CN111496395A - J-t制冷器节流孔的加工工装及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种J‑T制冷器节流孔的加工工装及加工方法，J‑T制冷器节流孔的加工工装，包括：固定组件，用于固定待加工毛细管；CCD，位于固定组件的上方，CCD用于获取待加工毛细管的图像；紫外激光器，位于固定组件的上方，紫外激光器用于发射波长为λ的紫外激光，以在待加工毛细管上加工节流孔，λ的取值满足：350nm＜λ＜460nm。采用本发明，通过紫外激光在毛细管上加工节流孔，加工精确可达±10μm，且加工的节流孔边缘无毛刺，孔内无碎屑残留，从根本上提高了J‑T制冷器节流孔加工的一致性和可靠性。

Description

J-T制冷器节流孔的加工工装及加工方法

技术领域

本发明涉及制冷器技术领域，尤其涉及一种J-T制冷器节流孔的加工工装及加工方法。

背景技术

J-T制冷器的制冷原理是：高压气体进入J-T制冷器的毛细管，经毛细管换热后，从毛细管前端的节流孔喷射而出，经过节流孔节流膨胀后,高压气体压力降低引起温度降低，实现制冷。节流孔的截面积直接影响J-T制冷器的工质流量和制冷功率。

相关技术中，采用精密钻床钻孔或专用顶针扎孔等接触式机械加工方式加工节流孔，但这种加工方式存在以下技术问题：节流孔加工的表面实为曲面，区别于普通的平面打孔的方式，采用机械加工方式在钻头或针尖接触到加工表面时，容易在曲面上发生偏移，孔位难以精确定位，导致加工的节流孔大小和圆度均难以精确保证，直接影响制冷效果；机械加工后节流孔周围会产生较多毛刺，由于孔径极小，毛刺难以完全去除，这些毛刺一旦脱落就会形成多余物，影响产品质量；由于节流孔直径大都小于100μm，残留在节流孔内的加工碎屑在孔内随机分布，无法保证完全剔除，随时有堵塞节流孔的风险，造成J-T制冷器制冷量大幅降低，严重时碎屑会堵塞节流孔导致J-T制冷器直接报废，影响了制冷器的长时间工作可靠性。如果使用工具剔除这些残留碎屑，难免会触碰到节流孔孔口，造成节流孔变形。

发明内容

本发明实施例提供一种J-T制冷器节流孔的加工工装及加工方法，用以解决现有技术中节流孔加工精度低的问题。

本发明实施例提出一种J-T制冷器节流孔的加工工装，包括：

固定组件，用于固定待加工毛细管；

CCD，位于所述固定组件的上方，所述CCD用于获取所述待加工毛细管的图像；

紫外激光器，位于所述固定组件的上方，所述紫外激光器用于发射波长为λ的紫外激光，以在所述待加工毛细管上加工所述节流孔，所述λ的取值满足：350nm＜λ＜460nm。

