一种基于温度交变的空化水喷丸装置及方法

摘要

本发明公开零件表面强化及加工制造领域中的一种基于温度交变的空化水喷丸装置及方法，溶液腔内部被隔板分成左腔体、中间腔体以及右腔体三个腔体，中间腔体内的底部是工作台，工作台上部设置工件以及能夹紧工件的夹紧元件；每个的隔板上各设有一个喷口正对着工件侧壁的喷嘴，左腔体和右腔体内，面对着喷嘴的内侧壁上各装有一个快速发热器；每个喷嘴的进口处设置电磁门，两个电磁门通电，两个快速发热器加热，左腔体和右腔体中的液体压力升高，高压水通过相应的喷嘴，对工件的侧壁面进行喷丸强化；本发明通过温度交变的方式，使溶液腔里的压力在高压和低压之间不断转换，利用高压水通过喷嘴产生的空化水射流和冲击波对工件壁面进行喷丸强化。

说明书

技术领域

本发明涉及零件表面强化及加工制造领域，具体涉及的是一种基于温度交变的空化水喷丸装置及喷丸方法，可零件表面进行强化处理。

背景技术

传统的机械喷丸技术一直存在表面质量差、通用性低等问题，难以满足要求，于是出现了激光喷丸、超声喷丸、高压水射流喷丸等一系列先进的喷丸强化技术。然而，上述先进的加工方式对于零部件表面强化有一定的局限性。其中激光喷丸下的表面硬化程度较低，超声喷丸技术强化效率低，制约了它的大范围工业应用；高压水射流喷丸的驱动压力一般要求超过200MPa，能耗过大。

空化水喷丸技术是脱胎于高压水射流喷丸的一种新型金属材料表面改性技术，其工作原理是合理利用淹没式高速高压水射流空化后形成的大量微小空泡云，单个微小空泡在材料的表面崩溃时可产生高达数GPa的冲击波和高速水射流，使材料近表层发生弹塑性变形，诱导形成一定深度的残余应力层，进而提高材料的疲劳寿命、耐磨性能等。但是现阶段的空化水喷丸技术仍然面临着零件面质量差、耐磨性低、加工效率低等问题，而且该技术的驱动压力大，能耗过大。

中国专利公开号为CN1113714940A的文献中公开了一种人工淹没的空化射流装置、其工作方法及组合式喷嘴，高压水通过喷嘴产生空化射流和空化冲击波，通过声波传感器捕捉空化射流和空化冲击波的状态、强度和对材料的冲击效果，从而反馈并调节，实现空化冲击效果的最优化；但是当利用高压水泵产生的高压水冲击硬度高的金属材料时，其驱动压力一般要求超过200MPa，能耗太大，成本高。中国专利公开号为CN113084714A的文献中公开了一种空化喷丸装置，利用超声诱导空化的原理产生空化，通过调节流速和超声功率来调节喷丸强度，进而提高零件的表面质量，但该装置在喷丸时，仅能喷射零件的一个表面，加工效率较低。

发明内容

本发明目的在于解决上述现有零件表面强化处理存在的问题，提出一种基于温度交变的空化水喷丸装置及喷丸方法，提高加工表面质量和加工效率，降低能耗。

本发明一种基于温度交变的空化水喷丸装置采用以下技术方案：

其具有一个溶液腔，溶液腔内部被隔板分成左腔体、中间腔体以及右腔体三个腔体，每个腔体的底壁上都开有排液口，内底部都设有压力传感器，左腔体或右腔体的顶部开有输液口；中间腔体内的底部是工作台，工作台上部设置工件以及能夹紧工件的夹紧元件；每个所述的隔板上各设有一个喷口正对着工件侧壁的喷嘴，两个喷嘴相对于工件对称布置；左腔体和右腔体内，面对着喷嘴的内侧壁上各装有一个快速发热器；每个喷嘴的进口处设置电磁门，控制喷嘴关闭或打开；两个电磁门通电，两个快速发热器加热，左腔体和右腔体中的液体压力达到高压状态时，两个电磁门断电，高压水经喷嘴产生空化水射流对工件喷丸强化。

