CN115265632A - 板料空化微阵列成形过程中断裂瞬态原位检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种板料空化微阵列成形过程中断裂瞬态原位检测方法及装置，夹具和喷嘴均浸没在工作液箱的水中，喷嘴上设有正对下方的光敏传感器，夹具包括夹具基座、模具、掩模和紧固盖板，板料正下方贴合模具，板料正上方贴合掩模，模具上均布上下贯通的阵列凹模孔；高压液流经过喷嘴作用于板料，控制中心开始计时，LED光源发出经阵列凹模孔照射在板料上，随着喷嘴对板料的作用，板料产生裂纹，光经裂纹照射到光敏传感器上，控制中心接收该电信号并处理成图像结果，根据图像灰度值判断出光信号的稳定性，当光信号稳定时，控制中心计时，将两次时间作差得到板料的安全成形时间；本发明检测效率高，通用性强。

Description

板料空化微阵列成形过程中断裂瞬态原位检测方法及装置

技术领域

本发明属于流体空化加工检测技术领域，具体涉及对板料的空化微阵列成形过程中断裂瞬态检测技术。

背景技术

随着现代精密仪器的快速发展，各种微型部件在航空航天、电器、汽车等领域的应用越来越广泛，目前运用空化射流技术来对微型部件进行微阵列成形加工是一种新型且高效的方法。然而，空化是一种极其复杂且剧烈的现象，目前尚未有定量检测加载力的技术。对于空化射流来说，空化程度过高容易引起材料破裂，空化程度过低将大大降低加工效率，并且在实际的空化射流微阵列成形的加工过程中，毛坯、模具以及夹具内部始终处于密封状态，一旦毛坯发生破裂，高压水便会通过裂纹向下渗入，引起板料鼓包形成水垫，此时板料与模具不再贴合，整块板料完全报废，所以能否在微阵列成形加工过程中进行准确及时的检测，获得成形极限前的成形时间，直接决定了生产效率的高低与成形质量的好坏。但目前对空化射流微阵列成形的加工检测仍然没有稳定高效的检测方法。

传的加工检测方法，主要有高速摄像技术、电磁测量技术等。其中高速摄像技术是用高速摄像机拍摄整个加工过程，记录所有加工细节，然而空化射流实际加工时会产生大量气泡云充斥整个加工环境，难以通过拍摄的方式准确检测加工成形过程，更不可能拍摄到具体的微阵列区的破裂区，由于尺度问题，板料微阵列成形区也难以拍摄清晰。电磁测量技术则是通过电磁效应原理对工件进行损伤检测的一系列检测技术，通过材料形变引起的磁场变化进行检测，该检测方式较为复杂且无法区分有效成形形变与材料破裂。而且无论是高速摄像还是电磁测量都没法实现瞬态检测。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有微阵列成形加工检测技术存在的无法满足检测需求和瞬态性的问题，提供一种用于对板料空化微阵列成形过程中断裂瞬态原位检测方法及装置。

为实现上述目的，本发明板料空化微阵列成形过程中断裂瞬态原位检测装置采用了如下的技术方案：包括空化射流发生系统，空化射流发生系统能将储液液箱中的水被泵入喷嘴，喷嘴正下方是夹具，夹具和喷嘴均浸没在工作液箱的水中，喷嘴上设有正对下方的光敏传感器；夹具包括夹具基座、模具、掩模和紧固盖板，夹具基座水平置放在工作液箱底部中间，夹具基座正中间开有垂直盲孔，盲孔顶部是敞口，盲孔底部设置LED光源；LED光源和光敏传感器均经控制线连接控制中心；LED光源正上方固定一个透明隔板，盲孔的顶部置放待加工的板料，板料正下方贴合模具，板料正上方贴合掩模，掩模上表面盖有紧固端盖，紧固端盖与夹具基座固定连接，将板料夹紧在掩模和模具之间；模具上均布上下贯通的阵列凹模孔，掩模正中间开有上下贯通的通孔且该通孔包围在模具上的所有阵列凹模孔之外。

