CN114425663A - 一种水基射流激光强化加工设备 - Google Patents

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张宇鹏
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Abstract

本发明涉及水基射流激光加工技术领域，尤其是涉及一种水基射流激光强化加工设备，包括进给运动控制系统、液压系统、水基射流激光加工系统、机台和工件夹具，所述机台包括加工平台和机台支架，所述工件夹具设于所述加工平台之上，所述机台用于支撑所述进给控制系统和所述水基射流激光加工系统，所述进给运动控制系统包括X‑Y‑Z三轴联动进给机构和伺服电机，所述水基射流激光加工系统固定于Z轴导轨滑块上，所述水基射流激光加工系统包括激光发生器、反射镜、激光扩束器、聚焦透镜和水射流喷头，液压系统包括高压定量柱塞泵和脉冲阻尼器。通过水基射流激光强化加工后的表面形成一个强化层，可以使这个工件的表面更耐磨，更耐腐蚀，提高疲劳强度寿命。

Description

一种水基射流激光强化加工设备
技术领域
本发明涉及水基射流激光加工技术领域，尤其是涉及一种水基射流激光强化加工设备。
背景技术
机械加工制造业顺应科技创新的发展，满足各类加工生产的需求，在近些年来水射流导激光加工成为激光加工行业一个新兴的加工技术，该技术在加工之后的加工表面质量高，可以对高硬度的材料进行切割，且切割缝隙微小，能够适用于航天、军工等的微细加工领域，水基射流激光加工技术也必将是未来加工制造业的新势力。
水射流激光加工技术是利用激光在空气与水流的临界面发生全反射的现象，使得激光在水柱里面能够做类似于光纤的传播，在此耦合之中水射流作引导作用，仍然是以激光去除为主，完成对加工工件的加工。高压水射流在加工过程中的作用：1.作为激光的载体，使激光在水柱中传播；2.带走加工产生的热量，起冷却效果，明显减小热影响区；3.冲走加工时的切屑物和熔渣，使之几乎没有附着物。
但目前我国在水导激光切割方面还面临着技术难点。1.激光束水柱精准耦合：设计设备时需要各个部件之间的配合十分精确，才能使激光束能够精准的从那么小的孔中与水柱耦合。2.水辅助喷头的加工：喷嘴出来的水柱要求高品质，因此嘴孔的孔壁需要很薄，尽量做到没有锥度且圆度好，能够抵挡住超高压水的压力冲击，安装精度、配合精度要求也比较高，另外喷嘴材料又是需要刚度硬度很高，很好的抗疲劳强度的硅晶体，所以这种种苛刻的条件对喷嘴的加工难度非常大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水基射流激光强化加工设备，能够实现快速而精准的运动和定位，可以实现不同材料和不等厚度零件的切割加工，而且能够抵挡住超高压水的压力冲击。通过水基射流激光强化加工后的表面形成一个强化层，可以使这个工件的表面更耐磨，更耐腐蚀，提高疲劳强度寿命。
本发明提供一种水基射流激光强化加工设备，包括进给运动控制系统、液压系统、水基射流激光加工系统、机台和工件夹具，所述机台包括加工平台和机台支架，所述工件夹具设于所述加工平台之上，所述机台用于支撑所述进给控制系统和所述水基射流激光加工系统，所述进给运动控制系统包括X-Y-Z三轴联动进给机构和伺服电机，所述水基射流激光加工系统固定于Z轴导轨滑块上，所述水基射流激光加工系统包括激光发生器、反射镜、激光扩束器、聚焦透镜和水射流喷头，可以实现激光与水射流耦合，所述水射流喷头包括镜头窗口、外支架、环状底托、基体支架、喷嘴支架、喷嘴底托、压母、喷嘴支座、喷嘴压套和喷嘴，所述喷嘴与所述平垫圈和所述喷嘴压套配合，所述喷嘴压套与所述喷嘴支座使用螺纹连接，所述喷嘴支架与所述压母同样使用螺纹连接，为了保持整个内部结构的密封性，所述镜头窗口的上方有着一个平垫圈，所述窗口镜头与所述基体支架接触处装有密封圈，所述喷嘴支架与所述基体支架之间同样装有密封圈，所述液压系统包括高压定量柱塞泵和脉冲阻尼器。
优选地，所述伺服电机的导轨上设有光电传感器，给各个轴设置工作原点建立坐标系，伺服电机的进给精度可以达到1μm，使得水射流的运动精度能达到相应水准。
