CN110653667B - 激光诱导空化辅助液体射流抛光设备及射流抛光用喷嘴 - Google Patents

激光诱导空化辅助液体射流抛光设备及射流抛光用喷嘴 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种射流抛光用喷嘴，包括喷嘴主体、混合腔、压力水入口、磨料液体入口和喷口，混合腔向喷口方向逐渐收口，混合腔内设置光纤支架，光纤支架上固定光纤束，光纤束末端在喷口的收口部位散开，散开的光纤束端口均匀分布形成光纤阵列。还提供一种激光诱导空化辅助液体射流抛光设备，包括压力水系统、磨料液供给回收系统、激光系统和喷射系统，喷射系统包括的射流抛光用喷嘴，压力系统接入喷嘴的压力水入口提供射流压力，磨料液供给回收系统接入磨料液体入口提供磨料液，激光系统包括连接光纤束的脉冲激光器。本发明基于传统的液体射流抛光技术引入激光空化技术，两者结合达到促进加工效率的目的，且可以解决现有的空化效应强度不便调节的问题。

Description

激光诱导空化辅助液体射流抛光设备及射流抛光用喷嘴
技术领域
本发明涉及液体射流抛光领域，具体的说，涉及了一种激光诱导空化辅助液体射流抛光设备和射流抛光用喷嘴。
背景技术
目前，已在生产中投入大量应用的传统液体射流抛光技术是利用混有磨料的液体流束对工件表面进行抛光。由于液体流束直径较小，且液体对工件形状具有较好的适应性，因此尤其适合对复杂形状零件和微小零件进行加工。但是，传统液体射流抛光技术效率普遍不高。为了提高液体射流抛光效率，空化效应被引入到液体射流抛光加工过程中。利用空化效应中空泡溃灭时瞬间释放的能量使液体射流抛光所依赖的物理或化学过程得到强化，从而提高加工效率。
目前使用空化辅助液体射流抛光的技术主要有：利用水力空化效应的纳米胶体液流动压空化射流抛光，利用负压空化的基于负压空化效应的液体射流抛光方法，利用超声空化的超声空化辅助液体射流抛光等。归纳起来，这些方法的空化效应诱导方式主要是水力空化和超声空化两种。水力空化借助射流参数的改变来调节空化效应强度，但射流参数同时影响加工工艺，不可任意调节；超声空化中每套超声振动系统对应单一参数的超声输入信号，偏离了这一信号便无法引起空化。因此，目前常见的两种方式均不能在加工时对空化效应强度进行方便的控制。
无法对空化效应强度进行有效控制会产生很多问题，如在抛光加工中容易发生工件表面被剧烈的空化破坏的现象，或是强度过小的空化效应未能对加工效率起到促进作用。因此若要在液体射流加工中有效利用空化效应，还需寻找一种便于空化效应调控的诱发方式。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种空化强度可调节、加工效率更高、适应性更广的一种激光诱导空化辅助液体射流抛光设备，以及一种结构设计合理、实现激光空化功能的射流抛光用喷嘴。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种射流抛光用喷嘴，包括喷嘴主体、混合腔、压力水入口、磨料液体入口和喷口，所述混合腔向喷口方向逐渐收口，混合腔内设置光纤支架，所述光纤支架上固定光纤束，所述光纤束末端在喷口的收口部位散开，散开的光纤束端口均匀分布形成光纤阵列。
基上所述，所述光纤束排布成圆周阵列，圆周阵列的中心处设置中心光纤，中心光纤的轴线与喷口中流道的轴线重合。
基上所述，所述圆周阵列包括至少一圈光纤。
基上所述，相邻光纤之间的排列间距为3r-3.5r，最内圈各光纤与中心光纤的间距为3r-3.5r，最外圈各光纤与喷嘴主体内侧壁的间距为2r-2.5r，r为脉冲激光所产生的一次空泡半径。
基上所述，所述光纤束排布成矩阵阵列、菱形阵列、三角形阵列和椭圆阵列中的一种。
一种激光诱导空化辅助液体射流抛光设备，包括压力水系统、磨料液供给回收系统、激光系统和喷射系统，所述喷射系统包括所述的射流抛光用喷嘴，所述压力水系统接入喷嘴的压力水入口提供射流压力，所述磨料液供给回收系统接入磨料液体入口提供磨料液，所述激光系统包括连接光纤束的脉冲激光器。