进一步地，储液液箱通过管道连接套筒，套筒的出口连接喷嘴的入口，从储液液箱至套筒之间的管道上依次设有高压泵、电磁换向阀、调压阀和压力表，电磁换向阀的左位与调压阀连接，电磁换向阀的右位通过管道直接连接工作液箱，高压泵、电磁换向阀和调压阀均经控制线连接控制中心。

进一步地，工作液箱顶部侧壁和底部侧壁分别设有一出水孔，在底部侧壁上的出水孔与储液液箱之间的管道上装有电控阀门，电控阀门经控制线连接控制中心。

进一步地，位于透明隔板上方，且在夹具基座的一侧开有出水通道，出水通道通过管路连接到储液液箱内部，在该管路上装有排水泵，排水泵经控制线连接控制中心。

进一步地，套筒连接有能带动套筒和喷嘴在水平和垂直方向移动的移动装置。

本发明板料空化微阵列成形过程中断裂瞬态原位检测装置的检测方法采用了如下的技术方案：

高压液流经过喷嘴作用于板料，控制中心开始计时的时间为T1；

控制中心开启LED光源，LED光源发出的光向上穿过透明隔板，经模具上的阵列凹模孔照射在板料上，板料遮挡住光线；

随着喷嘴对板料的作用，板料产生裂纹，LED光源发出的光经裂纹照射到光敏传感器上，光敏传感器将光信号转换为电信号传输至控制中心；

控制中心接收该电信号并处理成图像结果，根据图像灰度值判断出光信号的稳定性，当光信号稳定时，控制中心计时时间为T2，关闭LED光源；

控制中心将两次时间作差，得到板料的安全成形时间T＝T2-T1。

进一步地，改变模具上阵列凹模孔的结构或改变模具的材料，用于微胀形、微冲压的微成形加工。

本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

(1)本发明利用从喷嘴出口处喷出的高压空化射流来对板料进行微阵列冲击成形，为研究空化成形规律和获得板料微阵列成形时破裂前的最佳工艺安全参数，在板料下方设置LED光源来对成形过程进行实时检测，一旦板料发生破裂，光线便会透过裂纹瞬间传输到上方的光敏传感器上，控制中心便会接收到光信号，同时计算出设定工艺参数下的安全成形时间。通过光信号和电信号作为检测信号，速度快精度高，同时不受噪音、温度、湿度等环境因素的影响，干扰因素少，检测效率高。

(2)本发明所述的空化水射流加工原位检测装置，利用光敏传感器收集空化水射流加工微零件时的光强变化，光速传到光敏电阻传感器，完全可以实现瞬态检测，获得空化微阵列成形极限前的成形时间，有效解决了空化微阵列成形极限时间难以检测的问题，同时实现原位检测加工生产的动态信息获取和研究，为检测并控制整个生产步骤提供了新的便利方法。

(3)本发明所述的空化水射流加工原位检测装置，结构简单，操作方便，制造成本低，拆卸和清洗简便。值得注意的是，该装置可自由改变空化水射流的加工工艺参数，且对于不同形状的微成形加工工艺，该检测方式同样适用，故本发明通用性强，适用面广。

(4)本发明所述的空化水射流加工原位检测装置，通过控制中心集成一体化控制，可以对不同工艺参数下的情况进行原位检测，自动化程度高。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明提出的板料空化微阵列成形过程中断裂瞬态原位检测装置的结构示意图；