所述的电磁门由弹簧、电磁铁和磁铁块组成，电磁铁和磁铁块分别在喷嘴进口上下两侧且固定连接隔板，磁铁块连接垂直的弹簧一端，弹簧另一端固定连接在隔板上，电磁铁通电或断电。

所述的排液口均经第一单向阀、换向阀连接溶液收集箱。

所述的液收集箱依次经第一液泵、第二单向阀连接冷却箱。

所述的冷却箱经阀门连接液氮罐。

所述的冷却箱内部设置搅拌器，搅拌器由电机带动旋转。

所述的输液口经第二液泵、过滤器连接冷却箱。

本发明一种基于温度交变的空化水喷丸装置的喷丸方法采用以下技术方案：包括以下步骤：

步骤1)：同时给两个电磁门通电且关闭两个喷嘴，两个快速发热器同时加热，左腔体和右腔体中的液体压力升高，当达到设定的高压状态时，给两个电磁门断电，两个快速发热器停止加热；

步骤2)：左腔体和右腔体中的高压水通过相应的喷嘴，对工件的侧壁面进行喷丸强化；

步骤3)：当所述的压力传感器检测到左腔体和右腔体中的液体压力趋于一致时，从排液口排出液体。

进一步地，在中间腔体的顶部有开口，用可拆卸式的上端盖密封开口，螺栓紧固件自上端盖7伸入到中间腔体中与上端盖通过螺纹旋紧，螺栓紧固件的下端压紧在工件上，在步骤3)完成后，松开螺栓紧固件，打开上端盖，取出工件。

本发明采用上述技术方案后的有益效果是：

1.本发明不再使用传统高压水泵输送高压水通过喷嘴产生水射流和冲击波，而是通过加热膨胀的方式，使左、右腔体的液体压力达到高压，产生高压水，相对于传统高压水泵产生的高压水，其能耗较小，经济成本较低。

2.本发明可以根据不同工件材料的喷丸效果，调整左、右腔体的液体压力的大小，设定高压状态的压力来改变喷丸强度，使喷丸强度与零件表面的残余应力相匹配，有利于提高零件表面的质量和耐磨性能等。

3.本发明可以对零件两侧同时进行喷丸强化，能够提高零件的表面质量与加工效率。

4.本发明通过温度交变的方式，使溶液腔里的压力在高压和低压之间不断转换，利用高压水通过喷嘴产生的空化水射流和冲击波对工件壁面进行喷丸强化。

5.本发明装置中的液体可以是普通自来水，不会产生二次污染，因此具有加工成本低廉、绿色环保等显著优势，且强化表面不受限制，可用于各种复杂表面的强化。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明提出的一种基于温度交变的空化水喷丸装置的结构示意图；

图2是图1中的溶液腔的结构示意图；

图3是图1中的搅拌器与电机装配结构放大图；

图中：1.溶液腔、2.快速发热器、3.弹簧、4.磁铁块、5.第一喷嘴、6.电磁铁、7.上端盖、8.螺栓紧固件、9.工件、10.夹紧元件、11.工作台、12.第一排液口、13.第一压力传感器、14.第二压力传感器、15.第二排液口、16.第三压力传感器、17.第三排液口、18.输液口、19.控制器、20.第一单向阀、21.换向阀、22.溶液收集箱、23.第一液泵、24.第二单向阀、25.液氮罐、26.冷却箱、27.搅拌器、28.阀门、29.第二液泵、30.过滤器、31.第二喷嘴、32.电机、101.左腔体、102.中间腔体、103.右腔体。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明一种基于温度交变的空化水喷丸装置，具有一个溶液腔1，溶液腔1内部被隔板分成左腔体101、中间腔体102以及右腔体103这三个腔体，左腔体101和右腔体103的结构相同，相对于中间腔体102左右对称。

