CN101293230A - 通气式喷嘴和可调式空化水喷丸方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通气式喷嘴，其特征在于，具有：喷嘴主体；进水接口部，其位于所述喷嘴主体的一端部的中央，向着喷嘴主体的中心部凹入；高压水喷孔，与所述进水接口部相连通，沿着所述喷嘴主体的轴向延伸；变压喇叭口部，位于所述喷嘴主体的另一端部，其与所述高压喷水孔连通，其径向尺寸随着接近所述高压水喷孔而逐渐减小，直到与高压喷水孔的尺寸一致；和通气孔，其连通变压喇叭口部的内侧面和外侧面。

Description

通气式喷嘴和可调式空化水喷丸方法

技术领域

本发明涉及一种通气式喷嘴以及使用这种喷嘴的新型高速空化水喷丸方法，更详细地说，本发明提供一种能够控制混相流中的空穴量和空穴尺寸的通气式喷嘴以及使用这种喷嘴而在水中实现高速混相流喷丸的可调式空化水喷丸方法。

背景技术

众所周知，在高速高压水力机械中会有含有微小空穴的混相流、即空气化流体出现，这种流体在高速高压下常常会导致严重的表面气蚀损害，例如，空穴现象对泵、阀体、飞机螺旋推进器、水下涡轮喷射发动机等的损害。然而，另一方面，上述空穴现象也能产生大量的微小空穴云，微小空穴在材料的表面爆炸就能产生高达数GPa的压力。如果合理利用这些微小空穴云也能对材料的表面起到喷丸效应，并在表面形成一个残余压应力层，从而提高材料的疲劳寿命及耐磨能力，这一技术也称做水泡喷丸(Water cavitation peening)。与传统的喷丸技术相比，水中空穴可调式高速混相流喷丸的特点是：能够均匀地强化齿轮、各种轴类、钢轨等各种形状复杂的机械零部件；由于这种喷丸技术对入射角度没有要求，各个方向上的喷丸效果基本相同，而且对强化表面的局部控制比较灵活方便；对表面粗糙度没有恶化影响，有利于提高疲劳寿命和表面的耐磨性；喷丸中温度恒定，对材料表面没有热影响；无毒无污物使用没有环境污染，具有经济效果好等优点。

发明内容

本发明的目的是发明研制出一种新型可通气喷嘴，利用这一新型喷嘴可在水中对材料表面进行混相流水喷丸强化处理，除了能够更有效地强化齿轮、各种轴类、钢轨等各种形状复杂的机械零部件，还可以把这一技术适用于强化轴承，各种管道的内壁和微小孔的内部表面的强化；特别是通过在机械零部件的近表面形成残余压应力层，有效地提高材料的疲劳寿命和耐磨性，实现了对微小零部件，管状和具有小孔的零部件的表面强化处理。

