一种激光诱导空化强化齿轮齿面的装置及方法与流程

本发明属于齿轮齿面强化处理技术，特指一种激光诱导空化强化齿轮齿面的装置及方法。

背景技术：

当激光作用于液体中，若激光能量达到液体介质的击穿阈值，液体会被击穿产生等离子腔体，等离子腔体继续吸收激光能量，便会加速膨胀形成空泡。当空泡在固液交界面附近运动时，由于空泡两侧压力差，空泡会产生“趋壁”效应，在空泡脉动溃灭过程伴随着冲击波和水射流作用，对材料表面形成力学作用。

齿轮作为传动装置上的一个重要的零部件，其使用的范围非常广泛，常见的损坏原因有齿面磨损、齿面胶合和疲劳点蚀，齿轮的寿命就会降低。目前齿轮修复的成本高且修复时间长，因此很有必要对齿轮齿面进行强化处理，提高齿轮的耐磨性和疲劳寿命。

技术实现要素：

本发明提出了一种激光诱导空化强化齿轮齿面的装置及方法，对齿轮的齿面进行无死角强化处理，提高了齿轮的耐磨性和疲劳寿命，也提高了齿轮加工的效率。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种激光诱导空化强化齿轮齿面的装置，包括激光发生系统和齿轮加工系统，所述齿轮加工系统包括水槽，所述水槽壁面安装电动回转平台，所述电动回转平台上固定安装圆盘，所述电动回转平台用来带动圆盘呈一定角度旋转，所述圆盘上固定若干个伺服电机，每个所述伺服电机的驱动轴上安装有齿轮，所述伺服电机用来带动齿轮旋转。

优选的，所述电动回转平台和所述伺服电机均与控制驱动器连接。

优选的，所述激光发生系统包括多关节导光臂，yag激光器，激光控制器和计算机，所述yag激光器发出的激光束通过双焦点镜片分光后在位于水槽内的齿轮齿面上方聚焦后诱导产生双空泡。

优选的，所述水槽上安装有输水管，输水管与水箱里的液体泵连接。

优选的，所述液体泵、所述控制驱动器和所述激光控制器均与计算机连接

本发明还提供一种激光诱导空化强化齿轮齿面的方法，包含以下步骤：

1）预处理齿轮工件：用无水乙醇清洗齿轮齿面，去除表面油污；2）齿轮工件的安装：齿轮和驱动轴靠平键连接，每根驱动轴上分别安装一个齿轮；3）向水槽中注入水溶液至水面超过全部齿轮上表面；4）调节多关节导光臂，使多关节导光臂的加工头位于齿面的正上方，开启激光器，导光臂击穿等离子水产生双空泡对齿轮的一个齿面进行空化强化，导光臂的加工头沿着齿面移动，一个齿面强化完成后，计算机控制伺服电机驱动齿轮旋转一定的角度，对该齿轮的下一个齿面进行强化，等到该齿轮齿面全部加工完成后，回转平台旋转相应的角度，使下一个待加工的齿轮旋转到合适的工位，循环动作后，全部齿轮的齿面全部完成空化强化；5）关闭所有装置，将经过强化的齿轮取下，用无水乙醇将齿面清洗干净。

本发明的具体优点如下：（1）通过对多关节导光臂改进，使多关节导光臂生成双空泡对齿面无死角加工，提高了齿轮齿面空化强化效率。（2）通过控制多关节导光臂和齿轮加工装置，改变激光诱导空泡泡心到齿轮齿面的距离，合理的将空泡溃灭时所产生的微射流用来对齿轮齿面进行强化处理，有效的提高齿面的残余压应力，进而提高齿轮的耐磨性和使用寿命。（3）通过电动回转平台控制圆盘的转动角度，能够实现一次性安装多个齿轮，在一个加工周期内对多个齿轮的激光进行加工强化。