图2为图1中的喷嘴结构放大图；

图3为图1中的夹具结构放大图；

图4为板料加工成形示意图；

图5为板料破裂检测示意图；

图6为光敏传感器传送的光信号演变为稳定灰度图。

图中：1.储液液箱；2.高压泵；3.电磁换向阀；4.调压阀；5.压力表；6.套筒；7.喷嘴；8.夹具；9.基座；10.工作液箱；11.XY工作台；12.支架；13.竖直粗调工作台；14.竖直微调工作台；15.桁架；16.电控阀门；17.排水泵；18.控制中心；71.喷嘴主体；72.光敏传感器；73.液位传感器；74.喷孔；81.夹具基座；82.板料；83.模具；84.掩模；85.紧固端盖；86.LED光源；87.透明隔板；88.出水通道。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明保护范围并不限于此。需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，或者是本发明使用时惯常摆放的方位或者位置关系，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。

参见图1所示的本发明板料空化微阵列成形过程中断裂瞬态原位检测装置，其包括空化射流发生系统、夹具8、控制中心18等。空化射流发生系统包括储液液箱1、高压泵2、套筒6、喷嘴7、基座9和工作液箱10，工作液箱10放置在水平的基座9上。储液液箱1和工作液箱10中都储有水，储液液箱1通过管道连接套筒6，管道一端伸入储液液箱1底部，另一端伸连接套筒6的入口，套筒6的出口连接喷嘴7的入口，喷嘴7伸入在工作液箱10内部，整体浸没在工作液箱10的水中。本发明中的套筒6和喷嘴7均上下垂直布置，两者的中心轴共线，上端是入口，下端是出口。工作液箱10在套筒6的正下方。

从储液液箱1至套筒6之间的管道上依次设有高压泵2、电磁换向阀3、调压阀4和压力表5，高压泵2为液流供能，将储液液箱1中液体泵出。电磁换向阀3的左位与调压阀4连接，电磁换向阀3的右位通过管道直接连接工作液箱10，伸在工作液箱10中。

在高压泵2的驱动下，当电磁换向阀3置右位时，储液液箱1中的液体泵入工作液箱10；当电磁换向阀3置左位时，储液液箱1中的液体输送到喷嘴7。调压阀4可调节液体压力，压力表5用于检测液压。高压泵2、电磁换向阀3和调压阀4均经控制线连接控制中心18，控制中心18控制空化射流发生系统工作，将储液液箱1中的水被泵入喷嘴7，由喷嘴7喷出高压水。

工作液箱10顶部侧壁和底部侧壁分别设有一出水孔，分别经对应的管路连接至储液液箱1。顶部侧壁上的出水孔是溢水孔，当工作液箱10中的液位高于溢水孔时，水便自动流入储液液箱1中。在底部侧壁上的出水孔与储液液箱1之间的管道上安装电控阀门16，电控阀门16经控制线连接控制中心18。检测结束后，通过电控阀门16将工作液箱10中的水全部泵入储液液箱1中。

参见图2，喷嘴7具有一个喷嘴主体71，喷嘴主体71的中心开有与套筒6相通的喷孔74，喷孔74由直管段和扩散段组成，直管段在上段，与套筒6直接连接，直管段的内径小于套筒6的内径。扩散段在下段，扩散段从直管段开始向下，其管径逐渐变大，整体为锥形孔。液流从套筒6向下进入喷嘴7中时，在直管段由于截面骤减会在局部产生压降，产生大量空泡，诱导空化现象产生，从扩散段喷出高压空化射流对下方的待加工板料进行冲击成形。

在喷嘴主体71上固定安装光敏传感器72和液位传感器73，光敏传感器72安装于喷嘴主体71底部四周且正对下方。液位传感器73和光敏传感器72分别经信号线连接控制中心18，控制中心18接收光敏传感器72与液位传感器73的信号。