本发明提供一种通气式喷嘴，其特征在于，具有：

喷嘴主体；

进水接口部，其位于上述喷嘴主体的一端部的中央，向着喷嘴主体1的中心部凹入；

高压水喷孔，与上述进水接口部相连通；

变压喇叭口部，位于上述喷嘴主体的另一端部，其与上述高压喷水孔相连，其径向尺寸随着接近上述高压水喷孔而逐渐减小，直到与高压喷水孔3的尺寸一致；和

通气孔，其连通变压喇叭口部4的内侧面和外侧面(也就是喷嘴主体的侧面)。

上述通气式喷嘴的优选特征在于，上述变压喇叭口的角度θ为30度以上，60度以下。

上述通气式喷嘴的优选特征在于，上述通气孔与高压水喷孔之间的角度Φ在0～90度之间。

上述通气式喷嘴的优选特征在于，上述通气孔的尺寸为0.5mm-1.5mm。

上述通气式喷嘴的优选特征在于，上述喷嘴主体在靠近上述进水接口部的一侧形成有台阶部。

上述通气式喷嘴的优选特征在于，上述进水接口部的内径和上述高压水喷孔的直径的比例范围在2～200倍之间。

上述通气式喷嘴的优选特征在于，上述进水接口部的凹入深度和上述高压水喷孔的轴向长度的比例范围是1/2到1/200之间。

本发明还提供一种可调式空化水喷丸方法，其特征在于，包括以下步骤：

将被喷丸体置于工作水槽中，

将上述通气式喷嘴置于充满水的工作水槽中，将其淹没一定深度，使被喷丸体的规定部位与该喷嘴隔开规定的距离；

利用泵系统向上述通气式喷嘴供给一定压力的水；

利用通气系统向上述通气小孔供给气体；和

向被处理物体的规定部位进行规定时间的水喷丸处理。

上述可调式空化水喷丸方法的优选特征在于，在通气泵与通气小孔的连接通路上设置有通气流量计，在向通气小孔通气过程中，通过调整通气流量，根据感压纸对不同通气量的空穴云内压变化规律和极值点位置测定结果，选择合理的通气量及喷嘴出口至被喷丸体表面的喷射距离。

上述可调式空化水喷丸方法的优选特征在于，上述被喷丸体是具有1～10mm小孔的部件。

上述可调式空化水喷丸方法的优选特征在于，上述被喷丸体的规定部位是指上述小孔的端部。

上述可调式空化水喷丸方法的优选特征在于，上述被喷丸体是可转动体。

上述可调式空化水喷丸方法的优选特征在于，上述可转动体是齿轮或者轴类部件。

上述可调式空化水喷丸方法的优选特征在于，上述被喷丸体是钢轨。本发明的优点在于和传统的喷丸相比，可以不使用成本较高的金属丸、陶瓷丸、玻璃丸等介质，仅使用成本较低的循环水，有很好经济性。

这种喷丸适用于对各种材料和机械零部件的表面强化处理，特别适用于复杂形状的机械零部件，管类部件的内孔和小孔内部的表面强化。

总之，可调式空气化喷丸可通过调整喷嘴内的通气量，改变空穴云内压力和空穴云的高压极值位置，从而优化选择喷丸时间和喷嘴出口到被喷丸零部件表面的距离。通过这个发明能够在机械零部件近表层形成稳定的一定深度的残余压应力层，提高零部件的疲劳寿命及耐腐蚀能力。尤其能够实现对微小复杂表面的强化处理，例如，对微小孔和微小齿轮的表面强化处理。和传统的喷丸相比它具有以下优点：能够实现对微小复杂表面的强化处理；对材料表面损伤小，能够获得更光滑的表面粗糙度；在工作时水温恒定，对材料表面没有附加热影响；没有入射角度的要求，他在各方向上的工作能力是一致的，使操作更为灵活方便；更为环保更为经济等。