附图说明

图1为激光诱导空化强化齿轮齿面的装置的示意图。

图2为齿轮加工系统的示意图。

图3为多关节导光臂加工头的示意图。

图中：1-多关节导光臂；2-激光束；3-yag激光器；4-激光控制器；5-计算机；6-控制驱动器；7-电动回转平台；8-伺服电机；9-水槽；10-输水管；11-水箱；12-液体泵；13-驱动轴；14-空泡；15-轴承；16-双焦点镜片；17-支座；18-圆盘；19-齿轮。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行更详细的说明。

如图1和图2所示，本发明的一种激光诱导空化强化齿轮齿面的装置，包括激光发生系统和齿轮加工系统，所述齿轮加工系统包括水槽9，所述水槽9壁面安装电动回转平台7，所述电动回转平台7和控制驱动器6连接，所述电动回转平台7用来带动圆盘18旋转，所述电动回转平台7上固定三个伺服电机8，所述的三个伺服电机8和控制驱动器6连接，所述的三个伺服电机8的驱动轴13分别和齿轮19装配，所述的三个伺服电机8用来带动齿轮19旋转。所述激光发生系统包括多关节导光臂1，yag激光器3，激光控制器4和计算机5，所述yag激光器3发出的激光束2通过双焦点镜片16分光后在齿轮19齿面上聚焦后诱导产生双空泡14，输水管10，水箱11和液体泵12用来调节水槽9内的液面高度。为了对齿面进行无死角加工，多关节导光臂1、电动回转平台7和伺服电机8均由计算机5控制。

如图3所示，多关节导光臂1可以通过计算机5控制，完成特定的运动轨迹，该导光臂的加工头安装有双焦点镜片16，一束激光经双焦点镜片16分光在水中产生两个空泡14。

具体实施例：三个齿轮齿面用无水乙醇洗净后，分别将三个齿轮上的键槽对准驱动轴上已安装的平键，套在驱动轴13上；打开液体泵向水槽9中注水至液面高处全部齿轮上表面；调节多关节导光臂，使多关节导光臂的加工头位于齿面的正上方，设置激光参数，开启激光器，导光臂击穿等离子水产生双空泡对齿轮的一个齿面进行空化强化，导光臂加工头根据预先编程的轨迹沿着齿面做进给运动，一个齿面强化完成后，计算机控制伺服电机驱动齿轮旋转一定的角度，对该齿轮的下一个齿面进行强化，等到该齿轮齿面全部加工完成后，回转平台旋转相应的角度，使下一个待加工的齿轮旋转到合适的工位，循环动作后，三个齿轮的齿面全部完成空化强化；加工结束后，关闭所有电源，将经过强化的齿轮取下，用无水乙醇将齿面清洗干净。

对多关节导光臂进行改进后，多关节导光臂加工头能够产生两个焦点，齿轮的加工周期缩短为传统加工方法的二分之一，极大缩短了加工周期，提高了加工效率。对激光诱导空化强化齿轮齿面进行表面残余压应力检测，发现齿轮齿面均有残余压应力，效果较好，齿轮的耐磨性和疲劳寿命相应提高。

技术特征：

技术总结
本发明涉及激光空化强化和材料表面强化领域，具体是指一种激光诱导空化强化齿轮齿面的装置及方法，包括激光发生系统和齿轮加工系统，所述齿轮加工系统包括水槽，所述水槽壁面安装电动回转平台，所述电动回转平台上固定安装圆盘，所述电动回转平台用来带动圆盘呈一定角度旋转，所述圆盘上固定若干个伺服电机，每个所述伺服电机的驱动轴上安装有齿轮，所述伺服电机用来带动齿轮旋转。本发明通过控制多关节导光臂和齿轮加工装置，改变激光诱导空泡泡心到齿轮齿面的距离，合理的将空泡溃灭时所产生的微射流用来对齿轮齿面进行强化处理，有效的提高齿面的残余压应力，进而提高齿轮的耐磨性和使用寿命。

技术研发人员：任旭东;卢主笔;张洪峰;顾嘉阳;张鹏华;吴轲;罗春晖;唐金科;栾小康
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2019.05.30
技术公布日：2019.08.20