夹具内精准喷射均匀水约束层的激光冲击装置

1.本发明涉及一种夹具内精准喷射均匀水约束层的激光冲击装置，属于激光冲击波表面强化技术领域。


背景技术：

2.自激光诞生以来，短短数十年已在全球范围内广泛应用。作为有望替代传统机械喷丸的研究热点，激光冲击强化的原理是将高能量激光束透过约束层作用于工件表面的吸收层，使之在靠近约束层一侧吸收层形成等离子体；在约束层的约束下，对待加工工件表产生高强度的冲击波压力，峰值压力达gpa级，在工件表层形成细小的晶粒组织，且使表面形成残余压应力，以达到细晶强化，减少疲劳裂纹的效果。目前实验中常用的能量吸收层主要是黑胶带、铝箔纸，而约束层常用去离子蒸馏水、玻璃。
3.研究发现，刚性约束层的冲击效果明显好于柔性约束，但刚性约束层在激光的作用下，在其内部形成一定的残余应力；当残余应力大于刚性约束层的抗拉强度时，玻璃会破裂，需要经常性的及时更换，影响实验效率，且使成本增加。除此之外，若待加工工件表面高低不平，刚性约束层与工件贴合不紧密，也会影响冲击的效果，因此多采用柔性蒸馏水作为约束层。实验中发现：1)原喷射水约束层装置水喷头垂直于工件表面且与激光照射同方向喷射水柱，冲击过程中调节喷头位置未优化，导致水约束层薄厚不均、与激光束产生干涉、某些时刻待加工工件表面无水约束层，造成吸收层烧蚀或冲击效果不佳的现象；2)激光冲击强化是单点逐个进行，而加工区域水约束层大面积覆盖，造成了不必要的水资源浪费，增加了加工成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种夹具内精准喷射均匀水约束层的激光冲击装置。
5.本发明的目的通过以下技术方案来实现：
6.夹具内精准喷射均匀水约束层的激光冲击装置，特点是：激光器的一侧布置工业机器人，工业机器人上安装夹具，可驱动夹具上的工件朝向激光器的光路，夹具下方设有蒸馏水收集水箱，蒸馏水收集水箱经蒸馏过滤器与蒸馏水箱连通，水泵的进水口连通至蒸馏水箱，出水口连通至电磁多路控制阀的进口；
7.所述夹具包含与法兰座连接的底座以及与底座固定的载座，载座上设有用于定位工件的纳置槽，纳置槽旁的载座的前后立板上安装有盖体，柱状腔体旋转自如地支撑于前后盖体上，柱状腔体内沿径向设有多个隔板将内腔分隔为多个进水道，柱状腔体上连接有与对应进水道连通的进水接头，柱状腔体上设有水帘喷嘴组件，水帘喷嘴组件上分布有多个喷水口，喷水口分别与对应进水道连通，一喷水口经一进水道与一进水接头形成一喷水通路，多个进水接头均连通至电磁多路控制阀的出口；电机与柱状腔体驱动连接，可驱动其转动。
8.进一步地，上述的夹具内精准喷射均匀水约束层的激光冲击装置，其中，帘状喷嘴组件上均匀间隔分布有九个25
×
15mm的矩形喷水口。
9.进一步地，上述的夹具内精准喷射均匀水约束层的激光冲击装置，其中，工件的外侧配置一夹紧片，锁紧螺栓穿过夹紧片旋接于载座上，调节锁紧螺栓将夹紧片压向工件，使工件锁紧于纳置槽中。
10.进一步地，上述的夹具内精准喷射均匀水约束层的激光冲击装置，其中，水帘喷嘴组件与柱状腔体焊接为一体，柱状腔体的轴向与工件相平行。
11.进一步地，上述的夹具内精准喷射均匀水约束层的激光冲击装置，其中，控制系统与激光器、工业机器人、水泵、电磁多路控制阀及电机控制连接。
12.进一步地，上述的夹具内精准喷射均匀水约束层的激光冲击装置，其中，所述电机通过紧固圈固定于法兰座上。
13.进一步地，上述的夹具内精准喷射均匀水约束层的激光冲击装置，其中，所述电机的主轴通过轴用联轴器与柱状腔体驱动连接。
14.本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
15.①
本发明是集工件夹紧与精准喷射稳定均匀水约束层为一体的装置，水束精准随光斑而动、可调节喷射水约束层厚度和角度，改善激光冲击强化水约束层的成型，实现精准喷射、节约水源，通过改良约束层的角度来改善激光冲击效果，有效地实现节水加工，冲击处理后，工件表层晶粒细化，残余应力分布均匀，且无应力空洞的现象；
16.②
将水约束层系统集成于夹具内，充分利用夹具空间，减少激光冲击系统的繁杂性，且在激光冲击过程中，避免因水约束层薄厚不均匀、与激光束产生干涉、某些时刻待加工工件表面无水约束层，而造成吸收层烧蚀或冲击效果不佳等问题，提高了表面强化的效果；