优选地，所述工件夹具下方设有密排的正方形槽的液体盛具，使用时需盛满水，可以防止加工过程中有高压的水柱遇到障碍物会飞溅，同时可以吸收激光的能量和沉淀加工残余废料。
优选地，所述加工平台下设有漏斗，可以将多余液体往外排放。
优选地，所述高压定量柱塞泵安置在所述机台外，可以避免因工作产生的振动对加工造成影响；所述脉冲阻尼器安装于所述高压定量柱塞泵出口连接管管口，以消除高压定量柱塞泵在工作过程当中产生的脉冲，使得液体管路稳定从而起到缓冲作用。
优选地，所述水射流喷头的侧面设有圆孔，可以承受高压水流，可供装置水管接头使用。
优选地，所述水射流喷头采用金刚石为组成材料，可以长时间承受高压水射流以及高能量的激光，具有很好的疲劳强度、硬度、高的稳定性、好的耐冲击强度、击穿电压高以及高热导率。
优选地，所述水射流喷头孔径为0.2mm，高为2.5mm。
优选地，所述激光发生器的激光波长λ为1.064μm，聚焦透镜的焦距f 为38.1mm，激光质量因子M2取1.0，校正因子为1.6，聚光聚焦前直径D 为3mm，激光光斑直径d为0.085mm，远小于喷嘴孔的直径，激光束和水射流可以完全耦合。
优选地，所述工件夹具中间呈内陷三角形状，两边是带有圆槽的平面，以增加与加工工件的摩擦力，使之更稳定，所述工件夹具的传动件是由螺杆与夹具体连接件组成，所述连接件固定在所述螺杆的末端，所述传动件两端有导杆配合，能够让传动件做平稳的直线运动，所述传动件嵌套于滑轨上，使用双边滑轨支撑，使夹具体的运动更加平稳和顺滑，提高夹具体的负载能力。
有益效果：
1.本发明的水基射流激光强化加工设备，包括进给运动控制系统、液压系统、水基射流激光加工系统、机台以及工件夹具，切割宽度为0.2mm，不仅能在加工末端冷却材料，同时也有助于加速材料从激光照射区域的移除，与水射流相关的强化材料去除应归因于等离子体约束(介于水层和工件)以及随后产生的冲击压力，这有助于彻底清除焊接端部残留的熔融层，使切缝表面基本没有挂渣现象，大大提高了切割表面质量，加工精度接近1 μm。
2.本发明的水基射流激光强化加工设备基于三轴的数控系统，实现快速而精准的运动和定位，可以实现不同材料和不等厚度零件的切割加工。
3.本发明的水基射流激光强化加工设备能够抵挡住超高压水的压力冲击，安装精度、配合精度也比较高，另外水射流喷头刚度硬度很高，抗疲劳强度很好。
4.本发明的水基射流激光强化加工设备的各个部件之间的配合十分精确，使激光束能够精准的从细小的孔中与水柱耦合。
5.通过水基射流激光强化加工后的表面形成一个强化层，可以使这个工件的表面更耐磨，更耐腐蚀，提高疲劳强度寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明设备正视图；
图2为本发明设备立体图；
图3为本发明设备侧视图；
图4为本发明设备俯视图；
图5为本发明水射流喷头内部结构图；
图6为本发明水射流喷头外形示意图；
图7为本发明激光发射器与反射镜组合示意图；
图8为本发明水射流喷头侧视图；
图9为本发明聚焦透镜组合示意图；
图10为本发明连接套筒示意图；
图11为本发明工件夹具俯视图；
图12为本发明工件夹具侧视图。
附图标记说明：1-机台、2-工件夹具、3-加工平台、4-机台支架、5-激光发生器、6-反射镜、7-激光扩束器、8-聚焦透镜、9-水射流喷头、10-漏斗、 11-气囊式脉冲阻尼器、12-圆孔、101-X轴伺服电机、102-Z轴伺服电机、 103-Z轴电机联轴器部件、104-Z轴电机导轨、105-X轴电机导轨、301-连接套筒、401-Y轴伺服电机、402-Y轴电机导轨、501-环形底托、502-外支架、503-基体支架、504-压母、505-镜头窗口、506-平垫圈、507-喷嘴压套、 508-喷嘴、509-喷嘴支座、510-喷嘴支架、511-密封圈、512-喷嘴底托、701- 反射镜压块、702-组合座、901-聚焦镜筒、902-橡胶圈、903-固定环、1101- 传动件、1102-连接件、1103-螺杆、1104-锁紧螺母、1105-套筒、1106-导杆。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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所述特征。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。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
