CN101029350A - 一种利用高压水射流进行表面强化的工艺方法 - Google Patents

一种利用高压水射流进行表面强化的工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用高压水射流技术对金属材料表面进行强化的工艺方法。它是利用高压水切割机产生的水射流在开放式的水箱中进行金属材料表面强化，强化能力达到了HN＝0.11mm，由于作为高压水冲击强化辅助装置的水箱，其结构简单，易于制造，成本低廉，便于操作，使得整台设备结构简化、成本降低，与高压水切割设备之间的有良好的适配性，并且运行稳定，易于实现数字化控制，并且对环境没有污染，达到了环保的目的；另外，利用本发明的方法在提高材料疲劳性能的基础上，获得了良好的材料表面质量，并能实现狭窄区域的表面强化。

Description

一种利用高压水射流进行表面强化的工艺方法
技术领域
本发明涉及一种利用高压水射流技术对金属材料表面进行强化的工艺方法。
背景技术
表面强化技术在航空工业中占有重要位置，其中应用最为广泛的为喷丸强化，主要应用于承受交变应力的航空结构件，如齿轮、壁板、发动机的叶盘和叶片及起落架等。利用喷丸强化可以提高零件的抗应力腐蚀能力和疲劳寿命。航空工业的发展对材料表面性能提出了越来越高的要求，希望在提高金属表面硬度和抗疲劳强度的同时改善其表面质量，防止应力集中，并增加耐磨性能；另外，还要能够强化零件的狭窄区域。这就对表面强化技术提出了更高的要求。
喷丸强化所采用的设备为气动喷丸机或抛丸机，设备复杂、庞大且价格不菲。虽然传统喷丸强化工艺能够在金属材料表面形成较高的残余压应力和较好的残余压应力层分布，但由于刚性弹丸与金属材料表面之间的碰撞，会导致材料表面粗糙，降低零件的耐磨性，某些情况下还会使材料表面的微观裂纹容易扩展，引起疲劳性能下降，从而导致整个构件失效。
高压水冲击强化技术是近年来兴起的新技术，高压水冲击强化技术基于流体力学的液体冲蚀效应，即液滴冲蚀和气泡溃灭。当将高压水切割机的高速水射流引入水下环境时，会产生这两种现象，并且会引起金属材料表面发生微观塑性变形，形成大面积微小而平滑的凹坑，从而改善材料表层质量和残余应力的分布，提高材料的强度和疲劳性能等。高压水冲击强化技术能够弥补传统喷丸强化工艺的不足，在提高材料疲劳性能的基础上，可以同时获得良好的材料表面质量，容易实现狭窄区域的表面强化。
但是，高压水冲击强化设备及工艺方法都较为复杂，采用专用的高压水装置，其强化过程在密封的水箱中进行，该方法中的喷嘴固定不动，只能对试件进行原位强化，强化压力较低(15～50MPa)；有的研究者通过改变射流形态(如脉冲射流等)和在喷嘴部位添加加热器来提高强化效果，但设备结构复杂，成本较高；为了提高强化效果，有的研究者将石英砂或玻璃弹丸加入高压水射流中，但此种方法会在金属表面引入杂质，并且表面质量也不十分理想。
发明内容
本发明目的是提出一种设备结构简单，强化后的金属表面质量好，且利用高压水射流进行表面强化的工艺方法。本发明的技术解决方案是，
1)将水箱置于二坐标高压水切割机的工作台面上，并将被加工件装夹于水箱中；
2)操作二坐标高压水切割机控制台，将高压水喷嘴移至水箱中，使其距被加工件距离5～10mm，关闭水箱出水管的蝶阀，向水箱中注水至使水箱中的水平面距高压水喷嘴口110～130mm；
3)启动高压水切割机的液压和气压系统，调整水射流的压力为90～120MPa；
4)确定高压水喷嘴的移动轨迹并绘制轨迹图输入到控制台的数控系统中进行编程，启动高压水喷嘴沿强化轨迹空运行，确定无误后，调节高压水喷嘴口距被加工件的高度20～40mm；
