一种用于回转体的激光喷丸复合滚压强化装置的制作方法

[0001]
本发明属于机械加工设备领域，具体涉及一种用于回转体的激光喷丸复合滚压强化装置。


背景技术：

[0002]
球阀，启动件（球体）由阀杆带动，并绕球阀轴线作旋转运动的阀门，亦可用于流体的调节与控制。球阀结构要求紧凑，开闭迅速，密封可靠，而球体是球阀的关键零件，其表面质量直接影响到阀门的密封性能。在加工阀门球体时，除了提高球体的圆度和降低表面粗糙度以外，提升球体的表面硬度和表层残余压应力可以增强球体的耐磨性及耐腐蚀性，从而提高整个阀门的服役寿命和可靠性。
[0003]
目前，阀门球体表面的硬化工艺主要有表面镀硬铬、等离子氮化、表面堆焊硬质合金、抛丸强化、滚压强化及激光喷丸强化等。其中，球体表面镀硬铬后具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，且工艺简单，成本较低，但镀铬层与基体结合强度差，镀层易剥落；等离子氮化工艺可硬化球体表面，但该工艺的耐腐蚀性较差，无法应用于化工等强腐蚀领域；球体表面堆焊硬质合金的工艺复杂、效率低、且易使零件发生变形。对此专利号：cn201710678717.5公开了一种激光喷丸复合滚压强化表面改性的方法及装置，其中提出了结合滚压强化和激光喷丸的增益效果，复合表面强化。
[0004]
为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是：可获得较好的表面强化质量和均匀的残余应力分布，但由于专利中滚压轮体积大，较为适合强化大面积规则块状或板状金属材料，无法实现球状零部件或其他不规则复杂曲面的精准强化。