基上所述，所述脉冲激光器的脉冲频率大于20Hz，单脉冲能量大于50mJ。
基上所述，所述脉冲激光器的脉冲频率与射流速度的关系为：f=1000v/4r，v为光纤端部的流体速度。
基上所述，所述压力水系统包括顺次连接的纯水箱、过滤器、气液增压泵和减压阀，减压阀后的管路接入喷嘴主体的压力水入口，所述气液增压泵连接一提供气压的气泵，气液增压泵的出口路径安装蓄能器和压力表，气液增压泵的出口路径还设有连通纯水箱的泄压支路，泄压支路上安装卸荷阀；所述磨料液供给回收系统包括磨料罐、回收罐和蠕动泵，磨料罐中安装搅拌器，磨料罐通过蠕动泵接入喷嘴主体的磨料液体入口，喷射出的磨料液经收集容器和回收管路连接至回收罐。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明在传统的液体射流抛光技术中，引入激光系统，将喷嘴的结构改造，使激光在喷嘴内诱发空化效应，达到促进加工效率的目的；更重要的是，由于激光频率可调，空化效应的强度也就得到了控制，在空化效应剧烈时，调节激光器频率，使产生的激光空泡数量减少，降低空化效应的强度；也可通过调整激光器的脉冲宽度，使激光空泡的直径减小，爆破力量减小，达到降低空化效应强度的目的，反之亦然。
附图说明
图1是本发明中激光诱导空化辅助液体射流抛光设备的整体流程结构示意图。
图2是本发明中射流抛光用喷嘴的结构示意图。
图3是本发明中射流抛光用喷嘴的的爆炸图。
图4是本发明中光纤支架与光纤分布的结构示意图。
图中：1.喷嘴主体；2.混合腔；3.压力水入口；4.磨料液体入口；5.喷口；6.光纤支架；7.光纤束；8.光纤；9.中心光纤；10.脉冲激光器；11.纯水箱；12.过滤器；13.气液增压泵；14.减压阀；15.气泵；16.蓄能器；17.压力表；18.卸荷阀；19.磨料罐；20.回收罐；21.蠕动泵；22.收集容器；23.射流抛光用喷嘴。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1-图4所示，一种激光诱导空化辅助液体射流抛光设备，包括压力水系统、磨料液供给回收系统、激光系统和喷射系统，喷射系统包括的核心部件为射流抛光用喷嘴23，包括喷嘴主体1、混合腔2、压力水入口3、磨料液体入口4和喷口5，混合腔2向喷口5方向逐渐收口，混合腔2内设置光纤支架6，光纤支架6上固定光纤束7，光纤束7末端在喷口5的收口部位散开。
本实施例中，光纤数量控制在10-15根，单根光纤芯径应小于等于600μm，喷口的直径控制在0.5mm-2mm，散开的光纤束端口均匀分布形成一圈圆周形的光纤阵列，一圈光纤8之间的排列间距为3r-3.5r，圆周阵列的中心处设置中心光纤9，一圈各光纤8与中心光纤9的间距为3r-3.5r，一圈光纤8与喷嘴主体1内侧壁的间距为2r-2.5r，中心光纤9的轴线与喷口5中流道的轴线重合，r为脉冲激光所产生的一次空泡半径，r的单位为mm。
其中，激光系统包括连接光纤束的脉冲激光器10，本实施例中，采用固体调Q脉冲激光器，其脉冲频率大于20Hz，单脉冲能量大于50mJ。
压力水系统包括顺次连接的纯水箱11、过滤器12、气液增压泵13和减压阀14，减压阀14后的管路接入喷嘴主体1的压力水入口，气液增压泵13连接一提供气压的气泵15，作为动力源，气液增压泵13的出口路径安装蓄能器16和压力表17，分别用于储存高压水和监控系统压力，气液增压泵13的出口路径还设有连通纯水箱的泄压支路，泄压支路上安装卸荷阀18，当工作结束后，开启卸荷阀18，使压力水回流到纯水箱11。
磨料液供给回收系统包括磨料罐19、回收罐20和蠕动泵21，磨料罐19中安装搅拌器，目的是为了防止磨料沉淀，磨料罐19通过蠕动泵20接入喷嘴主体1的磨料液体入口，喷射出的磨料液经收集容器22和回收管路连接至回收罐20，回收路径上可以安装滤网，实现磨料和纯水的分离。