5)同时启动高压水切割机的压力泵和气泵开关，紧接着启动程序开关，开启出水管，调节水箱出水量保证水箱中的水位不变。
作为高压水冲击强化辅助装置的水箱，水箱由箱体、出水管、观察窗、夹具、工作平台和工作台支柱等组成，箱体侧面的观察窗由不锈钢法兰盘和紧固螺栓将有机玻璃固定在箱体上，且在有机玻璃四周涂密封胶；箱体底部侧面的出水管是焊在箱体上的；箱体内部底面安装有工作平台，平台上开有螺纹孔，试验件通过试件压条和螺栓来固定在工作平台上；整个工作平台通过螺栓固定在工作台支柱上，而工作台支柱则被焊接在箱体底面上。
本发明利用高压水切割机产生的水射流在开放式的水箱中进行金属材料表面强化，强化能力达到了HN＝0.11mm，由于作为高压水冲击强化辅助装置的水箱，其结构简单，易于制造，成本低廉，便于操作，使得整台设备结构简化、成本降低，与高压水切割设备之间的有良好的适配性，并且运行稳定，易于实现数字化控制，并且对环境没有污染，达到了环保的目的；另外，利用本发明的方法在提高材料疲劳性能的基础上，获得了良好的材料表面质量，并能实现狭窄区域的表面强化。
附图说明
图1为本发明水箱结构示意图；
图2为本发明高压水冲击强度随喷射次数的变化曲线图。
具体实施方式
高压水冲击强化水箱的主要结构为：
箱体上部为开放式的；箱体的侧面设置有观察窗2，以利于试验过程的监控；箱体底部的侧面设置有出水管3，试验过程中将蝶阀安装在出水管3上来控制箱体中的液面；箱体内部底面安装有工作平台4，平台上开有螺纹孔，试验件通过试件压条5和螺栓来固定在工作平台4上；整个工作平台4通过螺栓固定在工作台支柱6上，而工作台支柱6则被焊接在箱体底面上。
本发明主要强化工艺步骤为：
1)将高压水冲击强化辅助试验装置(非密封的水箱)放置于二坐标高压水切割机的工作台面上，调整至合适位置。
2)通过试件压条、夹板、垫块等专用夹具将试验件装夹于水箱里的工作平台4上，确保试验件的位置固定不变。
3)通过二坐标高压水切割机控制台上的操作，将高压水喷嘴1移至水箱中，使其距试验件的距离为5～10mm。关闭水箱出水管3上的蝶阀8，将水注入到水箱中，使水没过高压水喷嘴1，并使水箱中的水平面距高压水喷嘴口的距离为110～130mm。
4)首先调整高压水喷嘴到水箱工作平台以外的区域(避免高速水射流冲击工作平台)，然后启动高压水切割机的液压和气压系统，产生稳定的高速水射流7，然后调整水射流7的压力为90～120MPa。
5)首先根据试验件的不同形式，确定高压水喷嘴1移动的轨迹，并利用AutoCAD软件进行绘制。然后根据绘制的轨迹来确定强化的起始点，并将高压水喷嘴移动到该点。利用CAD/CAM转换将高压水喷嘴移动的轨迹数据输入到控制台的数控系统中，进行编程。然后通过高压水切割机的控制台启动高压水喷嘴使其沿强化轨迹空运行(无水射流产生)，以确定无误。最后调节高压水喷嘴距试件到设定的高度20～40mm。
6)确定高压水切割机和强化辅助试验装置工作状态正常后，同时启动高压水切割机的压力泵和气泵开关，紧接着启动程序开关，使高压水喷嘴运动轨迹按程序进行，并对试验件进行高压水冲击强化。此时，打开出水管的蝶阀，调节出水量，并保证水箱中的水位不变。
7)通过强化辅助试验装置的观察窗对试验过程进行监控。
实施例一
对7075T651铝合金进行强化处理。
1)将高压水冲击强化辅助试验装置(非密封的水箱)放置于二坐标高压水切割机的工作台面上，调整至合适位置。
2)通过试件压条、夹板、垫块等专用夹具将试验件装夹于水箱里的工作平台上，确保试验件的位置固定不变。
3)通过二坐标高压水切割机控制台上的操作，将高压水喷嘴移至水箱中，使其距试验件的距离为5mm。关闭水箱出水管上的蝶阀，将水注入到水箱中，使水没过高压水喷嘴，并使水箱中的水平面距高压水喷嘴口的距离为120mm。