根据本发明的一些实施例，所述待加工毛细管包括依次连接的第一段和第二段，所述第一段用于加工所述节流孔；

所述固定组件包括：

安装板，朝向所述紫外激光器的表面设有第一凹槽，所述第一段适于嵌设于所述第一凹槽；

第一压块，与所述安装板可活动地连接，所述第一压块适于与所述安装板配合以固定所述第二段；

第二压块，与所述安装板可活动地连接，所述第二压块适于与所述第一凹槽配合以固定所述第一段。

在本发明的一些实施例中，所述安装板朝向所述紫外激光器的表面还设有第二凹槽，部分所述第二段适于嵌设于所述第二凹槽。

进一步的，所述第二凹槽位于所述第一压块的正下方，所述第二凹槽适于与所述第一压块配合以固定所述第二段。

在本发明的一些实施例中，所述固定组件还包括：

第三压块，与所述安装板连接，所述第三压块设有调节孔，所述第二压板可活动地装配至所述调节孔。

根据本发明的一些实施例，所述λ的取值满足：λ＝355nm。

根据本发明的一些实施例，所述J-T制冷器节流孔的加工工装还包括：

光源，位于所述固定组件的上方，所述光源用于为所述待加工毛细管提供光照环境。

本发明实施例还提出一种J-T制冷器节流孔的加工方法，包括：

固定待加工毛细管；

获取所述待加工毛细管的图像；

基于所述图像，确定所述节流孔的第一精度加工位置；

发射波长为λ的紫外激光至所述第一精度加工位置，以加工所述节流孔，所述λ的取值满足：350nm＜λ＜460nm。

根据本发明的一些实施例，所述固定待加工毛细管包括：

在所述待加工毛细管上确定所述节流孔的第二精度加工位置，所述第二精度加工位置的范围大于所述第一精度加工位置的范围；

将具有所述第二精度加工位置的部分所述待加工毛细管弯折并固定。

根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：

在获取所述待加工毛细管的图像之前，光照所述待加工毛细管。

采用本发明实施例，采用紫外激光在毛细管上加工节流孔，加工精确可达±10μm，且加工的节流孔边缘无毛刺，孔内无碎屑残留，从根本上提高了J-T制冷器节流孔加工的一致性和可靠性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中J-T制冷器节流孔的加工工装的结构示意图；

图2是本发明实施例中J-T制冷器节流孔的加工工装的局部结构示意图；

图3是本发明实施例中J-T制冷器节流孔的加工工装的局部结构示意图；

图4是本发明实施例中待加工毛细管的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提出一种J-T制冷器节流孔的加工工装1，该J-T制冷器节流孔的加工工装1适于在外径小于600μm、壁厚小于100μm的J-T制冷器的毛细管上加工直径小于100μm的节流孔，且保障加工精度在±10μm范围内。

如图1所示，本发明实施例的J-T制冷器节流孔的加工工装1包括：

固定组件10，用于固定待加工毛细管2；

CCD 20，位于固定组件10的上方，CCD 20用于获取待加工毛细管2的图像；

紫外激光器30，位于固定组件10的上方，紫外激光器30用于发射波长为λ的紫外激光，以在待加工毛细管2上加工节流孔200，λ的取值满足：350nm＜λ＜460nm。

采用本发明实施例，采用紫外激光在毛细管上加工节流孔，加工精确可达±10μm，且加工的节流孔边缘无毛刺，孔内无碎屑残留，从根本上提高了J-T制冷器节流孔加工的一致性和可靠性。

在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

如图1所示，根据本发明的一些实施例，CCD 20位于固定组件10的正上方，紫外激光器30位于CCD 20的正上方。CCD 20用于拍摄待加工毛细管2的图像并进一步放大。

如图4所示，根据本发明的一些实施例，待加工毛细管2包括依次连接的第一段21和第二段22，第一段21用于加工节流孔200。第一段21可以呈弯钩状。

如图2-图3所示，固定组件10包括：

安装板11，朝向紫外激光器30的表面设有第一凹槽110，第一段21适于嵌设于第一凹槽110。进一步的，第一凹槽110可以是边长为10㎜、深度为0.5毫米的圆角方形槽。

第一压块120，与安装板11可活动地连接，第一压块120适于与安装板11配合以固定第二段22。例如，第一压块120与安装板11可转动的连接。又如，第一压块120与安装板11滑动连接。

第二压块130，与安装板11可活动地连接，第二压块130适于与第一凹槽110配合以固定第一段21。例如，第二压块130可以在第一凹槽110的上方滑动。

如图3所示，在本发明的一些实施例中，安装板11朝向紫外激光器30的表面还设有第二凹槽111，部分第二段22适于嵌设于第二凹槽111。例如，第二凹槽111可以为长条形槽，第二凹槽111的横截面可以呈V形，第二凹槽111的深度可以为0.5毫米，第二凹槽111的最大宽度为2毫米。