一种水基射流激光强化加工设备，如图1-12所示，包括进给运动控制系统、液压系统、水基射流激光加工系统、机台1和工件夹具2，机台1包括加工平台3和机台支架4，工件夹具2设于加工平台3之上，机台1用于支撑进给控制系统和水基射流激光加工系统，进给运动控制系统包括X-Y-Z 三轴联动进给机构和伺服电机，水基射流激光加工系统固定于Z轴导轨滑块上，水基射流激光加工系统包括激光发生器5、反射镜6、激光扩束器7、聚焦透镜8和水射流喷头9，可以实现激光与水射流耦合，水射流喷头9包括镜头窗口505、外支架502、环状底托501、基体支架503、喷嘴支架510、喷嘴底托512、压母504、喷嘴支座509、喷嘴压套507和喷嘴508，喷嘴 508与平垫圈506和喷嘴压套507配合，喷嘴压套507与喷嘴支座509使用螺纹连接，喷嘴支架510与压母504同样使用螺纹连接，为了保持整个内部结构的密封性，镜头窗口505的上方有着一个平垫圈506，窗口镜头505 与基体支架503接触处装有密封圈511，喷嘴支架510与基体支架503之间同样装有密封圈，液压系统包括高压定量柱塞泵和气囊式脉冲阻尼器11。伺服电机的导轨上设有光电传感器，给各个轴设置工作原点建立坐标系，伺服电机的进给精度可以达到1μm，使得水射流的运动精度能达到相应水准。工件夹具2下方设有挖有密排的正方形槽的液体盛具，使用时需盛满水，可以防止加工过程中有高压的水柱遇到障碍物会飞溅，同时可以吸收激光的能量和沉淀加工残余废料。加工平台3下设有漏斗10，可以将多余液体往外排放。高压定量柱塞泵安置在机台1处，可以避免因工作产生的振动对加工造成影响；气囊式脉冲阻尼器11安装于高压定量柱塞泵出口连接管管口，以消除高压定量柱塞泵在工作过程当中产生的脉冲，使得液体管路稳定从而起到缓冲作用。水射流喷头9的侧面设有圆孔12，可以承受高压水流，可供装置水管接头使用。水射流喷头采用金刚石为组成材料，可以长时间承受高压水射流以及高能量的激光，具有很好的疲劳强度、硬度、高的稳定性、好的耐冲击强度、击穿电压高以及高热导率。水射流喷头9孔径为0.2mm，高为2.5mm。激光发生器的激光波长λ为1.064μm，聚焦透镜的焦距f为38.1mm，激光质量因子M2取1.0，校正因子为1.6，聚光聚焦前直径D为3mm，激光光斑直径d为0.085mm，远小于喷嘴孔的直径，激光束和水射流可以完全耦合。工件夹具2中间呈内陷三角形状，两边是带有圆槽的平面，以增加与加工工件的摩擦力，使之更稳定，工件夹具2的传动件1101是由螺杆1103与夹具体连接件组成，连接件1102固定在螺杆1103的末端，传动件1101两端有导杆1106配合，能够让传动件 1101做平稳的直线运动，传动件1101嵌套于滑轨上，使用双边滑轨支撑，使夹具体的运动更加平稳和顺滑，提高夹具体的负载能力。
另外，本发明的进给运动控制系统采用的是X-Y-Z三轴联动进给机构，参见图1中的X轴伺服电机101，图4中的Y轴伺服电机401，图1中的Z 轴伺服电机102，可以实现X方向(横向)，Y方向(纵向)，Z方向(垂直方向)的运动；参见图1中的Z轴电机联轴器部件103，图1中的Z轴伺服电机102，图1中的Z轴电机导轨104，Z轴上搭载了水基射流激光加工系统，根据不同的加工工件高度调整喷头高度(参见图5)，要求此轴与加工平台保证高垂直精度，整个三轴进给系统安装于水平平台上面，Y轴伺服电机及滑动导轨安装于整个进给系统底部，并用钣金件将这个系统垫高，为工件加工留出空间。