4)首先调整高压水喷嘴到水箱工作平台以外的区域(避免高速水射流冲击工作平台)，然后启动高压水切割机的液压和气压系统，产生稳定的高速水射流，然后调整水射流的压力为110MPa。
5)首先根据试验件的不同形式，确定高压水喷嘴移动的轨迹，并利用AutoCAD软件进行绘制。然后根据绘制的轨迹来确定强化的起始点，并将高压水喷嘴移动到该点。利用CAD/CAM转换将高压水喷嘴移动的轨迹数据输入到控制台的数控系统中，进行编程。然后通过高压水切割机的控制台启动高压水喷嘴使其沿强化轨迹空运行(无水射流产生)，以确定无误。最后调节高压水喷嘴距试件到设定的高度30mm。
6)确定高压水切割机和强化辅助试验装置工作状态正常后，同时启动高压水切割机的压力泵和气泵开关，紧接着启动程序开关，使高压水喷嘴运动轨迹按程序进行，并对试验件进行高压水冲击强化。此时，打开出水管的蝶阀，调节出水量，并保证水箱中的水位不变。
7)通过强化辅助试验装置的观察窗对试验过程进行监控。
其强化后的试件表面显微硬度和表面粗糙度的结果如表1、2所示。
表17075T651试件的表面显微硬度
  项目试验号   预加力(gN)   点1   点2   点3   平均值(Hk)   备注
  1   10   281.8   217.2   197.9   232.2   未强化
  2   10   261.5   234.0   205.5   233.5   未强化
  3   10   443.9   481.6   271.6   399.0   高压水强化
  4   10   445.2   400.1   129.9   325.0   高压水强化
表27075T651试件的表面粗糙度
  项目试验号 途径1 途径2 途径3 平均值 备注 Rz/μm
  1   0.17   0.25   0.21   0.21  未强化1   4.0
  2   0.24   0.33   0.50   0.36  未强化2
  3   1.35   1.11   1.50   1.32  高压水强化1   5.2
  4   1.51   1.45   1.36   1.44  高压水强化2
疲劳拉伸试件的条件疲劳极限通过公式计算。“m”为有效试验的总次数，“n”为试验应力水平级数，“σi”为第i级应力水平，“Vi”为第i级应力水平下的试验次数。7075T651原始试件及经高压水冲击强化后试件的条件疲劳极限分别为σN(7075)＝7.6625KN和σW(7075)＝9.296KN，提高幅度为20.4％。
σN = 1 m Σ i = 1 n V i σ i
实施例二
对TC4钛合金表面进行强化。
1)将高压水冲击强化辅助试验装置(非密封的水箱)放置于二坐标高压水切割机的工作台面上，调整至合适位置。
2)通过试件压条、夹板、垫块等专用夹具将试验件装夹于水箱里的工作平台上，确保试验件的位置固定不变。
3)通过二坐标高压水切割机控制台上的操作，将高压水喷嘴移至水箱中，使其距试验件的距离为5～10mm。关闭水箱出水管上的蝶阀，将水注入到水箱中，使水没过高压水喷嘴，并使水箱中的水平面距高压水喷嘴口的距离为130mm。
4)首先调整高压水喷嘴到水箱工作平台以外的区域(避免高速水射流冲击工作平台)，然后启动高压水切割机的液压和气压系统，产生稳定的高速水射流，然后调整水射流的压力为120MPa。
