一种水下激光空化强化轴套的装置及其强化方法
【专利摘要】本发明涉及激光空化强化和材料表面强化领域，是利用激光诱导空泡空化对轴套内壁进行表面强化的一种装置和方法。创新之处在于首次将激光空化强化技术运用到工件内表面的加工上，并对激光加工装置进行了优化，缩短加工周期，提高加工效率。通过控制激光诱导空泡泡心到轴套内壁的距离，合理的将空泡溃灭时所产生的微射流用来对轴套内表面进行强化处理，有效的提高内壁的表面残余压应力，进而提高轴套工件的耐磨性和使用寿命。
【专利说明】
一种水下激光空化强化轴套的装置及其强化方法
技术领域
[0001] 本发明属于轴套表面强化处理技术，特指一种水下激光空化强化轴套的装置及方 法。
【背景技术】
[0002] 轴套作为转轴上的一个重要零部件，其使用的范围非常广泛。最常见的损坏原因 是因为在长期的工作过程中，由于受到挤压以及与转轴之间的摩擦，导致轴套出现磨损、塑 性形变，使用寿命变短。但是轴套的价值较大，目前的修复方法成本较高，因此很有必要对 轴套的表面进行强化处理，提高轴套的耐磨性和疲劳寿命。
[0003] 激光空化强化是利用空泡溃灭的时候所产生的微射流进行表面强化，是一种新型 的表面强化技术。与传统的喷丸处理方法相比较具有效率更高，无污染等优点。已有研究表 明，当激光诱导空泡泡心到靶材的距离与空泡的最大半径的比值在一定的范围内的时候空 泡溃灭将不会产生空蚀现象，相反溃灭产生的微射流和冲击波反而能够对材料表面起到强 化作用。利用微射流对材料表面的强化处理原理与喷丸处理类似，但是研究发现在相同的 加工条件下，通过空化强化的材料的疲劳寿命明显比通过一般喷丸处理的材料长。
【发明内容】
[0004] 本发明提出了一种水下激光空化强化轴套表面的装置与方法，对轴套的内壁进行 表面强化处理，提高内表面的残余压应力，减少加工的能耗。
[0005] 为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种水下激光空化强化轴套的 装置，包括激光发生系统和工件加工系统，所述工件加工系统包括加工池，所述加工池内设 有基座和工作台，所述基座内设有二维导轨，所述工作台在二维导轨的作用下整体调节定 位;所述工作台下端设有第一升降台，所述第一升降台用来带动所述工作台整体上下运动， 所述工作台上端台面上设有第二升降台，所述第二升降台侧面安装有传动箱，所述传动箱 上方依次安装有三爪卡盘手柄和三爪卡盘，所述第二升降台用来带动所述传动箱、所述三 爪卡盘手柄和所述三爪卡盘整体上下运动。
[0006] 上述方案中，所述第一升降台、所述工作台、所述第二升降台和所述传动箱均与控 制器连接。
[0007] 上述方案中，还包括蓄水池、第一电栗和第二电栗，所述第一电栗与加工池的出水 口以及蓄水池相连;所述第二电栗与加工池的进水口以及蓄水池相连。
[0008] 上述方案中，所述激光发生系统依次由高功率脉冲激光发生装置、扩束装置、全反 镜和激光加工头连接而成。
[0009]上述方案中，所述高功率脉冲激光发生装置、所述第一电栗和所述第二电栗均与 计算机连接。
[0010]上述方案中，所述激光加工头由锥透镜、凸透镜、窗口镜、窗口镜和反射镜组成;所 述激光加工头是一个长方体装置，四个侧面均有一个与窗口镜等高的窗口镜，所述窗口镜 材料为K9玻璃，表面贴有一层增透膜;所述的反射镜是一个四棱锥，四个反射面与底面夹角 为玉。 2
[0011] 本发明还提供了一种水下激光空化强化轴套的方法，包含以下步骤:A.预处理轴 套工件：用无水乙醇清洗轴套工件表面，去除表面油污;B.轴套工件的定位夹紧：用三爪卡 盘将预处理过的工件夹紧，使工件在加工过程中不出现松动;C.通过调节工作台使激光加 工头位于轴套工件的正上方，调节第二升降台使传动箱位于第二升降台的最低端，调节第 一升降台使激光聚焦点所在平面与工件的上边缘所在平面重合;D.向加工池中注入水溶液 至水面超过轴套工件上表面;E.打开高功率脉冲激光发生装置，通过计算机调节入射激光 的参数，诱导产生空泡，同时控制传动箱和第二升降台，使整个工件螺旋式上升、下降对轴 套进行空化强化;F.关闭所有装置，将经过处理的轴套工件取下，用无水乙醇将内壁清洗干 净。
[0012] 上述方案中，向加工池中注入水溶液超出轴套工件上表面的高度为1.5倍轴套工 件的高度。
