CN103409599B - 一种水下激光冲击强化齿轮泵齿轮的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下激光冲击强化齿轮泵齿轮的装置与方法。齿轮工件安装于多级芯轴上，多级芯轴设有多个轴肩可安装不同尺寸的齿轮工件，整个工件***处于水溶液中。高功率脉冲激光发生装置发出强激光聚焦于齿轮表面上，高能量激光诱导出大量高压等离子体高速冲击齿轮表面形成一次冲击波；此外，激光击穿水溶液时在齿轮表面附近产生空泡，空泡继续吸收激光能量后膨胀，最后溃灭冲击齿轮表面形成二次冲击波，在两种冲击波的综合作用下，齿轮表层和次表层可形成均匀稳定的位错、细化的晶粒和表层残余压应力，有效的提高齿轮工件的接触强度和抗疲劳性能，改善齿轮工件的耐磨性和抗腐蚀性。

Description

一种水下激光冲击强化齿轮泵齿轮的装置与方法

技术领域

本发明属于齿轮表面强化处理技术，特指一种高功率激光水下冲击强化齿轮泵齿轮的装置与方法。

背景技术

齿轮泵作为一种重要的液压动力元件在现代工业设备中的应用日益广泛，对齿轮泵性能的要求也越来越高。而齿轮泵中的一对齿轮是最关键的元件，齿轮的强度与泵的使用周期有着重要的关系，齿轮泵在服役过程中常因齿轮齿面磨损、塑性变形等因素导致齿轮泵的破坏、失效，因此有必要对齿轮泵齿轮进行表面强化处理，提高齿轮泵齿轮的接触强度、耐磨性和疲劳寿命。

激光表面强化是一种新型的齿轮表面强化技术，其能量清洁无污染，热影响区小，可以克服传统的齿轮表面强化工艺的硬化层分布不均、变形大等缺点。而水下激光冲击利用水约束气化物的扩散来增强冲击波强度和利用水传递冲击波，另外利用激光击穿水溶液产生空泡溃灭现象进一步加强冲击效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下激光冲击强化齿轮泵齿轮工件的装置和方法，用来提高齿轮表面冲击强化的质量和效率，减少齿轮表面强化工艺的能耗。

本发明采用的技术方案为：一种水下激光冲击强化齿轮泵齿轮的装置，包括激光发生***和工件***，所述激光发生***由高功率脉冲激光发生装置、全反镜和激光加工头组成，其特征在于，所述激光加工头和所述工件***均位于反应容器内，所述工件***包括数字控制器、齿轮传动箱、三爪卡盘、多级芯轴、螺母、顶尖，工作台、升降机构、基座，所述多级芯轴依次由三爪卡盘固定段、过渡段和若干不同轴径大小的齿轮支撑段组成，所述三爪卡盘固定段固定在与所述齿轮传动箱相连的三爪卡盘内，所述每一段的齿轮支撑段上均设有和螺母相配合的螺纹，其中最小轴径的齿轮支撑段的端面中心孔与所述顶尖配合实现对所述多级芯轴的整体支撑定位；所述齿轮传动箱和所述顶尖位于所述工作台上，所述升降机构固定安装在所述工作台的下方，所述基座上设有X和Y向轨道，所述工作台的底部通过X和Y向导轨与所述基座上的X和Y向轨道相连；所述数字控制器通过控制所述升降机构来调节工作台的上下位移，所述数字控制器通过控制X和Y向导轨来调节工作台的左右位移；所述数字控制器通过控制所述齿轮传动箱的转动来调节多级芯轴的转速和转向。

上述方案中，还包括一个辅助***，所述辅助***由流量调节器、储液箱和电泵组成，所述流量调节器一端与所述反应容器的入水口相连，另一端与所述储液箱相连，所述电泵一端与所述储液箱相连，另一端与所述反应器下端的出水口相连，通过电泵使反应容器内的水溶液循环流动，所述流量调节器控制反应容器内水溶液的流动速度。