5)首先根据试验件的不同形式，确定高压水喷嘴移动的轨迹，并利用AutoCAD软件进行绘制。然后根据绘制的轨迹来确定强化的起始点，并将高压水喷嘴移动到该点。利用CAD/CAM转换将高压水喷嘴移动的轨迹数据输入到控制台的数控系统中，进行编程。然后通过高压水切割机的控制台启动高压水喷嘴使其沿强化轨迹空运行(无水射流产生)，以确定无误。最后调节高压水喷嘴距试件到设定的高度35mm。
6)确定高压水切割机和强化辅助试验装置工作状态正常后，同时启动高压水切割机的压力泵和气泵开关，紧接着启动程序开关，使高压水喷嘴运动轨迹按程序进行，并对试验件进行高压水冲击强化。此时，打开出水管的蝶阀，调节出水量，并保证水箱中的水位不变。
7)通过强化辅助试验装置的观察窗对试验过程进行监控。
其强化后的试件表面显微硬度和表面粗糙度的结果如表3、4所示。
表3TC4试件的表面显微硬度
  项目试验号   预加力(gN)   点1   点2   点3   平均值(Hk)   备注
  1   25   381.1   346.1   442.9   390.0   未强化
  2   25   431.6   322.5   381.1   378.4   未强化
  3   25   598.5   537.3   405   513.6   高压水强化
  4   25   560.5   556.2   396   504.2   高压水强化
表4TC4试件的表面粗糙度
  项目试验号   途径1   途径2   途径3   平均值   备注   Rz/μm
  1   0.47   0.47   0.43   0.46   未强化1   4.0
  2   0.40   0.38   0.39   0.39   未强化2
  3   0.82   0.71   0.60   0.71   高压水强化1   3.7
  4   0.51   0.63   0.52   0.55   高压水强化2   4.0
疲劳拉伸试件的条件疲劳极限通过公式计算。“m”为有效试验的总次数，“n”为试验应力水平级数，“σi”为第i级应力水平，“Vi”为第i级应力水平下的试验次数。TC4原始试件及经高压水冲击强化后试件的条件疲劳极限分别为σN(TC4)＝14.875KN和σW(TC4)＝16.1KN，提高幅度为8.2％。
σN = 1 m Σ i = 1 n V i σ i

Claims (2)

1.一种利用高压水射流进行表面强化的工艺方法，其特征是，
1)将水箱置于二坐标高压水切割机的工作台面上，并将被加工件装夹于水箱中；
2)操作二坐标高压水切割机控制台，将高压水喷嘴移至水箱中，使其距被加工件距离5～10mm，关闭水箱出水管的蝶阀，向水箱中注水至使水箱中的水平面距高压水喷嘴口110～130mm；
3)启动高压水切割机的液压和气压系统，调整水射流的压力为90～120MPa；
4)确定高压水喷嘴的移动轨迹，并绘制轨迹图输入到控制台的数控系统中进行编程，启动高压水喷嘴沿强化轨迹空运行，确定无误后，调节高压水喷嘴口距被加工件的高度20～40mm；
5)同时启动高压水切割机的压力泵和气泵开关，紧接着启动程序开关，开启出水管，调节水箱出水量保证水箱中的水位不变。
2.一种用于权利要求1所述利用高压水射流进行表面强化的工艺方法的水箱，其特征是，上部为开放式的；箱体的侧面设置有观察窗[2]；箱体底部的侧面设置有出水管[3]，出水管[3]上安装蝶阀[8]；箱体内部底面安装有工作平台[4]，平台上开有螺纹孔，试验件通过试件压条[5]和螺栓固定在工作平台[4]上；整个工作平台[4]通过螺栓固定在工作台支柱[6]上，工作台支柱[6]焊接在箱体底面上。
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