[0013] 上述方案中，第二升降台上轴套工件的上升速度为（I为轴套工件的内径），传动箱 控制转速为280~320mm/min，上升一个轴套工件高度后，第二升降台上轴套工件开始下降， 下降速度为(I为轴套工件的内径），每次改变竖直加工方向之前，工件保持高度不变顺时针 旋转（I为工件的内径，单位为毫米），然后继续加工如此循环直至完成整个轴套内壁的加 工。
[0014]上述方案中，高功率脉冲激光发生装置的激光参数:激光波长1064nm，激光能量 200mJ，光斑直径5mm，脉冲宽度8ns，频率10ΗΖ。
[0015]本发明方法的优点：1.经过空化强化处理后，轴套内壁产生残余压应力，疲劳寿命 明显得到延长，改善了轴套的耐磨性。2.与一般的喷丸处理相比强化效果更加明显，加工过 程更加环保没有污染。3.通过对激光加工头的改进，从而实现四个激光聚焦点同时加工，缩 短加工周期，极大地提高了生产效率。
【附图说明】
[0016]图1本发明装置的结构原理图。
[0017]图2本发明的激光加工头原理图。
[0018] 图中，1.计算机，2.高功率激光脉冲发生装置，3 .扩束装置，6.入射激光，7 .全反 镜，8.激光加工头，81.锥透镜，82.入射激光，83.凸透镜，84.窗口镜，85.反射镜，9.控制器， 10.基座，11.升降台，12.工作台，13.竖直工作台，14.传动箱，15.三爪卡盘，16.三爪卡盘手 柄，17.轴套工件，18.出水口，19.第一电栗，20.蓄水池，21.第二电栗，22.进水口，23.加工 池。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行更详细的说明。
[0020] 如图1所示，本发明的一种水下激光空化强化轴套的装置，包括激光发生系统和工 件加工系统，所述激光发生系统依次由高功率脉冲激光发生装置2、扩束装置3、全反镜7和 激光加工头8连接而成。所述工件加工系统包括加工池23,所述加工池23内设有基座10和工 作台12,所述基座10内设有二维导轨，所述工作台12在二维导轨的作用下整体调节定位;所 述工作台12下端设有第一升降台11，所述第一升降台11用来带动所述工作台12整体上下运 动，所述工作台12上端台面上设有第二升降台13,所述第二升降台13侧面安装有传动箱14， 所述传动箱14上方依次安装有三爪卡盘手柄16和三爪卡盘15,所述第二升降台13用来带动 所述传动箱14、所述三爪卡盘手柄16和所述三爪卡盘15整体上下运动。所述第一升降台11、 所述工作台12、所述第二升降台13和所述传动箱14均与控制器9连接。此外，本发明实施例 中还包括蓄水池20、第一电栗19和第二电栗21，所述第一电栗19与加工池23的出水口 18以 及蓄水池20相连;所述第二电栗21与加工池23的进水口 22以及蓄水池20相连。为了提高自 动化控制水平，所述高功率脉冲激光发生装置2、所述第一电栗19和所述第二电栗21均与计 算机1连接。
[0021] 如图2所示，本发明实施例的激光加工头8是一个长方体装置，该装置位于液面下 方，长方体内部依次由锥透镜81、凸透镜83和反射镜85组成;长方体的四个侧面均开有一个 等高的窗口镜86，所述窗口镜材料为K9玻璃，表面贴有一层增透膜;所述的反射镜85是一个 四棱锥，四个反射面与底面夹角为入射激光82首先经过锥透镜81消除激光干涉影响，然 后通过凸透镜83进行聚焦，最后再通过反射镜85进行反射从而透过窗口镜84在水中产生四 个聚焦点。
[0022] 具体实施例：轴套工件7材料为铁，内径cp=30mm，外径Φ =40mm，高度H=60mm，用 无水乙醇将轴套工件7内表面清洗干净后固定在三爪卡盘上，拧紧三爪卡盘手柄保证工件 在加工工程中不出现松动。通过控制器调节使传动箱位于第二升降台的低端，然后调节升 降台和工作台，使得轴套工件的内壁上边缘与激光的聚焦点间距1.5mm，打开水栗19向加工 池中注水至液面高出工件上边缘90mm。打开高功率脉冲激光发生装置，设置激光参数，激光 波长1064nm，激光能量200mJ，光斑直径5mm，脉冲宽度8ns，频率10HZ。启功控制器控制第二 升降台上工件的上升速度为15mm/min，传动箱控制转速为300mm/min，上升一个工件高度 后，保持高度不变，工件顺时针旋转〇. 3rad后第二升降台上工件下降，速度为15mm/min，如 此循环直至完成整个轴套内壁的加工。加工结束后，关闭所有的电源，取下加工好的轴套工 件，用无水乙醇清洗。