技术实现要素：

[0005]
本发明所要解决的技术问题：本发明的目的是提供一种用于回转体的激光喷丸复合滚压强化装置，通过调整滚压头内压力弹簧以获得所需滚压载荷，并通过光路系统引导激光并实现激光喷丸工艺的自动调焦，从而能够精确地实现复杂曲面的一种用于回转体的激光喷丸复合滚压强化装置，包括激光发射装置、光路输送装置、数控平台和滚压头；所述激光发射装置用于产生激光束；所述光路输送装置一端用于输入激光束，光路输送装置另一端安装滚压头，滚压头与回转体接触，用于使激光束透过滚压头对回转体表面激光喷丸的同时对回转体表面滚压强化；所述数控平台通过第一旋转装置固定回转体；数控平台通过第二旋转装置固定所述光路输送装置，用于使滚压头绕回转体旋转。
[0006]
进一步，所述回转体的回转中心垂直光路输送装置的回转中心。
[0007]
进一步，所述滚压头包括滚压珠、壳体、执行机构、滑块、弹性阻尼器和隔板，所述壳体一端内放置可滚动的滚压珠，壳体内部设有滑块，所述滑块一端通过弹性阻尼器压紧滚压珠，滑块另一端与执行机构连接，用于施加滚压力；所述弹性阻尼器与滚压珠之间设有可移动的隔板，隔板中间安装聚焦镜；所述滑块为空心开口滑块，光路输送装置另一端穿过
壳体进入空心开口滑块内，用于将激光束依次经过滑块、弹性阻尼器和聚焦镜后聚焦到回转体表面上。
[0008]
进一步，所述空心开口滑块上设有限位装置，用于防止空心开口滑块移动中撞击光路输送装置。
[0009]
进一步，所述弹性阻尼器与滑块之间设有压力传感器，用于测量回转体受到的滚压力；控制系统通过读取分析所述压力传感器的值，用于控制执行机构输出的推力。
[0010]
进一步，所述滚压珠为透明蓝宝石玻璃；所述弹性阻尼器为压缩弹簧。
[0011]
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：1、本发明所述的用于回转体的激光喷丸复合滚压强化装置，通过调整滚压头内压力弹簧以获得所需滚压载荷，通过光路系统引导激光并实现激光喷丸工艺的自动调焦，能够精确地实现复杂曲面的复合表面强化。
[0012]
本发明所述回转体的激光喷丸复合滚压强化装置，采用回转体沿z轴旋转配合滚压头沿y轴旋转，两种旋转轨迹形成一个球，使滚压头能够对球体进行滚压，通过调整滚压头内弹性阻尼器以获得所需滚压载荷，通过光路系统引导激光并实现激光喷丸工艺的自动调焦，从而精确地完成复杂曲面的复合表面强化。
[0013]
本发明所述回转体的激光喷丸复合滚压强化装置，结合了激光喷丸和滚压强化的增益效果，可获得更大、更均匀的表面硬度和表层残余压应力，以及更深的残余压应力影响层深度。由于滚压头滚珠的强力约束作用，球体表层金属产生塑性流动，填入到激光喷丸残留的低凹波谷中，从而能够可有效提升球体试样的圆度，降低表面粗糙度。
附图说明
[0014]
图1为本发明装置的结构示意图；图2为本发明中光路输送装置8的结构示意图；图3为本发明中滚压头16的剖视结构示意图；1、激光发射装置；2、激光束；3、第一螺栓；4、滚压器旋转电机；5、第一反射镜；6、第二反射镜；7、限位开关；8、光路输送装置；9、数控平台；10、第三反射镜；11、第二螺栓；12、打杆；13、第三螺栓；14、油缸；15、活塞杆；16、滚压头；17、阀门球体；18、黑漆；19、工件旋转电机；20、阶梯轴；21、控制系统；22、滚压珠；23、隔板；24、弹性阻尼器；25、压力传感器；26、滑块；27、第四反射镜。
具体实施方式
[0015]
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0016]
如图1所示的一种用于回转体的激光喷丸复合滚压强化装置，包括激光发射装置1、光路输送装置8、数控平台9和滚压头16；所述激光发射装置1用于产生激光束2；所述光路输送装置8一端用于输入激光束2，所述光路输送装置8另一端安装滚压头16，所述滚压头16与阀门球体18接触，用于使激光束2透过滚压头16对阀门球体18表面激光喷丸的同时对回转体表面滚压强化；所述数控平台9可三维移动的平台；所述数控平台9上通过工件旋转电机19装夹阀门球体18，用于使阀门球体18绕z轴旋转；所述数控平台9通过第一螺栓3安装滚
压器旋转电机4，通过滚压器旋转电机4装夹所述光路输送装置8，用于使滚压头16绕阀门球体18的y轴旋转。
[0017]
如图1所示，所述光路套筒8上端安装在滚压器旋转电机4内，其内部中空，所述光路套筒8存在2个直角过渡，所述光路套筒8内安装第二反射镜6和第三反射镜10，用于反射激光束2，所述光路套筒8下端与滚压头16通过第二螺栓11连接。所述滚压头16包括滚压珠22、壳体、执行机构、滑块26、弹性阻尼器24和隔板23，所述壳体一端内放置可滚动的滚压珠22，所述壳体内部设有滑块26，所述滑块26一端通过弹性阻尼器24压紧滚压珠22，所述滑块26另一端通过第三螺栓13与油缸14连接，用于施加滚压力；所述弹性阻尼器24与滚压珠22之间设有可移动的隔板23，所述隔板23中间安装聚焦镜；所述滑块26为空心开口滑块，所述光路输送装置8下端穿过壳体进入空心开口滑块内，所述空心开口滑块内设有第四反射镜27，用于将激光束2依次经过第四反射镜27、滑块26、弹性阻尼器24和聚焦镜后聚焦到阀门球体18表面上。所述空心开口滑块可以在油缸14的活塞杆15的作用下在壳体内移动，用于施加滚压力。所述滚压珠22为透明蓝宝石玻璃；所述弹性阻尼器24为压缩弹簧。
[0018]
所述空心开口滑块上设有限位装置，用于防止空心开口滑块移动中撞击光路输送装置8。具体结构为：壳体上设有腰型孔，所述空心开口滑块上安装打杆12，并且打杆12穿过腰型孔，在腰型孔外的壳体上安装限位开关7，当打杆12接触限位开关7时，油缸14停止工作。
[0019]
所述弹性阻尼器24与滑块26之间设有压力传感器25，用于测量阀门球体18受到的滚压力；压力传感器25中心处开有小圆通孔，激光束2穿过压力传感器25和弹性阻尼器24进入聚焦镜；控制系统21通过读取分析所述压力传感器25的值，用于控制油缸14输出的推力。控制油缸14输出的推力可以控制液压系统的液压泵或者控制液压系统的安全阀，具体如何控制是现有技术在此不陈述。弹性阻尼器24用于保证隔板23贴紧滚压珠22，隔板23内的聚焦镜保证激光束2透过滚压珠22聚焦到阀门球体18表面上。所述压力弹簧24在滚压珠22强化过程中，伸缩量会跟随曲面变化而变化，从而不能保证激光束2透过滚压珠22聚焦到阀门球体18表面上。此时与压力弹簧24接触的压力传感器25会将压力变化输出成为电流信号传递到控制系统21，控制系统21随后控制液压系统调整输出压力载荷大小，调整压力弹簧24伸缩量，实现自动调压强化，同时，所述聚焦镜跟随滚压珠22同步运动，使得聚焦点到工件表面焦距固定，实现自动调焦。
[0020]
本发明装置的具体工作流程，以激光喷丸复合滚压强化高温球阀的球体为例，包括如下步骤：s1：对阀门球体17表面进行打磨抛光处理，并涂覆一层厚黑漆18，然后进行风干处理。
[0021]
将阶梯轴20一端用工件旋转电机19夹紧，然后将阀门球体17通过阶梯轴20装夹，调整阀门球体17中心线与光路套筒8旋转中心线在一条直线上后夹紧，所述阶梯轴20可以带动阀门球体工件17实现沿z轴方向的转动。所述光路套筒8旋转速度为1～2cm/s，所述阶梯轴20旋转速度为1～2cm/s。
[0022]
通过控制系统21控制油缸14为活塞杆15提供动力，通过活塞杆15推动滑块26从而推动压力弹簧24对阀门球体17施加预设压力载荷；s4：通过计算机设定激光喷丸参数，编译程序控制激光器1、滚压头16、液压系统、工件旋转电机19和滚压器旋转电机4协同工作，并记录此时压力传感器23的电流信号；设定激光
喷丸参数。
[0023]
通过控制系统21启动滚压器旋转电机4，控制光路套筒8带动滚压头16沿y轴方向旋转，通过控制系统启动工件旋转电机19，控制阶梯轴20带动阀门球体17沿z轴方向转动；同时激光器1发出激光束2，通过第一反射镜5进入光路输送装置8、激光束2从滚压珠22输出对工件待喷丸区域进行激光喷丸强化，滚压珠22的蓝宝石玻璃作为约束层，实现对工件不同位置的强化。
[0024]
由于加工表面为球面或复杂曲面，且加工过程中需要调整弹性阻尼器24以获得所需滚压载荷，因此加工过程中通过控制系统21记录的压力传感器23电流信号，自动改变压力载荷，同时聚焦镜跟随滚压珠22运动实现自动调焦，从而确保激光喷丸复合滚压强化效果；s7：强化完成后，取下阀门球体17，清理球面上的残留黑漆18，整个过程简单高效，可提高阀门球体圆度及表面硬度，有效降低表面粗糙值，同时获得较优表层残余应力分布。
[0025]
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。

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