进一步的，第二凹槽111位于第一压块120的正下方，第二凹槽111适于与第一压块120配合以固定第二段22。

如图2所示，在本发明的一些实施例中，固定组件10还包括：

第三压块140，与安装板11连接，第三压块140设有调节孔，第二压板可活动地装配至调节孔。例如，第三压块140可以固定于第一压块120。

根据本发明的一些实施例，λ的取值满足：λ＝355nm。

如图1所示，根据本发明的一些实施例，J-T制冷器节流孔的加工工装1还包括：

光源40，位于固定组件10的上方，光源40用于为待加工毛细管2提供光照环境。例如，光源40可以位于固定组件10的正上方、CCD 20的正下方。

本发明实施例还提出一种J-T制冷器节流孔的加工方法，包括：

固定待加工毛细管；

获取待加工毛细管的图像；

基于图像，确定节流孔的第一精度加工位置；

发射波长为λ的紫外激光至第一精度加工位置，以加工节流孔，λ的取值满足：350nm＜λ＜460nm。

采用本发明实施例，采用紫外激光在毛细管上加工节流孔，加工精确可达±10μm，且加工的节流孔边缘无毛刺，孔内无碎屑残留，从根本上提高了J-T制冷器节流孔加工的一致性和可靠性。

根据本发明的一些实施例，所述固定待加工毛细管包括：

在待加工毛细管上确定节流孔的第二精度加工位置，第二精度加工位置的范围大于第一精度加工位置的范围。换言之，初步确定待加工毛细管上节流孔的位置。

将具有第二精度加工位置的部分待加工毛细管弯折并固定。

根据本发明的一些实施例，所述获取待加工毛细管的图像包括：

获取待加工毛细管的拍摄图像；

放大拍摄图像。

根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：

在获取待加工毛细管的图像之前，光照待加工毛细管。

下面参照图1-图4以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的J-T制冷器节流孔的加工工装及加工方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

J-T制冷器主要应用于制冷型红外探测器，其优点是结构紧凑、体积小、重量轻、启动快，为红外探测器提供工作时所需的低温环境。J-T制冷器是利用焦耳-汤普逊效应原理，通过高压气体节流后降温,来实现对被冷却单元的制冷。但不同于常规制冷方式，一般情况下其制冷温区在100K以下。J-T制冷器工作时，高压气体进入J-T制冷器的毛细管，经毛细管换热后，从毛细管前端的节流孔喷射而出，经过节流孔节流膨胀后,高压气体压力降低引起温度降低，实现制冷。节流孔的截面积直接影响J-T制冷器的工质流量和制冷功率，因此节流孔的加工质量会直接影响到J-T制冷器的制冷效率，而且J-T制冷器每根毛细管上只能有一个节流孔，在节流孔加工过程中不能将毛细管打穿。

J-T制冷器的毛细管大都是外径小于600μm、壁厚小于100μm，毛细管上的节流孔直径大都小于100μm，节流孔的加工精度要求±10μm。在传统的节流孔制作工艺中，多使用精密钻床钻孔或专用顶针扎孔的接触式机械加工方式，这种加工方式主要存在以下技术问题：

第一，节流孔加工的表面实为曲面，区别于普通的平面打孔的方式，采用机械加工方式在钻头或针尖接触到加工表面时，容易在曲面上发生偏移，孔位难以精确定位，导致加工的节流孔大小和圆度均难以精确保证，直接影响制冷效果。

第二，机械加工后节流孔周围会产生较多毛刺，由于孔径极小，毛刺难以完全去除，这些毛刺一旦脱落就会形成多余物，影响产品质量。

第三，由于节流孔直径大都小于100μm，残留在节流孔内的加工碎屑在孔内随机分布，无法保证完全剔除，随时有堵塞节流孔的风险，造成J-T制冷器制冷量大幅降低，严重时碎屑会堵塞节流孔导致J-T制冷器直接报废，影响了制冷器的长时间工作可靠性。如果使用工具剔除这些残留碎屑，难免会触碰到节流孔孔口，造成节流孔变形。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种J-T制冷器节流孔的加工工装及加工方法，可精确控制节流孔孔径大小且无加工残留，可以在外径小于600μm、壁厚小于100μm的毛细管材上加工直径小于100μm的微小节流孔。