中间腔体102内的底部是工作台11，工作台11上部设置工件9以及夹紧元件10，夹紧元件10固定连接工作台11上部，通过夹紧元件10夹紧工件9，用于工件9的左、右定位。中间腔体102的顶部有开口，用可拆卸式的上端盖7密封开口。螺栓紧固件8自上端盖7伸入到中间腔体102中，与上端盖7通过螺纹旋紧，螺栓紧固件8的下端压紧在工件9上，对工件9进行固定。在加工完成后，松开螺栓紧固件8，打开上端盖7，松开夹紧元件件10，可以取出工件9。

在中间腔体102的底壁上开有第二排液口15，用于排出中间腔体102内的液体，第二排液口15经管道连接第一单向阀20的输入端。中间腔体102内的底部安装第二压力传感器14，用于检测中间腔体102中的液体压力，第二压力传感器14通过信号线连接控制器19。

溶液腔1内的两个隔板上各设有一个喷嘴，分别是第一喷嘴5和第二喷嘴31，第一喷嘴5贯通左腔体101和中间腔体102，第一喷嘴5的进口对着在左腔体101，喷口对着中间腔体102。第二喷嘴31贯通中间腔体102和右腔体103，第二喷嘴31的进口对着右腔体103，喷口对着中间腔体102。第一喷嘴5和第二喷嘴31相对于工件9一左一右对称布置，中心轴共线，喷口正对着工件9侧壁。

在第一喷嘴5和第二喷嘴31的进口处设置一个电磁门，电磁门连接控制器19。当电磁阀门通电即关闭，反之便打开，是控制喷嘴是否喷射的开关。

电磁阀门由弹簧3、电磁铁6和磁铁块4组成。电磁铁6和磁铁块4分别在喷嘴进口上下两侧，固定连接在隔板上。磁铁块4连接垂直的弹簧3一端，垂直的弹簧3另一端固定连接在隔板上。电磁铁6电连接控制器19，当控制器19控制电磁铁6通电时，吸引磁铁块4，磁铁块4关闭对应的喷嘴进口，此时使左腔体101、中间腔体102以及右腔体103处于密封状态；当电磁铁6断电时，弹簧3复位，将磁铁块4拉回，第一喷嘴5和第二喷嘴31打开，此时左腔体101、中间腔体102以及右腔体103互通。

在左腔体101和右腔体103内，面对着第一喷嘴5和第二喷嘴31的内侧壁上，各固定安装一个快速发热器2，采用若干个螺栓将快速发热器2固定。两个快速发热器2分别经控制线连接控制器19，由控制器19控制快速发热器2工作。

左腔体101和右腔体103内的底部各安装一个压力传感器，用于检测对应腔体中的液体压力。左腔体101和右腔体103的底壁上各开有一个排液口，排出对应腔体中的液体。左腔体101内的底部安装第一压力传感器13，底壁上开有一个第一排液口12。右腔体103内的底部安装第三压力传感器16，底壁上开有第三排液口17。第一排液口12和第三排液口17均经管道连接第一单向阀20的入口。第一压力传感器13和第三压力传感器16均经信号线连接控制器19。

第一单向阀20的出口经换向阀21连接溶液收集箱22，换向阀21经控制线连接控制器19。当打开换向阀21，溶液腔1内的液体会由于重力的作用流入溶液收集箱22中。当溶液腔1中的液体全部流入溶液收集箱22时，控制器19关闭换向阀21。

溶液收集箱22还依次经第一液泵23、第二单向阀24连接冷却箱26。第一液泵23经控制线连接控制顺19。控制器19控制第一液泵23工作时，第一液泵23将抽取溶液收集箱22中的液体输送到冷却箱26中。当第一液泵将溶液收集箱22中的液体全部输送到冷却箱26中时，控制器19关闭第一液泵23。

冷却箱26内部设置搅拌器27，参见图3所示，搅拌器27由电机32带动旋转。搅拌器27在冷却箱26中工作，搅拌器27的中心轴固定同轴心连接于电机32的输出轴，搅拌器27由电机32带动旋转。电机32固定在冷却箱26外部或内部都可，经控制线连接控制器19，由控制器19控制电机32启停。