上述方案中，所述高功率脉冲激光发生装置、所述数字控制器和所述流量调节器均由计算机控制。

一种水下激光冲击强化齿轮泵齿轮的方法，包含以下步骤：

A. 预处理齿轮工件：用无水乙醇清洗齿轮工件表面，然后在齿轮表面均匀喷涂黑漆，黑漆厚度在0.16~0.4mm；

B. 齿轮工件的定位夹紧：将多级芯轴的三爪卡盘固定段固定在三爪卡盘里，把预处理后的齿轮工件根据其尺寸不同放置在对应的齿轮支撑段上，拧紧每一段齿轮支撑段上的螺母，实现齿轮工件在多级芯轴上的定位夹紧；用顶尖顶住多级芯轴端面的中心孔后摇动顶尖手柄锁紧顶尖，摇动三抓卡盘手柄实现多级芯轴的定位夹紧；

C． 调节数字控制器控制工作台、升降机构和齿轮传动箱，使得激光光斑中心位于齿轮工件的节度圆上，激光束与齿轮渐开线的切线大致垂直；

D． 向反应容器内注入水溶液至水面超出齿轮最高处20~40cm，调节流量调节器设置流量为0.6~1L/s，打开电泵使水溶液循环流动；

E． 打开高功率激光发生装置，通过计算机设置激光参数，高功率激光发生装置发出激光聚焦到齿轮表面，数字控制器控制齿轮传动箱、升降机构2和工作台3的动作次序来进行齿轮工件的激光冲击强化过程。

F．关闭所有装置，将冲击处理后的齿轮工件拆卸后，清除表面剩余的黑漆并用乙醇将表面清洗干净。

上述方法中，在螺母拧紧过程中，为了保护齿轮工件表面免受螺母压紧力的损害，可以在螺母和齿轮工件之间设置一个垫片。

上述方法中，高功率激光发生装置发出激光的激光参数为：激光波长1064nm，脉宽30ns，光斑直径6mm，激光能量32~50J，频率5HZ。

上述方法中，激光冲击过程是激光自齿顶向齿根扫射，齿顶扫射速度180~220mm/min, 渐开线扫射速度110~160mm/min, 齿轮工件旋转一周后沿Y轴方向移动3mm后继续下一周的激光冲击处理，如此循环直至完成整个齿轮啮合面的加工。

本发明提供了一种水下激光冲击强化齿轮泵齿轮的方法与装置。该方法创新之一在于提出了水下激光冲击强化齿轮的方法，利用水溶液强化了激光冲击的效果，节约了激光冲击强化齿轮工件的能耗。创新之二在于提出了一种可一次装夹多个齿轮的多级芯轴，节约了装夹时间，提高了加工效率。将涂有黑漆的齿轮工件安装与多级芯轴上，通过数字控制器控制工作台和齿轮传动箱来调节齿轮相对于激光光斑的位置，使得激光光斑中心在齿轮分度圆上，且激光束大致与齿轮渐开线切线垂直，打开激光器，黑漆吸收激光能量后迅速气化，在水层的约束下大量高压等离子体高速冲击齿轮表面形成一次冲击波；此外，激光击穿水溶液时产生空泡现象，空泡继续吸收激光能量后溃灭冲击齿轮表面形成二次冲击波，在两种冲击波的综合作用下，齿轮表层和次表层可形成均匀稳定的位错、细化的晶粒和表层残余压应力，有效的提高齿轮工件的接触强度和抗疲劳性能，改善了齿轮工件的耐磨性和抗腐蚀性。

本发明的有益效果：1．经过水下激光冲击强化处理后，齿轮表层和次表层形成均匀稳定的位错、细化的晶粒和表层残余压应力，有效的提高齿轮工件的接触强度和抗疲劳性能，改善了齿轮工件的耐磨性和抗腐蚀性；2．水溶液的存在强化了激光冲击的效果，与在空气介质中的激光冲击强化工艺相比节约了能量，激光冲击处理不改变齿轮的尺寸精度；3．多级芯轴设有不同尺寸的多级齿轮支撑段，可同时装夹多个齿轮工件，节约了装夹时间，提高了加工效率。

附图说明

图1为本发明装置的结构原理图。.