附图说明

图1可调式空穴化喷丸系统图。

图2可通气喷嘴的截面示意图。

图3对小孔内径喷丸用的试样。

图4具有双缺口的拉伸疲劳试样。

具体实施方式

本发明涉及一种可通气喷嘴，通气量调整方式和喷丸装置系统。喷丸处理时，将喷嘴置于充满水的水槽中，将其淹没一定深度，不同压力的高压水以和不同通气量的空穴一起从喷嘴喷出，管道水在通过喷嘴小孔时被加速，管道水中的空穴通过喷嘴小孔的瞬间会被分解细化成大到数百微米左右小到数十微米之间的微小空穴，这些空穴的尺寸可根据通气量来控制，空穴通过喷嘴后立刻形成空穴云，空穴云在自身的膨胀与收缩中，在和固体(机械零部件)碰撞时，就会由于空穴云中空穴的气液边界层压力的突然改变，引发空穴的再爆裂分解，使较大的空穴被再次分解成更小的空穴(约达数十微米)，这些更微小空穴自身可承受高达1-2GPa的外压，空穴再次爆裂分解的瞬间还可以对周围的微小空间产生GPa级压力。在水中，从喷嘴出口处产生的空穴云会呈现内压的增加并促进了微小空穴的增多，导致空穴云体容积增大，并在某一距离处达到极大值。随后由于高速混相流的紊流效应，随后的空穴云体容积呈现被压缩和膨胀的多次循环，并多次达到极值点。本发明通过改变通气量可以调整空穴云的极值点和空穴内压力，从而增大了水喷丸的使用范围，特别是可处理管道和具有小孔的机械零部件。另外，本发明使用感压纸来掌握了多次极值点位置和空穴云内压力变化的规律。通过喷嘴内通气量的调整，结合各空穴云极值点内空穴云内压变化规律，便可以确定对不同机械零部件的喷丸最优实施条件。特别是对微细管道和小孔部件的喷丸处理。只要将需强化的零部件表面置于最佳位置，就可以进行合理有效的水喷丸强化处理。

具体的实施方式，系统和可通气喷嘴如图1和图2所示。图1的系统包括四部分，第一部分是①储水罐，第二部分是由低压泵②和高压泵③组成，第三部分是工作水槽④，第四部分有通气流量计⑤，通气泵⑥，回转机构⑦，工件⑧和喷嘴⑨组成。

通气式喷嘴⑨的结构如图2所示，1是喷嘴主体，喷嘴主体为圆柱形状。沿着喷嘴主体的轴向，大体上可以划分为进口部、加压部、出口部(也即减压部)，其中2是进水接口部，其位于喷嘴主体1的一端部的中央(必须是中央)，是向着喷嘴主体1的中心部为一定尺寸的圆柱形凹入结构。3是与上述进水接口部2相连通的高压水喷孔，通过流体力学原理起到湍流加压作用，其径向尺寸比上述进水接口部2的同方向尺寸小。由于进口部的孔径比加压孔3的孔径大，所以为了增强喷嘴结构的强度，使喷嘴主体外径成图示台阶状，即喷嘴主体下部直径较大，而上部较小，这种形状也便于固定喷嘴。进水接口部1的内径和加压孔3的直径的比例范围是2～200倍之间，进水接口部孔深和加压孔3轴向长度的比例范围是1/2到1/200之间。4是位于喷嘴主体1的另一端部的变压喇叭口部，其与上述高压喷水孔3相连，其径向尺寸随着接近高压水喷孔3而逐渐减小，直到与高压喷水孔3的尺寸一致，根据流体力学原理该变压喇叭口的角度θ为30度以上60度以下的范围，通过此变压喇叭口改变喷嘴出口的压力。5是通气孔，其开口于变压喇叭口部4的内侧面，连通变压喇叭口部4的内侧面和外侧面(也就是喷嘴主体的侧面)，而且，该通气孔的直径尺寸可在0.5mm之1.5mm的范围内变化，在本实施例中是1mm，在变压喇叭口部4的侧面可以对称地或者非对称地设有2n个通气孔(n为整数)。该通气孔5的作用是增加空气穴，连通于图1所述的通气泵6。图2所示的通气喷嘴中的通气孔5和喷嘴小孔3的夹角Φ可从0度到90度的范围内变化，即可根据被喷丸部件的形状特性，或者喷丸的要求，可改变通气孔与垂直于喷嘴小孔轴线的夹角。