如图1所示，根据本发明实施例的J-T制冷器节流孔的加工工装1，包括：固定组件10、CCD 20、紫外激光器30、以及光源40。固定组件10用于固定待加工毛细管2。CCD 20位于固定组件10的正上方。CCD 20用于拍摄待加工毛细管2的图像并进一步放大。紫外激光器30位于CCD 20的正上方。紫外激光器30用于发射波长为355nm的紫外激光，以在待加工毛细管2上加工节流孔200。光源40可以位于固定组件10的正上方、CCD 20的正下方。光源40用于为待加工毛细管2提供光照环境。

如图4所示，待加工毛细管2包括依次连接的第一段21和第二段22，第一段21用于加工节流孔200。第一段21可以呈弯钩状。

如图2-图3所示，固定组件10具体包括安装板11、第一压块120、第二压块130以及第三压块140。安装板11朝向紫外激光器30的表面设有间隔排布的第一凹槽110和第二凹槽111。第一凹槽110可以是边长为10㎜、深度为0.5毫米的圆角方形槽。第一段21适于嵌设于第一凹槽110。第二凹槽111可以为长条形槽，第二凹槽111的横截面可以呈V形，第二凹槽111的深度可以为0.5毫米，第二凹槽111的最大宽度为2毫米。部分第二段22适于嵌设于第二凹槽111。

如图2所示，第一压块120与安装板11可转动的连接。第一压块120位于第二凹槽111的正上方，第二凹槽111适于与第一压块120配合以固定第二段22。第三压块140可以固定于第一压块120。第三压块140设有调节孔，第二压板可活动地装配至调节孔。第二压块130可以在第一凹槽110的上方滑动。第二压块130适于与第一凹槽110配合以固定第一段21。

第一凹槽110、第二凹槽111、第一压块120上与待加工毛细管2接触的部分、第二压块130上与待加工毛细管2接触的部分、第三压块140上与待加工毛细管2接触的部分均用软绒布覆盖，避免损伤待加工毛细管2。

基于上述的J-T制冷器节流孔的加工工装1，J-T制冷器节流孔的加工方法包括：

将待加工毛细管一端弯成弯钩状，以便于用加工工装进行打孔位置的精确定位。

将待加工毛细管弯钩端(即第一段)放入第一凹槽内，将待加工毛细管靠近弯钩端的部分(即靠近第一段的部分第二段)放入第二凹槽内，调节第一压块的位置以用第一压块压住靠近弯钩端的部分，调节第二压块的位置以用第二压块压住第一凹槽内的弯钩段。

启动紫外激光器，调节CCD，以清晰捕捉到待加工毛细管待打孔部位(第一精度加工位置)，激光焦点聚焦到待加工毛细管待打孔部位，发射激光完成节流孔加工。

本发明实施例通过选用CCD，用CCD可以精确捕捉加工毛细管的特征，通过选用波长为355nm的紫外激光器，波长较短的紫外激光器来减小激光的熔深，以实现毛细管表面的单孔加工。

另外，由于激光加工的特殊性，要求毛细管加工位置必须能精确定位，才能实现节流孔的精密加工。J-T制冷器所用的毛细管长度都在1米到2米之间，毛细管均为退火处理后的熔融态管材，毛细管又长又软，加工位置容易卷曲、翘起。而且，因所用毛细管壁厚都在100μm以内，使用普通的工具夹持很容易使毛细管损伤甚至被压扁。因此，通过设计固定组件，将毛细管待打孔的位置固定，而不损伤毛细管，以实现加工位置的精确定位。具体的，通过设置第一凹槽，将待加工毛细管一端弯成钩头并置于第一凹槽，可以精确定位待加工毛细管上待打孔的位置。通过设置第二凹槽，可以将待加工毛细管沉入第二凹槽内，使待加工毛细管位置相对固定。通过设置三个压块，可以用于进一步固定待加工毛细管，避免其随意晃动。