图2为多轴芯轴的结构示意图。

图中，1. 基座2.升降机构；3. 工作台；4. 出水口；5. 电泵；6. 储液箱；7. 输液管道；8. 入水口；9. 流量调节器；10. 计算机；11. 数字控制器； 12. 高功率激光发生装置；13. 准直扩束镜；14. 聚焦透镜15. 凹透镜；16. 激光束；17. 全反镜；18. 反应容器；19. 激光加工头；20. 聚焦透镜；21. 保护镜； 22. 齿轮工件；23. 齿轮传动箱；24. 三抓卡盘；25. 三抓卡盘手柄；26. 多级芯轴；261. 三爪卡盘固定段；262. 过渡段；263. 齿轮支撑段；264. 中心孔；27. 垫片；28. 螺母；29.顶尖手柄；30.顶尖；31. 锁紧手柄。

具体实施方式

齿轮工件22的材料40CrNiMo,模数m=4，齿数Z=23，齿宽B=20mm，将多级芯轴26左端***三抓卡盘24内，将齿轮工件22用垫片27和螺母28固定夹紧于多级芯轴26上，拧紧顶尖手柄29和三抓卡盘手柄25将多级芯轴26夹紧，最后拧紧锁紧手柄31。调节数字控制器11使激光束16与齿轮工件上的齿轮渐开线的切线大致垂直，打开激光器设置激光参数：激光能量25J，脉宽20ns,波长1064nm，频率5Hz，光斑直径6mm。向反应容器18内注入水溶液至超出齿轮最高点15cm，调节流量调节器9设置流量1L/s，打开电泵5使水溶液循环流动。启动激光器并设置数字控制器11，使激光在齿顶扫描速度为220mm/min，渐开线扫描速度为110mm/min，扫描一周后暂停激光器，通过数字控制器11控制工作台3沿Y轴方向移动3mm，继续激光扫描，直至完成整个啮合面的加工。激光冲击完成后，关闭所有电源，取下齿轮，清除残余黑漆后用无水乙醇清洗。

将水下激光冲级强化后的齿轮进行精度测试和表面残余应力检测发现，激光处理后的齿轮变形很小不影响齿轮的精度等级，齿轮啮合面均为残余压应力。

Claims (7)

1.一种水下激光冲击强化齿轮泵齿轮的装置，包括激光发生***和工件***，所述激光发生***由高功率脉冲激光发生装置（12）、全反镜（17）和激光加工头（19）组成，其特征在于，所述激光加工头（19）和所述工件***均位于反应容器（18）内，所述工件***包括数字控制器（11）、齿轮传动箱（23）、三爪卡盘（24）、多级芯轴（26）、螺母（28）、顶尖（30）、工作台（3）、升降机构（2）和基座（1），所述多级芯轴（26）依次由三爪卡盘固定段（261）、过渡段（262）和若干不同轴径大小的齿轮支撑段（263）组成，所述三爪卡盘固定段（261）固定在与所述齿轮传动箱（23）相连的三爪卡盘（24）内，所述每一段的齿轮支撑段（263）上均设有和螺母（28）相配合的螺纹，在所述每一段的齿轮支撑段（263）上还设有与所述螺母（28）相配合的垫片（27）；其中最小轴径的齿轮支撑段的端面中心孔（264）与所述顶尖（30）配合实现对所述多级芯轴（26）的整体支撑定位；所述齿轮传动箱（23）和所述顶尖（30）位于所述工作台（3）上，所述升降机构（2）固定安装在所述工作台（3）的下方，所述基座（1）上设有X和Y向轨道，所述工作台（3）的底部通过X和Y向导轨与所述基座（1）上的X和Y向轨道配合；所述数字控制器（11）通过控制所述升降机构（2）来调节工作台（3）的上下位移，所述数字控制器（11）通过控制X和Y向导轨来调节工作台（3）的左右位移；所述数字控制器（11）通过控制所述齿轮传动箱（23）的转动来调节多级芯轴（26）的转速和转向。