液氮罐25经阀门28连接冷却箱26，阀门28经控制线连接控制器19，控制器19打开阀门28和电机32时，液氮罐25中的液氮会自然挥发到冷却箱26中，搅拌器27对冷却箱26作搅拌，加速冷却。当液氮罐25中的液氮会自然挥发到设定的时间时，已经实现液体均匀降温的目的，本发明设定液氮会自然挥发时间为15分钟。然后控制器19可以关闭阀门28和电机32。

在左腔体101或者右腔体103的顶部开有输液口18，液体从输液口18输入。输液口18经管道依次连接第二液泵29、过滤器30和冷却箱26，第二液泵29经控制线连接控制器19。当控制器19打开第二液泵29，可以将冷却箱26中降温后的液体通过输液口18重新输送到溶液腔1中，当冷却箱26中的液体全部输送到溶液腔1中时，溶液腔1中的空隙刚好被液体充满，此时控制器19关闭第二液泵29。

将溶液腔1中的初始压力101.325kPa(一个大气压)定义为低压状态，控制器19给电磁铁6通电，关闭第一喷嘴5和第二喷嘴31，则溶液腔1中的左腔体101、右腔体103处于封闭状态，然后控制器19控制快速发热器2发热，液体受热不断膨胀使左腔体101、右腔体103中的压力不断升高，当左腔体101、右腔体103的压力上升到高压状态，150MPa及以上状态，将其定义为高压状态，此时，由于左腔体101、中间腔体102以及右腔体103相互独立，中间腔体102的压力仍为低压状态；控制器19控制电磁铁6断电，则第一喷嘴5和第二喷嘴31打开，左腔体101、中间腔体102以及右腔体103互通，此时左腔体101和右腔体103中的高压水将通过相应的第一喷嘴5和第二喷嘴31产生水射流和冲击波冲击工件9。

本可根据工件材料的不同设置的高压状态的压力值，将高压状态调整为150MPa、200MPa、250MPa等)，来改变喷丸强度。

本发明一种基于温度交变的空化水喷丸装置的具体工作过程如下：

先将待加工的工件9放置在溶液腔1中的工作台11上，使用夹紧元件10对工件9进行夹紧，然后旋紧螺栓紧固件8，从上部对工件9进行固定。

控制器19打开第二液泵29，将冷却箱26中的液体输送到溶液腔1中，当溶液腔1中的液体被注满时，控制器19关闭第二液泵29。

同时给两个电磁门通电且关闭两个喷嘴，由控制器19同时给两个电磁铁6通电，并关闭第一喷嘴5和第二喷嘴31，并同时打开两个快速发热器2进行加热。第一压力传感器13、第三压力传感器16分别检测左腔体101、右腔体103中压力，并将压力信号传送给控制器19，当左腔体101和右腔体103中的液体压力达到高压状态(本发明定为200MPa)时，即达到了设定的高压状态，给两个电磁门断电，控制器19控制两个电磁铁6断电和两个快速发热器2停止加热。此时中间腔体102的液体压力仍为低压101.325kPa。

两个电磁铁6断电后，左腔体101和右腔体103中的高压水同时通过相应的第一喷嘴5和第二喷嘴31，产生空化水射流和冲击波同时对工件9的侧壁面进行喷丸强化。与此同时，第一压力传感器13、第二压力传感器14与第三压力传感器16分别检测左腔体101、中间腔体102以及右腔体103的液体压力，当三者的压力趋于一致时，控制器19打开换向阀21，左腔体101、中间腔体102以及右腔体103的液体受到重力的作用会自然流入溶液收集箱22中。当溶液腔1中的液体全部流入溶液收集箱中22时，控制器19关闭换向阀21。

打开第一液泵23、电机32和阀门28，溶液收集箱中22被泵入冷却箱26中，液氮罐25中的液氮挥发到冷却箱26中对液体冷却，搅拌器27工作加速液体冷却，液体在冷却箱26中得到降温。

降温后的冷水可重新输送到溶液腔1中，如此反复，在加工完成既定的工时后，旋松螺栓紧固件8并打开上端盖7与夹紧元件10，可以取出工件9。