参见图3，喷嘴7的正下方是夹具8，夹具8整体浸没在工作液箱10中的水中。夹具8包括夹具基座81、模具83、掩模84和紧固盖板85，其中，夹具基座81水平置放在工作液箱10底部中间，夹具基座81的正中间开有上下垂直的盲孔，盲孔的底部不贯通，顶部是敞口。在盲孔的底部设置LED光源86，LED光源86发出的光朝向正上方。LED光源86经控制线连接控制中心18，控制LED光源86的打开或关闭。LED光源86的正上方固定一个透明隔板87，用于保护LED光源86。在透明隔板87与盲孔内壁之间设有密封圈，以保证检测光通道的密闭性。在盲孔的顶部置放待加工的板料82，板料82密封住盲孔的顶部敞口。在板料82的正下方是模具83，板料82和模具83上下相贴合，板料82放置在模具83上表面，模具83上表面和夹具基座81上表面平齐，使板料82的边缘与夹具基座81顶面贴合。模具83上均布了上下贯通的阵列凹模孔。在板料82的正上方是掩模84，掩模84和板料82上下相贴合。掩模84正中间开有上下贯通的通孔，掩模84的中间通孔的孔径大小要使掩模84中间通孔包围在模具83上的所有阵列凹模孔之外。掩模84的中间通孔可以限制空化射流的作用区域，减少因空化射流的冲击而造成板料82材料延展与不必要的空蚀现象。

掩模84的上表面盖有紧固端盖85，紧固端盖85通过螺栓与下方的夹具基座81固定连接，将板料82夹紧在掩模84和模具83之间。紧固端盖85的中间开有贯通的通孔，紧紧固端盖85的中间通孔的孔径要大于掩模84的中间通孔的孔径。紧固端盖84同时套在掩模84外，在紧固端盖85和掩模84、夹具基座81接触处之间嵌有密封圈，以保证空化加工部位的密封性。

紧固盖板85、掩模84、模具83、LED光源86的中心轴与夹具基座81的中心轴共线。

位于透明隔板87上方，在夹具基座81的一侧开有出水通道88，出水通道88通过管路连接到储液液箱1内部，在该管路上安装排水泵17，排水泵17经控制线连接控制中心18，控制该排水泵17。

参见图1，套筒6上连接有移动装置，该移动装置以调节套筒6和喷嘴7在两个水平方向和一个垂直方向的位置，能带动套筒6和喷嘴7在水平和垂直方向移动。该移动装置包括XY工作台11、支架12、竖直粗调工作台13、竖直微调工作台14和桁架15，所述的XY工作台11固定在基座9上，位于工作液箱10外部旁侧，XY工作台11可在水平方向上沿XY两个方向来回移动。支架12垂直固定安装在XY工作台11顶部，支架12上端依次连接竖直粗调工作台13和竖直微调工作台14，竖直微调工作台14通过水平的桁架15固定连接套筒6顶部，桁架15夹持着套筒6顶部。

安装夹具8时，首先将LED光源86置于夹具基座81中心盲孔内部底部并用螺钉固定，在LED光源86上方放置一层透明隔板87起到保护LED光源86的作用，透明隔板87四周设置一圈密封圈用以密封，随后将模具83放置在夹具基座81中心盲孔顶部，此时模具83上表面与夹具基座81上表面平齐。将板料82放置在模具83上并将掩模84盖在板料82上表面，最后盖上紧固端盖85并用螺栓锁紧，紧固端盖85周围嵌有密封圈，以保证空化加工部位的密封性。将安装完毕的夹具8放置在工作液箱10底部。

通过调节XY工作台11，使得喷嘴7在水平面来回移动，使喷嘴7的喷口正对着板料82的加工区域。调节竖直粗调工作台13和竖直微调工作台14，以调节桁架15上套筒6的上下垂直距离，使喷嘴7喷口至板料82表面的距离调至所需检测的数值，即射流的靶距。