[0023] 对激光加工头进行优化后，加工的周期缩短为传统的加工方法的四分之一，极大 的缩短了加工的周期，提高了加工效率。对水下激光空化强化后的轴套进行表面残余压应 力检测，发现轴套内壁均有残余压应力，效果较好。
【主权项】
1. 一种水下激光空化强化轴套的装置，包括激光发生系统和工件加工系统，其特征在 于，所述工件加工系统包括加工池23,所述加工池23内设有基座（10)和工作台（12)，所述基 座（10)内设有二维导轨，所述工作台（12)在二维导轨的作用下整体调节定位;所述工作台 (12)下端设有第一升降台（11)，所述第一升降台（11)用来带动所述工作台（12)整体上下运 动，所述工作台（12)上端台面上设有第二升降台（13)，所述第二升降台（13)侧面安装有传 动箱（14)，所述传动箱（14)上方依次安装有=爪卡盘手柄（16)和=爪卡盘（15)，所述第二 升降台（13)用来带动所述传动箱（14)、所述=爪卡盘手柄（16)和所述=爪卡盘（15)整体上 下运动。2. 根据权利要求1所述的一种水下激光空化强化轴套的装置，其特征在于，所述第一升 降台（11)、所述工作台（12)、所述第二升降台（13)和所述传动箱(14)均与控制器(9)连接。3. 根据权利要求1或2所述的一种水下激光空化强化轴套的装置，其特征在于，还包括 蓄水池（20)、第一电累（19)和第二电累（21)，所述第一电累（19)与加工池（23)的出水口 (18) W及蓄水池(20)相连;所述第二电累(21)与加工池(23)的进水口（22) W及蓄水池(20) 相连。4. 根据权利要求3所述的一种水下激光空化强化轴套的装置，其特征在于，所述激光发 生系统依次由高功率脉冲激光发生装置(2)、扩束装置(3)、全反镜(7)和激光加工头(8)连 接而成。5. 根据权利要求4所述的一种水下激光空化强化轴套的装置，其特征在于，所述高功率 脉冲激光发生装置(2)、所述第一电累(19)和所述第二电累(21)均与计算机(1)连接。6. 根据权利要求4所述的一种水下激光空化强化轴套的装置，其特征在于，所述激光加 工头(8)是一个长方体装置，内部依次由锥透镜(81)、凸透镜(83)、和反射镜(85)组成;长方 体的四个侧面均有一个与窗口镜(86)等高的窗口镜(84 )，所述窗口镜(84)材料为K9玻璃， 表面贴有一层增透膜;所述的反射镜(85)是一个四棱锥，四个反射面与底面夹角为!。7. -种水下激光空化强化轴套的方法，包含W下步骤： A. 预处理轴套工件:用无水乙醇清洗轴套工件表面，去除表面油污； B. 轴套工件的定位夹紧：用=爪卡盘将预处理过的工件夹紧，使工件在加工过程中不 出现松动； C. 通过调节工作台使激光加工头位于轴套工件的正上方，调节第二升降台使传动箱位 于第二升降台的最低端，调节第一升降台使激光聚焦点所在平面与工件的上边缘所在平面 重合； D. 向加工池中注入水溶液至水面超过轴套工件上表面； E. 打开高功率脉冲激光发生装置，通过计算机调节入射激光的参数，诱导产生空泡，同 时控制传动箱和第二升降台，使整个工件螺旋式上升、下降对轴套进行空化强化； F. 关闭所有装置，将经过处理的轴套工件取下，用无水乙醇将内壁清洗干净。8. 根据权利要求7所述的一种水下激光空化强化轴套的方法，其特征在于，向加工池中 注入水溶液超出轴套工件上表面的高度为1.5倍轴套工件的高度。9. 根据权利要求7或8所述的一种水下激光空化强化轴套的方法，其特征在于，第二升 降台上轴套工件的上升速度为为轴套工件的内径），传动箱控制转速为280 巧1 ~320mm/min，上升一个轴套工件高度后，第二升降台上轴套工件开始下降，下降速度为 (I为轴套工件的内径），每次改变竖直加工方向之前，工件保持高度不变顺时针 Kl 旋转^radQ为工件的内径，单位为毫米），然后继续加工如此循环直至完成整个轴套内壁 的加工。10.根据权利要求7或8所述的一种水下激光空化强化轴套的方法，其特征在于，高功率 脉冲激光发生装置的激光参数:激光波长l〇64nm，激光能量200mJ，光斑直径5mm，脉冲宽度 8ns，频率10监。
【文档编号】C21D9/40GK105907942SQ201610427582
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】任旭东, 王杰, 袁寿其, 佟艳群, 任云鹏, 何浩
【申请人】江苏大学