17.③
随光斑相对工件的位置移动，精准喷射水约束层，实现最大化节约水资源，降低成本；
18.④
可调节水约束层与工件夹角及约束层厚度，电机带动柱状腔体与水帘喷嘴组件转动，使约束层与工件的夹角范围在35
°
～60
°
；通过调节水泵的流量、压力等参数，在与工件激流冲击力不同的情况下，间接形成不同厚度水约束层，保证了冲击强化质量的均匀性和稳定性；
19.⑤
夹具夹紧定位可靠，重复定位精度高，定位装夹过程中，锁紧螺栓穿过夹紧片旋接于载座上，调节锁紧螺栓将夹紧片压向工件，使工件锁紧于纳置槽中，相比于夹紧片两侧四个螺钉装夹，大大缩短工件装夹时间，效率提高一倍以上，提高了板件激光冲击强化的质量和生产效率；
20.⑥
水约束层作用于工件表面，最大限度的防止夹具与水接触，杜绝了夹具在水中浸泡而生锈。
21.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
23.图1：本发明装置的结构示意图；
24.图2：夹具的轴测示意图；
25.图3：夹具的主视示意图；
26.图4：夹具的侧视示意图；
27.图5：柱状腔体的轴测示意图；
28.图6：柱状腔体的主视示意图；
29.图7：图6的b-b剖视示意图。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
31.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.如图1～4所示，夹具内精准喷射均匀水约束层的激光冲击装置，激光器22的一侧布置工业机器人19，工业机器人19上安装夹具，可驱动夹具上的工件朝向激光器22的光路，夹具下方设有蒸馏水收集水箱23，蒸馏水收集水箱23经蒸馏过滤器24与蒸馏水箱17连通，水泵18的进水口连通至蒸馏水箱17，出水口连通至电磁多路控制阀20的进口；
33.夹具包含与法兰座15连接的底座1以及与底座1固定的载座11，由四只螺钉2将底座1固定于法兰座15上，法兰座15与工业机器人19连接；载座11上设有用于定位工件6的纳置槽，工件6的外侧配置一夹紧片4，锁紧螺栓3穿过夹紧片4旋接于载座11上，调节锁紧螺栓3将夹紧片4压向工件6，使工件6锁紧于纳置槽中；纳置槽旁的载座的前后立板上安装有盖体12，盖体12具有中心圆孔，柱状腔体8的旋转轴旋转支撑于圆孔中，柱状腔体8旋转自如地支撑于前后盖体上，柱状腔体8内沿径向设有多个隔板将内腔分隔为多个进水道，如图5～7，柱状腔体8上连接有与对应进水道连通的进水接头9，柱状腔体8上设有水帘喷嘴组件7，水帘喷嘴组件7与柱状腔体8焊接为一体，柱状腔体8的轴向与工件6相平行，水帘喷嘴组件7上均匀间隔分布有九个25
×
15mm的矩形喷水口，喷水口分别与对应进水道连通，一喷水口经一进水道与一进水接头形成一喷水通路，多个进水接头9均通过水管10连通至电磁多路控制阀20的出口；电机14通过紧固圈16固定于法兰座15上，紧固圈16形似抱箍式结构，由螺母5锁紧，电机14的主轴通过轴用联轴器13与柱状腔体8驱动连接，可驱动其转动。
34.为防止生锈，夹紧片4、法兰盘15、载座11、底座1、柱状腔体8、水帘喷嘴组件7均为316l不锈钢材质，水管10为高分子聚合物pb软管，工件材质为40crmo钢、ti6al4v合金，螺钉螺母材质为304不锈钢。
35.控制系统21与激光器22、工业机器人19、水泵18、电磁多路控制阀20及电机14控制连接，形成集成控制。
36.电机14驱动柱状腔体8以及水帘喷嘴组件7进行小角度旋转，柱状腔体8和水帘喷嘴组件7在电机的驱动下，调整最优喷射角度；调节水帘喷嘴组件与工件6的夹角小，作用于工件的冲力小，形成水层厚度略小于出水口的宽度；夹角大，冲击力大，形成工件表面激流，因此工件上形成厚度小，调节夹角范围可为35
°
～60
°
之间，接触工件表面形成一定流速的均匀水层。
37.水帘喷嘴组件7上分布9个矩形喷水口，为避免矩形喷口间隙喷射盲区，矩形喷孔为凸台，倾斜角3～5
°
，在可调节角度范围内，可稳定形成均匀水约束层厚度为5～12mm。