检测时，使本发明检测装置处于暗室中，控制中心18控制电磁换向阀3置右位，同时启动高压泵2，储液液箱1中的液流在高压泵2驱动下通过管道流入工作液箱10直至淹没喷嘴7，当喷嘴7上的液位传感器73检测到液位，发出信号给控制中心18，高压泵2停止工作，然后控制中心18控制电磁换向阀3置左位，高压泵2工作，驱动储液液箱1内的液体经过套筒6至喷嘴7处，高压液流经过喷嘴7的喷孔74时由于截面骤减，在局部产生压降，诱导空化现象产生，产生的高压射流随大量空泡一起从喷孔74喷出，通过高压射流与空泡溃灭冲击的双重作用来对板料82进行微阵列冲击成形。与此同时，控制中心18开始计时，此时的时间计为T1，并控制LED光源86开启，如图4所示，LED光源86发出的光向上穿过透明隔板87，经模具83上的阵列凹模孔照射在板料82上，此时由于板料82没有裂纹，板料82遮挡住光线，所以，上方的光敏传感器72接受不到光信号。

随着喷嘴7对板料82的加工进行，工作液箱10内的液面不断上升，直到液面上升至工作液箱10顶部侧壁的溢水孔，液流通过溢水孔流回至储液液箱1中。在加工过程中，通过控制中心18控制调压阀4随时改变喷嘴7的入射压力，压力数值通过压力表5检测到。

随着加工的进行，所述空化水射流在对板料82进行冲击成形形成微阵列拉深件时，如果不控制加工时间，板料82会由原来的翻转变形逐渐转变为剪切滑移，最终使板料82产生拉断破裂，破坏所需要加工的微阵列拉深件，此时LED光源86所发射的光线便能通过上方的密闭光线通道，如图5所示，LED光源86发出的光线通过裂纹照射到喷嘴主体71四周的光敏传感器72上，光敏传感器72将所捕捉到的光信号转换为电信号传输至控制中心18。控制中心18接收该信号并通过预设好的程序处理成图像结果，参见图6，图6中是从0ms时光敏传感器72未接收到明显光信号，直至0.3ms开始光敏传感器72接收到LED光源86透过了裂纹发出的光线，并在0.3ms至2.1ms内接收的光信号趋于稳定,根据其灰度值不再变化，判断出光信号稳定。

当光信号稳定时，控制中心18计时，此时的时间计为T2。同时关闭LED光源86和高压泵2，停止喷嘴7工作。然后打开电控阀门16和排水泵17，将工作液箱10内的液体由底部侧壁的出水孔排回到储液液箱1内，而通过板料82上的裂缝流入夹具基座81内部的液体在排水泵17驱动下通过出水通道88流回储液液箱1内。排水完毕后，关闭电控阀门16和排水泵17，检测装置回归原位。

控制中心18将两次时间作差，得到板料82的安全成形时间T＝T2-T1。

本发明中的模具83上的阵列凹模孔特征为通孔，以实现透光，因此本发明检测装置适用于微拉深工艺，通过改变模具83上阵列凹模孔的结构或改变模具83的材料，本发明检测方法可应用到微胀形、微冲压等其他微成形加工工艺。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种板料空化微阵列成形过程中断裂瞬态原位检测装置，包括空化射流发生系统，空化射流发生系统能将储液液箱(1)中的水被泵入喷嘴(7)，其特征是：喷嘴(7)正下方是夹具(8)，夹具(8)和喷嘴(7)均浸没在工作液箱(10)的水中，喷嘴(7)上设有正对下方的光敏传感器(72)；夹具(8)包括夹具基座(81)、模具(83)、掩模(84)和紧固盖板(85)，夹具基座(81)水平置放在工作液箱(10)底部中间，夹具基座(81)正中间开有垂直盲孔，盲孔顶部是敞口，盲孔底部设置LED光源(86)；LED光源(86)和光敏传感器(72)均经控制线连接控制中心(18)；LED光源(86)正上方固定一个透明隔板(87)，盲孔的顶部置放待加工的板料(82)，板料(82)正下方贴合模具(83)，板料(82)正上方贴合掩模(84)，掩模(84)上表面盖有紧固端盖(85)，紧固端盖(850与夹具基座(81)固定连接，将板料(82)夹紧在掩模(84)和模具(83)之间；模具(83)上均布上下贯通的阵列凹模孔，掩模(84)正中间开有上下贯通的通孔且该通孔包围在模具(83)上的所有阵列凹模孔之外。