采用本实施例的加工方法，可以避免相关技术中毛细管材被激光穿透，在加工孔位所在横截面上会形成两个孔，造成管材报废，更有甚者，激光会直接将毛细管熔断的情况，完成后的毛细管节流孔只能有一个，不会损伤到毛细管内表面，更不会将毛细管打穿，加工精确可达±10μm，且加工的节流孔边缘无毛刺，孔内无碎屑残留，从根本上提高了J-T制冷器节流孔加工的一致性和可靠性。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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。尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。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。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种J-T制冷器节流孔的加工工装，其特征在于，包括：

固定组件，用于固定待加工毛细管；

CCD，位于所述固定组件的上方，所述CCD用于获取所述待加工毛细管的图像；

紫外激光器，位于所述固定组件的上方，所述紫外激光器用于发射波长为λ的紫外激光，以在所述待加工毛细管上加工所述节流孔，所述λ的取值满足：350nm＜λ＜460nm。

2.如权利要求1所述的J-T制冷器节流孔的加工工装，其特征在于，所述待加工毛细管包括依次连接的第一段和第二段，所述第一段用于加工所述节流孔；

所述固定组件包括：

安装板，朝向所述紫外激光器的表面设有第一凹槽，所述第一段适于嵌设于所述第一凹槽；

第一压块，与所述安装板可活动地连接，所述第一压块适于与所述安装板配合以固定所述第二段；

第二压块，与所述安装板可活动地连接，所述第二压块适于与所述第一凹槽配合以固定所述第一段。

3.如权利要求2所述的J-T制冷器节流孔的加工工装，其特征在于，所述安装板朝向所述紫外激光器的表面还设有第二凹槽，部分所述第二段适于嵌设于所述第二凹槽。

4.如权利要求3所述的J-T制冷器节流孔的加工工装，其特征在于，所述第二凹槽位于所述第一压块的正下方，所述第二凹槽适于与所述第一压块配合以固定所述第二段。

5.如权利要求2所述的J-T制冷器节流孔的加工工装，其特征在于，所述固定组件还包括：

第三压块，与所述安装板连接，所述第三压块设有调节孔，所述第二压板可活动地装配至所述调节孔。

6.如权利要求1所述的J-T制冷器节流孔的加工工装，其特征在于，所述λ的取值满足：λ＝355nm。

7.如权利要求1所述的J-T制冷器节流孔的加工工装，其特征在于，所述J-T制冷器节流孔的加工工装还包括：

光源，位于所述固定组件的上方，所述光源用于为所述待加工毛细管提供光照环境。

8.一种J-T制冷器节流孔的加工方法，其特征在于，包括：

固定待加工毛细管；

获取所述待加工毛细管的图像；

基于所述图像，确定所述节流孔的第一精度加工位置；

发射波长为λ的紫外激光至所述第一精度加工位置，以加工所述节流孔，所述λ的取值满足：350nm＜λ＜460nm。

9.如权利要求8所述的J-T制冷器节流孔的加工方法，其特征在于，所述固定待加工毛细管包括：

在所述待加工毛细管上确定所述节流孔的第二精度加工位置，所述第二精度加工位置的范围大于所述第一精度加工位置的范围；

将具有所述第二精度加工位置的部分所述待加工毛细管弯折并固定。

10.如权利要求8所述的J-T制冷器节流孔的加工方法，其特征在于，还包括：

在获取所述待加工毛细管的图像之前，光照所述待加工毛细管。

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