参见图1中的X轴电机导轨105，图1中的Z轴电机导轨104，图4 中的Y轴电机导轨402，在每个电机导轨上都装有光电感应器，给各个轴设置工作原点建立坐标系，电机的进给精度可以达到1μm，使得水射流的运动精度能达到相应水准。
整个运动进给控制系统和水基射流激光加工系统用一个机台支撑，用于装夹工件的夹具立于平台之上，参见图11，此夹具可以装夹圆柱形工件、长方体类工件，在装夹工件时需要手动装夹，在夹具下方使用挖有密排的正方形槽的盛具，此盛具在使用时需盛满水，目的是在加工过程中有高压的水柱遇到障碍物会飞溅，使用水槽减轻这种情况的发生，同时可以吸收激光的能量和沉淀加工残余废料。关于多余液体的处理，在加工平台下使用漏斗(参见图1中的漏斗10)将液体往外排放。
参见图1中的气囊式脉冲阻尼器11，所述脉冲阻尼器安装于高压定量柱塞泵出口连接管管口，它的主要工作元件是一个气囊，它位于钢罐子里面，给气囊加入一定压力的气体，当系统管道的气体或者液体有较大的脉冲压力时，气囊收缩，反之扩张，阻尼器吸收或者释放气液体从而起到缓冲作用。
参见图5-图6，水基射流激光强化加工设备属于微细加工，水射流的直径相当小，因此在设计时，喷嘴部分的结构尺寸非常之小，达到微米级别，圆孔12要求非常高的圆柱度，孔轴与端面的垂直精度，水辅助喷头的机构包括有：镜头窗口505、外支架502、环形底托501、基体支架503、喷嘴支架510、喷嘴底托512、喷嘴压套507、喷嘴支座509、平垫圈506、密封圈511、以及喷嘴508。该机构的喷嘴与平垫圈和喷嘴压套配合，喷嘴压套与喷嘴支座使用螺纹-连接，喷嘴支架与压母同样使用螺纹连接，为了保持整个内部结构的密封性，镜头窗口的上方有着一个平垫圈，窗口镜头与基体支架接触处装有密封圈，喷嘴支架与基体支架之间同样装有密封圈，下方即是从侧面孔进来的微小水室，有一个密封圈防止水泄露，基体支架与喷嘴底托之间有着一个圆筒形状的狭小空间，从液压系统出来的水流通过水射流喷头侧面的入水口进入这个狭小空间，再流入微小的水室流向喷嘴形成水射流。这样的设计方便各个关键零部件的拆装，拥有良好的密封性和抗压性能。
参见图7，激光发生器水平安装于组合座内，使用螺钉将其固定，激光反射镜安置于组合座702的凹槽内，用反射镜压块701固定反射镜，使其轴线与水平呈45°角。这个结构用于产生激光以及将激光束反向从水平反射成竖直方向。
参见图9，聚焦透镜8套于聚焦镜筒901内，固定环903与镜筒螺纹连接，将聚焦透镜8固定在聚焦镜筒901里。聚焦透镜为凸透镜，由于接受的激光功率高，使用硅作为制成材料，直径为20mm，使用功率在60W-300W 范围内，厚度为3mm，其焦距为38.1mm。
参见图10，由于聚焦透镜的焦距是38.1mm，喷嘴508需要与聚焦镜组有一定的距离，连接套筒301起固定和连接作用，用于连接套筒法兰和水射流喷头，且可以实现喷头与聚焦镜距离的调节，保护聚焦透镜，方便拆卸。
参见图11，本发明的装备是进行切割加工，加工的零件可以是圆柱形工件，也可以是块状工件，中间一段呈内陷三角形状，一般用来夹持圆柱形工件，两边是带有圆槽的平面，以增加与加工工件的摩擦力，使之更稳定。参见图11中的传动件1101，夹具的传动件是由螺杆与夹具体连接件组成；参见图11中的连接件1102和图11中的螺杆，连接件固定在螺杆的末端，螺杆穿过基架板，转动螺杆连接件带着夹具体做直线运动；参见图11 中的锁紧螺母1104，在螺杆的转动轮一端有锁紧螺母，在工件装夹定位好之后将传动部件锁紧。参见图12中的套筒1105，传动部件两侧都有一对相向的套筒，与传动件的配合方式为紧配合，套筒内壁与滑轨滑动接触，这种配合方式保证了使用过程中套筒与传动件不脱离。参见图11中的导杆 1106，传动件两端有导杆配合，能够让传动件做平稳的直线运动，使用机米螺丝将导杆固定，防止导杆转动，是传动件与导杆和套筒的配合状态。拧紧左边的锁紧螺母时，左边的夹具体及传动部件固定，此时夹具体的工作面作为夹具的基准面，由于此夹具是轴对称结构，两边夹具体的工作面均可以作为基准面。传动部件嵌套于滑轨上，使用双边滑轨支撑，使得夹具体的运动更加平稳和顺滑，提高夹具体的负载能力。
工作和使用过程：