2.根据权利要求1所述的板料空化微阵列成形过程中断裂瞬态原位检测装置，其特征是：紧固端盖(85)的中间开有贯通的通孔，该通孔的孔径大于掩模(84)的正中间通孔的孔径。

3.根据权利要求1所述的板料空化微阵列成形过程中断裂瞬态原位检测装置，其特征是：紧固盖板(85)、掩模(84)、模具(83)、LED光源(86)的中心轴与夹具基座(81)的中心轴共线。

4.根据权利要求1所述的板料空化微阵列成形过程中断裂瞬态原位检测装置，其特征是：储液液箱(1)通过管道连接套筒(6)，套筒(6)的出口连接喷嘴(7)的入口，从储液液箱(1)至套筒(6)之间的管道上依次设有高压泵(2)、电磁换向阀(3)、调压阀(4)和压力表(5)，电磁换向阀(3)的左位与调压阀(4)连接，电磁换向阀(3)的右位通过管道直接连接工作液箱(10)，高压泵(2)、电磁换向阀(3)和调压阀(4)均经控制线连接控制中心(18)。

5.根据权利要求1所述的板料空化微阵列成形过程中断裂瞬态原位检测装置，其特征是：工作液箱(10)顶部侧壁和底部侧壁分别设有一出水孔，在底部侧壁上的出水孔与储液液箱(1)之间的管道上装有电控阀门(16)，电控阀门16经控制线连接控制中心(18)。

6.根据权利要求1所述的板料空化微阵列成形过程中断裂瞬态原位检测装置，其特征是：位于透明隔板(87)上方，且在夹具基座(81)的一侧开有出水通道(88)，出水通道(88)通过管路连接到储液液箱(1)内部，在该管路上装有排水泵(17)，排水泵(17)经控制线连接控制中心(18)。

7.根据权利要求1所述的板料空化微阵列成形过程中断裂瞬态原位检测装置，其特征是：套筒(6)上连接有能带动套筒(6)和喷嘴(7)在水平和垂直方向移动的移动装置。

8.根据权利要求7所述的板料空化微阵列成形过程中断裂瞬态原位检测装置，其特征是：所述的移动装置包括XY工作台(11)、支架(12)、竖直粗调工作台(13)、竖直微调工作台(14)和桁架(15)，XY工作台(11)能沿水平两个方向来回移动，支架(12)垂直固定连接XY工作台(11)顶部，支架(12)上端依次连接竖直粗调工作台(13)和竖直微调工作台(14)，竖直微调工作台(14)通过水平的桁架(15)固定连接套筒(6)顶部。

9.一种如权利要求1所述的检测装置的检测方法，其特征是包括：

高压液流经过喷嘴(7)作用于板料(82)，控制中心(18)开始计时的时间为T1；

控制中心(18)开启LED光源(86)，LED光源(86)发出的光向上穿过透明隔板(87)，经模具(83)上的阵列凹模孔照射在板料(82)上，板料(82)遮挡住光线；

随着喷嘴(7)对板料(82)的作用，板料(82)产生裂纹，LED光源(86)发出的光经裂纹照射到光敏传感器(72)上，光敏传感器(72)将光信号转换为电信号传输至控制中心(18)；

控制中心(18)接收该电信号并处理成图像结果，根据图像灰度值判断出光信号的稳定性，当光信号稳定时，控制中心(18)计时时间为T2，关闭LED光源(86)；

控制中心(18)将两次时间作差，得到板料(82)的安全成形时间T＝T2-T1。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征是：改变模具(83)上阵列凹模孔的结构或改变模具(83)的材料，用于微胀形、微冲压的微成形加工。

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