2.根据权利要求1所述的一种水下激光冲击强化齿轮泵齿轮的装置，其特征在于，还包括一个辅助***；所述辅助***由流量调节器（9）、储液箱（6）和电泵（5）组成，所述流量调节器（9）一端与所述反应容器（18）的入水口（8）相连，另一端与所述储液箱（6）相连，所述电泵（5）一端与所述储液箱（6）相连，另一端与所述反应器（18）下端的出水口（4）相连，通过电泵（5）使反应容器（18）内的水溶液循环流动，所述流量调节器（9）控制反应容器（18）内水溶液的流动速度。

3.根据权利要求1或2所述的一种水下激光冲击强化齿轮泵齿轮的装置，其特征在于，所述高功率脉冲激光发生装置（12）、所述数字控制器（11）和所述流量调节器（9）均由计算机（10）控制。

4.一种水下激光冲击强化齿轮泵齿轮的方法，包含以下步骤：

A. 预处理齿轮工件：用无水乙醇清洗齿轮工件表面，然后在齿轮表面均匀喷涂黑漆；

B.  齿轮工件的定位夹紧：将多级芯轴的三爪卡盘固定段（261）固定在三爪卡盘里，把预处理后的齿轮工件（22）根据其尺寸不同放置在对应的齿轮支撑段（263）上，拧紧每一段齿轮支撑段上的螺母（28），实现齿轮工件（22）在多级芯轴上的定位夹紧，在所述螺母（28）和所述齿轮工件（22）之间设置一个垫片（27）；；用顶尖（30）顶住多级芯轴端面的中心孔（264）后摇动顶尖手柄（29）锁紧顶尖，摇动三抓卡盘手柄（25）实现多级芯轴的定位夹紧；

C． 调节数字控制器控制工作台、升降机构和齿轮传动箱，使得激光光斑中心位于齿轮工件的节度圆上，激光束与齿轮渐开线的切线大致垂直；

D． 向反应容器内注入水溶液至水面超出齿轮最高处20~40cm，调节流量调节器设置流量为0.6~1L/s，打开电泵使水溶液循环流动；

E． 打开高功率激光发生装置，通过计算机设置激光参数，高功率激光发生装置发出激光聚焦到齿轮表面，数字控制器控制齿轮传动箱、升降机构2和工作台3的动作次序来进行齿轮工件的激光冲击强化过程；

F． 关闭所有装置，将冲击处理后的齿轮工件拆卸后，清除表面剩余的黑漆并用乙醇将表面清洗干净。

5.根据权利要求4所述的一种水下激光冲击强化齿轮泵齿轮的方法，其特征在于，步骤A中的黑漆厚度为0.16~0.4mm。

6.根据权利要求4所述的一种水下激光冲击强化齿轮泵齿轮的方法，其特征在于，激光冲击过程是激光自齿顶向齿根扫射，齿顶扫射速度180~220mm/min, 渐开线扫射速度110~160mm/min, 齿轮工件（22）旋转一周后沿Y轴方向移动3mm后继续下一周的激光冲击处理，如此循环直至完成整个齿轮啮合面的加工。

7.根据权利要求4—6所述的任意一种水下激光冲击强化齿轮泵齿轮的方法，其特征在于，高功率激光发生装置发出激光的激光参数为：激光波长1064nm，脉宽30ns，光斑直径6mm，激光能量32~50J，频率5HZ。