在加工工作开始前，首先需要有加工零件，夹具在装夹零件时，先将锁紧螺母拧松，通过转动手柄轮转动螺杆，带动夹具传动结构的直线运动，在螺杆的末端与传动件连接，使用卡簧及固定环将传动件锁定在螺杆的末端，固定好加工零件，加工面朝上。接着开启射流泵，在整个加工过程中，水射流由液压系统提供，加工系统为一个激光束和水射流耦合的系统。开启激光发生器预热5分钟，出水口的水压为5MPa，在水射流喷头能够发射出稳定的水射流之后，由于水射流的压力不足以对工件进行切割，所以可以利用水射流的喷射点进行对点，作为加工原点，对点方法与数控铣床对点方法一样，只不过在此时水射流换成了刀头。可以是先X方向、Y方向、 Z方向三个方向分别进给，根据不同的加工工件高度调整喷头高度。运动依靠控制电机转动，通过丝杠实现各个轴的直线运动，利用光电传感器来设置各个电机的工作原点，建立加工坐标系，在对完点之后，给运动控制进给系统导入所需的加工路径，然后在路径程序开始执行的时候，发射激光，激光束由激光发生器产生，激光束从激光发生器水平发射出来，经过反射镜改变为竖直方向，再经过扩束器对激光束进行扩束和准直，透过聚焦透镜将激光束聚焦于喷嘴，液压系统产生的水射流经过管道系统进入喷头，与激光束完成耦合。水射流引导的激光束跟随着进给运动系统，移动加工路径，水射流喷头沿垂直方向移动，开始对工件进行加工。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种水基射流激光强化加工设备，其特征在于，包括进给运动控制系统、液压系统、水基射流激光加工系统、机台和工件夹具，所述机台包括加工平台和机台支架，所述工件夹具设于所述加工平台之上，所述机台用于支撑所述进给控制系统和所述水基射流激光加工系统，所述进给运动控制系统包括X-Y-Z三轴联动进给机构和伺服电机，所述水基射流激光加工系统固定于Z轴导轨滑块上，所述水基射流激光加工系统包括激光发生器、反射镜、激光扩束器、聚焦透镜和水射流喷头，所述水射流喷头包括镜头窗口、外支架、环状底托、基体支架、喷嘴支架、喷嘴底托、压母、喷嘴支座、喷嘴压套和喷嘴，所述喷嘴与所述平垫圈和所述喷嘴压套配合，所述喷嘴压套与所述喷嘴支座使用螺纹连接，所述喷嘴支架与所述压母同样使用螺纹连接，为了保持整个内部结构的密封性，所述镜头窗口的上方有着一个平垫圈，所述镜头窗口与所述基体支架接触处装有密封圈，所述喷嘴支架与所述基体支架之间同样装有密封圈，所述液压系统包括高压定量柱塞泵和脉冲阻尼器。
2.根据权利要求1所述的水基射流激光强化加工设备，其特征在于，所述伺服电机的导轨上设有光电传感器。
3.根据权利要求1所述的水基射流激光强化加工设备，其特征在于，所述工件夹具下方设有密排的正方形槽的液体盛具。
4.根据权利要求1所述的水基射流激光强化加工设备，其特征在于，所述加工平台下设有漏斗。
5.根据权利要求1所述的水基射流激光强化加工设备，其特征在于，所述高压定量柱塞泵安置在所述机台外，所述脉冲阻尼器安装于所述高压定量柱塞泵出口连接管管口。
6.根据权利要求1所述的水基射流激光强化加工设备，其特征在于，所述水射流喷头的侧面设有圆孔。
7.根据权利要求6所述的水基射流激光强化加工设备，其特征在于，所述水射流喷头采用金刚石为组成材料。
8.根据权利要求7所述的水基射流激光强化加工设备，其特征在于，所述水射流喷头孔径为0.2mm，高为2.5mm。
9.根据权利要求1所述的水基射流激光强化加工设备，其特征在于，所述激光发生器的激光波长λ为1.064μm，聚焦透镜的焦距f为38.1mm，激光质量因子M2取1.0，校正因子为1.6，聚光聚焦前直径D为3mm，激光光斑直径d为0.085mm。
10.根据权利要求1所述的水基射流激光强化加工设备，其特征在于，所述工件夹具中间呈内陷三角形状，两边是带有圆槽的平面，以增加与加工工件的摩擦力，使之更稳定，所述工件夹具的传动件是由螺杆与夹具体连接件组成，所述连接件固定在所述螺杆的末端，所述传动件两端有导杆配合，能够让传动件做平稳的直线运动，所述传动件嵌套于滑轨上。
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