38.工业机器人19根据既定编程运行，根据移动坐标的位置反馈给控制系统21，进而通过电磁多路控制阀20控制水帘喷嘴组件7中相应的矩形喷水口喷射约束层；激光器光斑照射点相对不动，工业机器人19夹持夹具运动，当光斑对应水帘喷嘴组件7的第一矩形出水口时，工业机器人19的移动位置信息反馈给控制系统21，控制系统21控制电磁多路控制阀20的相应管路开启供水；当光斑接近于水帘喷嘴组件7的第二矩形出水口时，控制系统21控制电磁多路控制阀20将上一喷水口关闭，并开启下一出水口，以此类推，进而始终保持水束可喷射到光斑所在位置，实现节水、精准喷射水约束层的效果。
39.调节水帘喷嘴组件7的角度，调整水泵18的流量、压力等，以实现预期的喷射效果。第一矩形喷水口形成稳定水约束层后，启动激光器22，调整激光冲击参数，按照既定程序轨迹开始激光冲击，随着机器人19的移动，控制系统21控制电磁多路控制阀20，控制水帘喷嘴组件7相应位置矩形喷水口的启闭，进而实现冲击光斑位置始终有均匀水约束层。加工后的蒸馏水收集于蒸馏水收集水箱23，并通过蒸馏过滤器24过滤后流入蒸馏水箱17，实现其循环利用。
40.实施例：
41.约束层改良后的激光冲击强化ti6al4v合金材料；
42.预处理：10mm
×
8mm
×
5mm的ti6al4v合金工件经打磨，丙酮酸清洗；干燥炉干燥后将待冲击强化一面贴上黑色耐高温聚酯胶带，再被放入夹具；
43.调节水泵参数：控制系统控制启动水约束层喷射系统，并通过其调节水泵的流量为50l/min、压力为15mpa；
44.调节水帘喷嘴组件角度：电机旋转，带动柱状腔体与水帘喷嘴组件旋转，选择合适的喷射角度；
45.激光器设置：调整激光器的功率参数，激光波长1024nm，激光能量8j，脉冲频率1.5hz，方形光斑横纵向搭接率40％，冲击次数1次，激光器开始运行；
46.工业机器人运行：开启激光器同时，工业机器人按照既定规划路线程序运行；根据工业机器人的运行位置，控制系统控制电磁多路控制阀相应出水口的启闭，整个过程中，精准喷射到冲击光斑区域，设置的扫描区域为50
×
50mm的方形区域；
47.冲击完毕，关闭激光器、喷射、工业机器人，取下加工工件，操作完成。
48.综上所述，本发明是集工件夹紧与精准喷射稳定均匀水约束层为一体的装置，水束精准随光斑而动、可调节喷射水约束层厚度和角度，改善激光冲击强化水约束层的成型，实现精准喷射、节约水源，通过改良约束层的角度来改善激光冲击效果，有效地实现节水加工，冲击处理后，工件表层晶粒细化，残余应力分布均匀，且无应力空洞的现象，降低成本。
49.将水约束层系统集成于夹具内，充分利用夹具空间，减少激光冲击系统的繁杂性，且在激光冲击过程中，避免因水约束层薄厚不均匀、与激光束产生干涉、某些时刻待加工工件表面无水约束层，而造成吸收层烧蚀或冲击效果不佳等问题，提高了表面强化的效果。
50.随光斑相对工件的位置移动，精准喷射水约束层，实现最大化节约水资源，降低成本。
51.夹具夹紧定位可靠，重复定位精度高，定位装夹过程中，锁紧螺栓穿过夹紧片旋接于载座上，调节锁紧螺栓将夹紧片压向工件，使工件锁紧于纳置槽中，相比于夹紧片两侧四个螺钉装夹，大大缩短工件装夹时间，效率提高一倍以上，提高了板件激光冲击强化的质量和生产效率。
52.可调节水约束层与工件夹角及约束层厚度，电机带动柱状腔体与水帘喷嘴组件转动，使约束层与工件的夹角范围在35
°
～60
°
；通过调节水泵的流量、压力等参数，在与工件激流冲击力不同的情况下，间接形成不同厚度水约束层，保证了冲击强化质量的均匀性和稳定性。
53.水约束层作用于工件表面，最大限度的防止夹具与水接触，避免了夹具在水中浸泡而生锈。
54.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。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
55.上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
56.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。