实施例1：

为了证实本发明对微小复杂表面的处理能力，将具有10，8，6，4，1毫米直径小孔的试件(图3)置于水槽中，关于上述小孔的深度，可深达40mm，也可为60mm，甚至更大。为将喷嘴置于一定水深的水槽中，当数十MPa以上的高压水经过喷嘴的细小喉口及喇叭口后喷出，根据本发明内容中所叙述的原理，这时就会产生空穴云和压力变化现象。根据通气流量计来调整通气量和空穴云内压，根据感压纸对不同通气量的空穴云内压变化规律和极值点位置测定结果，选择合理的通气量及最佳的极值点位置，然后根据材质不同调整喷丸时间，使用具有1至数毫米直径小孔的试样，将小孔的中心和喷嘴的中心重合，把从小孔的端部到喷嘴孔端部的距离调整到合理的极值点位置，空穴云的喷射方向如图3的箭头1所表示的方向。然后按合理的喷丸时间进行水喷丸强化处理。一个小孔的喷丸处理结束后，在保持小孔的端部到喷嘴孔端部的距离不变的条件下将喷嘴移动到其中心和另一个小孔的轴心重合的位置，对另一个小孔进行喷丸。依此类推，所有的小孔喷丸处理后，再用X射线衍射方法对喷丸前后小孔表面的残余应力进行测量，就会发现经水喷丸处理后小孔表面上能产生均匀的压缩残余应力。而且能把试样被机械切削加工后产生的数百MPa拉应力改变为数百MPa的压应力，这说明用此喷嘴的喷丸技术能够在形状复杂的微小零部件的表面形成残余压应力层，有效的提高零部件表面的强度和耐磨性。图1中的工件为回转类机械零件(如齿轮和回转轴等，被喷丸部件尺寸可根据工作水槽变更)。

实施例2：

实施例2对淬火后的碳钢表面进行喷丸强化，并验证了空穴喷丸对热处理机械零部件的疲劳寿命的强化作用。实施例中，将具有微小对称双缺口的拉伸疲劳试样(图4)经淬火后置于一定水深的水槽中，根据感压纸对不同通气量的空穴云内压变化规律和极值点位置测定结果，选择合理的通气量及最佳的极值点位置，喷丸时试样的断面被完全包裹在空穴云内(即空穴云的断面尺寸大于试样的断面尺寸)。选择适当的喷丸时间对试样进行水喷丸强化处理。然后利用X射线衍射的方法对缺口尖端的残余应力进行测定，并用电解抛光的方法对试样近表面的残余应力进行逐层测定，测定结果表明在强化处理后会在试样近表层形成了一定深度的残余压应力层，最大应力值达到数百MPa压缩应力，再到具有原位观察的疲劳实验机上进行拉拉疲劳测试，发现经水喷丸强化处理试样的试样疲劳强度可提高25％以上，疲劳裂纹的生长速度明显低于未处理过的试样，这说明用此喷嘴的喷丸技术能够在机械零部件的近表面形成残余压应力层，有效地提高材料的疲劳寿命。

实施例3：

为了证实本发明能够均匀地强化齿轮，各种轴类等可回转的各种形状复杂的机械零部件，本实施例将渗碳淬火后的齿轮(齿轮外径为54.6mm，模数2mm，齿宽为15，齿轮内孔孔径为20mm)套在一个回转轴上置于一定水深的水槽中，齿轮在马达的驱动下可按一定的速度旋转(图1)，实现对整个齿轮表面的强化处理，根据感压纸对不同通气量的空穴云内压变化规律和极值点位置测定结果，选择合理的通气量及最佳的极值点位置，选择适当的喷丸时间对试样进行空穴喷丸强化处理，然后利用X射线衍射的方法对齿轮表面的残余应力进行测定，会发现在轮齿的表面和根部在各方向上的残余压应力值是均匀一致的，最大值高达到1GPa，这说明用此喷嘴的喷丸技术能够强化齿轮，各种轴类，钢轨等各种形状复杂的机械零部件，同时证明此喷丸技术对入射角度没有要求，各个方向上的喷丸效果基本相同。