工作原理：气泵15驱动气液增压泵13工作，气液增压泵13从纯水箱11中取水并加压后，送压力水至蓄能器16中储存，然后通过减压阀14的压力调节进入喷嘴中，压力水的工作压力一般在1-5MPa，流量控制在0.05-1m3/min；磨料液通过蠕动泵21注入喷嘴中，与压力水在混合腔2中充分混合，然后通过收窄的喷口5喷出，形成磨料液射流；与此同时，启动脉冲激光器10，调节脉冲激光器的脉冲频率：f=1000v/4r，v为光纤端部的流体速度，单位是m/s。
在此基础上，激光器所发射的激光引入喷嘴的收缩部，激光的照射会使光纤端部的液体在瞬间发生气化，形成空泡，空泡在喷嘴中流体的带动下，向喷口移动并喷出，移动过程中，由于周围液体环境的变化，导致液体压力变化，空泡发生破裂，形成若干更小、数量更多的二次空泡和三次空泡，这些空泡随磨料液体射流喷射在工件表面，并在工件表面发生最终的溃灭。
溃灭时，在溃灭区域形成极小范围内的高温高压，并在周边形成速度很高的微射流，有助于工件表面材料的去除，提高加工效率。
当空化效应过于激烈时，调节激光器的脉冲频率，使所产生的激光空泡数量减少，空化效应的强度降低；也可以调节激光器的脉冲宽度，使激光空泡的直径减小，达到降低空化效应的目的。
本方案依托于激光空化效应，将其应用于液体射流抛光工艺中，不仅能够实现抛光效率的提高，还能够通过调节激光器的参数，直接调节空化效应的强度，不影响压力水系统和磨料液供给回收系统的正常工作，相较于传统的空化系统，适应性更好，灵活性更高。
在其它实施例中，光纤束排布成矩阵阵列、菱形阵列、三角形阵列和椭圆阵列中的一种。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种射流抛光用喷嘴，包括喷嘴主体、混合腔、压力水入口、磨料液体入口和喷口，其特征在于：所述混合腔向喷口方向逐渐收口，混合腔内设置光纤支架，所述光纤支架上固定光纤束，所述光纤束末端在喷口的收口部位散开，散开的光纤束端口均匀分布形成光纤阵列，所述光纤束排布成圆周阵列，圆周阵列的中心处设置中心光纤，中心光纤的轴线与喷口中流道的轴线重合，所述圆周阵列包括至少一圈光纤，相邻光纤之间的排列间距为3r-3.5r，最内圈各光纤与中心光纤的间距为3r-3.5r，最外圈各光纤与喷嘴主体内侧壁的间距为2r-2.5r，r为脉冲激光所产生的一次空泡半径。
2.根据权利要求1所述的射流抛光用喷嘴，其特征在于：所述光纤束排布成矩阵阵列、菱形阵列、三角形阵列和椭圆阵列中的一种。
3.一种激光诱导空化辅助液体射流抛光设备，其特征在于：包括压力水系统、磨料液供给回收系统、激光系统和喷射系统，所述喷射系统包括权利要求1或2所述的射流抛光用喷嘴，所述压力水系统接入喷嘴的压力水入口提供射流压力，所述磨料液供给回收系统接入磨料液体入口提供磨料液，所述激光系统包括连接光纤束的脉冲激光器。
4.根据权利要求3所述的激光诱导空化辅助液体射流抛光设备，其特征在于：所述脉冲激光器的脉冲频率大于20Hz，单脉冲能量大于50mJ。
5.根据权利要求3或4所述的激光诱导空化辅助液体射流抛光设备，其特征在于：所述脉冲激光器的脉冲频率与射流速度的关系为：f=1000v/4r，v为光纤端部的流体速度。
6.根据权利要求5所述的激光诱导空化辅助液体射流抛光设备，其特征在于：所述压力水系统包括顺次连接的纯水箱、过滤器、气液增压泵和减压阀，减压阀后的管路接入喷嘴主体的压力水入口，所述气液增压泵连接一提供气压的气泵，气液增压泵的出口路径安装蓄能器和压力表，气液增压泵的出口路径还设有连通纯水箱的泄压支路，泄压支路上安装卸荷阀；所述磨料液供给回收系统包括磨料罐、回收罐和蠕动泵，磨料罐中安装搅拌器，磨料罐通过蠕动泵接入喷嘴主体的磨料液体入口，喷射出的磨料液经收集容器和回收管路连接至回收罐。
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