3，激光发生器4，位移传感器5，底座6，电机7，智能夹紧装置8，夹持装置9，轴类零件10。
本发明所述的减小轴类零件激光冲击强化变形的装置的使用步骤如下：
(1)先将轴类零件通过夹持装置两端夹紧，然后通过控制系统的位置控制单元将轴类零件移动到外部光路出口的正下方位置；
(2)如图2所示，确定所述浮动定位模块的相对位置：
在额定的激光功率作用下，轴类零件材料和尺寸决定了轴类零件同轴度方向变形位移大小。轴类零件同轴度方向变形位移大小通过位于两端的夹持装置里面的位移传感器测量并反馈到控制系统，经过控制系统的分析和反馈，位置控制单元控制电机调整浮动定位模块基于外部光路出口的相对位置l，从而在激光冲击强化过程中使轴类零件同轴度方向变形量减小。如果，外部光路出口在轴类零件左侧，则两个浮动定位模块位置分别位于左侧夹持装置与外部光路出口中轴线的中间和外部光路出口中轴线与轴类零件中垂线的中间，即l＝a/2+b/2；如果外部光路出口在轴类零件右侧，与左侧同理调整，则两个浮动定位模块位置分别位于右侧夹持装置与外部光路出口中轴线的中间和外部光路出口中轴线与轴类零件中垂线的中间；特殊地，如果外部光路出口位于轴类零件正中间，则浮动定位模块位置分别位于左侧夹持装置与轴类零件中垂线的中间和右侧夹持装置与轴类零件中垂线的中间。
(3)如图4所示，所述智能夹紧装置在零件夹紧处反作用力补偿的流程图：
本流程图采用一个闭环校正系统，在加工过程中，工件产生的变形在被位移传感器监测到并反馈给控制系统之后，控制系统通过命令液压系统实时地控制智能夹紧装置的夹紧力，以最大限度减小轴在激光冲击强化过程中产生的变形，再通过载荷传感器监测工件的反作用力是否被抵消，如果没有抵消，则继续调整，如果工件的反作用力被抵消，则工件固定、夹紧。
(4)轴类零件由夹持装置在底座上面通过滑轨左右移动，智能夹紧装置实时跟随移动和调整，直至整个轴加工完成。
与常规的轴类零件激光冲击强化的过程相比，本发明能够有效地减小轴类零件的变形，并且在激光冲击强化过程中具有较高的定位精度。

Claims (5)

1.一种减小轴类零件激光冲击强化变形的装置，其特征在于，所述装置包括智能夹紧装置、激光加工系统、控制系统、夹持装置、液压系统、电机、位移传感器和底座；
轴类零件装夹在夹持装置上并与夹持装置一起安装在底座上；激光加工系统包括外部光路和激光发生器，外部光路的出口位于轴类零件正上方固定不动；
智能夹紧装置包括智能定位和智能夹紧两种模块，智能夹紧模块包括液压管，液压夹紧元件，上顶板，滑套，滑杆，下顶板，弹性部件，智能浮动夹紧爪，销联接；智能定位模块包括电机与浮动定位模块；
所述底座上面设有滑轨，夹持装置能够沿滑轨左右移动；
所述位移传感器位于轴类零件的中轴线右端；
所述液压夹紧元件与上顶板通过螺纹连接，滑套与滑杆通过间隙配合；
所述智能夹紧模块能够适应不同类型和尺寸的轴类零件，液压系统通过液压管与液压夹紧元件连接，通过液压系统来控制液压管和液压夹紧元件使上顶板通过滑套在滑杆上面上下自由移动实现微调；
所述智能浮动夹紧爪包括内置载荷传感器用于监测轴类零件所受力作用；
所述智能浮动夹紧爪分别安装在上顶板左侧底端和下顶板左侧顶端；
所述浮动定位模块安装在下顶板底端，电机与浮动定位模块连接带动整个智能夹紧装置左右移动；
所述控制系统与电机为电连接，载荷传感器和位移传感器与控制系统为信号连接，控制系统与液压系统为信号连接。
2.如权利要求1所述的一种减小轴类零件激光冲击强化变形的装置，其特征在于，所述激光加工系统包括外部光路和激光发生器，激光器为光纤激光器，CO2激光器，YAG固体激光器中的一种。
3.如权利要求1所述的一种减小轴类零件激光冲击强化变形的装置，其特征在于，所述控制系统包括位置控制单元和力控制单元，位置控制单元用来控制智能夹紧装置和轴类零件在加工过程中的位置，力控制单元用来对智能浮动夹紧爪传输命令来补偿加工过程中的夹紧处的反作用力。
4.使用如权利要求1所述装置减小轴类零件激光冲击强化变形的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)先将轴类零件通过夹持装置两端夹紧，然后通过控制系统的位置控制单元将轴类零件移动到外部光路出口的正下方位置；
(2)确定所述浮动定位模块的相对位置：
轴类零件同轴度方向变形位移大小通过位于两端的夹持装置里面的位移传感器测量并反馈到控制系统，经过控制系统的分析和反馈，位置控制单元控制电机调整浮动定位模块基于外部光路出口的相对位置l，从而在激光冲击强化过程中使轴类零件同轴度方向变形量减小；
(3)在加工过程中，工件产生的变形在被位移传感器监测到并反馈给控制系统之后，控制系统通过命令液压系统实时地控制智能夹紧装置的夹紧力，以最大限度减小轴在激光冲击强化过程中产生的变形，再通过载荷传感器监测工件的反作用力是否被抵消，如果没有抵消，则继续调整，如果工件的反作用力被抵消，则工件固定、夹紧；
(4)轴类零件由夹持装置在底座上面通过滑轨左右移动，智能夹紧装置实时跟随移动和调整，直至整个轴加工完成。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，如果，外部光路出口在轴类零件左侧，则两个浮动定位模块位置分别位于左侧夹持装置与外部光路出口中轴线的中间和外部光路出口中轴线与轴类零件中垂线的中间，即l＝a/2+b/2；如果外部光路出口在轴类零件右侧，与左侧同理调整，则两个浮动定位模块位置分别位于右侧夹持装置与外部光路出口中轴线的中间和外部光路出口中轴线与轴类零件中垂线的中间；特殊地，如果外部光路出口位于轴类零件正中间，则浮动定位模块位置分别位于左侧夹持装置与轴类零件中垂线的中间和右侧夹持装置与轴类零件中垂线的中间。
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