总之，本发明提供的通气喷嘴以及可调节通气流量的空穴喷丸方式，具有以下主要特征：

a)可以控制高压水喷丸时的空穴尺寸和空穴云内的压力强度；

b)可以根据机械零部件的特点，根据感压纸对不同通气量的空穴云内压变化规律和极值点位置测定结果，选择合理的通气量及最佳的极值点位置(喷嘴出口至喷丸零件表面的喷射距离)，使得空穴喷丸达到最佳效果；可对直径1mm，深度60mm以内以上的小孔进行喷丸强化处理；

c)对复杂形状的机械零件喷丸后，近表层形成稳定的一定深度的残余压应力层，从而提高材料的疲劳寿命及耐腐蚀能力；

d)能够实现对微小复杂表面的强化处理；

e)能够对轴类，齿轮类回转型零件进行表面强化。

通气喷嘴的结构为；包括：喷嘴主体1；进水接口部2；高压水喷孔3；变压喇叭口部4；和通气孔5；其中通气孔与喷嘴出口的夹角可根据喷丸的要求改变。

Claims (15)

1.一种通气式喷嘴，其特征在于，具有：

喷嘴主体；

进水接口部，其位于所述喷嘴主体的一端部的中央，向着喷嘴主体的中心部凹入；

高压水喷孔，与所述进水接口部相连通，沿着所述喷嘴主体的轴向延伸；

变压喇叭口部，位于所述喷嘴主体的另一端部，其与所述高压喷水孔连通，其径向尺寸随着接近所述高压水喷孔而逐渐减小，直到与高压喷水孔的尺寸一致；和

通气孔，其连通变压喇叭口部的内侧面和外侧面。

2.如权利要求1所述的通气式喷嘴，其特征在于，所述变压喇叭口的角度θ为30度以上，60度以下。

3.如权利要求1所述的通气式喷嘴，其特征在于，所述通气孔与所述高压水喷孔的轴线之间的角度Φ在0～90度之间。

4.如权利要求1所述的通气式喷嘴，其特征在于，所述通气孔的径向尺寸为0.5mm-1.5mm。

5.如权利要求1所述的通气式喷嘴，其特征在于，所述喷嘴主体在靠近所述进水接口部的一侧形成有台阶部。

6.如权利要求1所述的通气式喷嘴，其特征在于，

所述进水接口部的内径和所述高压水喷孔的直径的比例范围在2～200倍之间。

7.如权利要求1所述的通气式喷嘴，其特征在于，

所述进水接口部的凹入深度和所述高压水喷孔的轴向长度的比例范围是1/2到1/200之间。

8.如权利要求1所述的通气式喷嘴，其特征在于，

所述通气孔的个数为2n个，可以对称地或非对称地设置。

9.一种可调式空化水喷丸方法，其特征在于，包括以下步骤：

将被喷丸体置于工作水槽中，

将权利要求1～8所述的通气式喷嘴置于充满水的工作水槽中，将其淹没一定深度，使被喷丸体的规定部位与该喷嘴隔开规定的距离；

利用泵系统向所述通气式喷嘴供给一定压力的水；

利用通气系统向所述通气小孔供给气体；和

向被处理物体的规定部位进行规定时间的水喷丸处理。

10.如权利要求9所述的可调式空化水喷丸方法，其特征在于，

在通气泵与通气小孔的连接通路上设置有通气流量计，在向通气小孔通气过程中，通过调整通气流量，根据感压纸对不同通气量的空穴云内压变化规律和极值点位置测定结果，选择合理的通气量及喷嘴出口至被喷丸体表面的喷射距离。

11.如权利要求9所述的可调式空化水喷丸方法，其特征在于，

所述被喷丸体是具有1～10mm小孔的部件。

12.如权利要求11所述的可调式空化水喷丸方法，其特征在于，

所述被喷丸体的规定部位是指所述小孔的端部。

13.如权利要求9所述的可调式空化水喷丸方法，其特征在于，

所述被喷丸体是可转动体。

14.如权利要求13所述的可调式空化水喷丸方法，其特征在于，

所述可转动体是齿轮或者轴类部件。

15.如权利要求9所述的可调式空化水喷丸方法，其特征在于，

所述被喷丸体是钢轨。

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