CN107385172A - 一种用于金属表面空化射流强化的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于金属表面空化射流强化的装置，包括升降装置、三坐标移动装置、控制系统、供水系统、螺旋式空化射流喷嘴、加工池和回收池，加工池位于升降装置上，并与回收池连通，螺旋式空化射流喷嘴安装在三坐标移动装置上，并位于加工池的上方，供水系统为螺旋式空化射流喷嘴供水，控制系统控制升降装置和三坐标移动装置按照设定程序移动。本发明利用螺旋加速流道使液体介质产生旋转角速度形成漩涡，并使得漩涡的涡心压力降低至饱和蒸气压甚至负压，诱导产生大量稳定的旋涡空泡，无需引入激光等外部能量诱导产生空化空泡，通过螺旋式空化射流喷嘴扩散腔的扩散角作用，强化空化产生的效果。

Description

一种用于金属表面空化射流强化的装置

技术领域

本发明涉及强化金属材料领域，特别是涉及一种强化金属材料表面的装置。

背景技术

在某些特殊的领域需要运用高性能抗疲劳材料，如航空航天、汽车或者国防军工领域，研究发现在表面引入残余压应力可以明显的改善金属材料的疲劳强度。目前，存在许多改善表面性能的机械方法，如弹丸冲击强化、激光冲击强化、超声喷丸以及深轧和辊压等，均可以导致材料表面残余压应力的形成。

空化现象是流体动力学中一种非常普遍的现象，其广泛存在于人们的日常生活中，是引起众多水利设备无法正常运行的根源，严重阻碍了工程、医疗等领域的发展。近年来，随着国内外大量的学者对空化现象的不断深入研究，逐渐揭开了产生空蚀破坏原因的神秘面纱。在人们找到空蚀成因的同时，有些学者指出是否可以将空化时所产生的高温高压的极端物理环境利用起来，为人们所用。研究发现，空化空泡在撞击材料表面过程中形成硬化和压缩残余应力，尤其是撞击过程中没有涉及到固体的碰撞，因此空化空泡冲击波强化材料表面比传统机械强化的表面更加光滑。目前，人们在这方面已经有了不少的成果。如通过独特结构的喷嘴诱发空化，这样可以利用空化射流进行清洗；通过具有特殊结构的喷嘴诱发空化空泡的产生，利用空泡溃灭产生的局部超高压以及高强度冲击波，在金属材料的表面植入残余应力并改变其表面的晶体结构，使材料表面的强度得到加强。

然而目前针对金属表面空化射流的研究大多偏向喷嘴结构的设计以及加工后材料的变化，极少文献中记载了用于金属表面空化射流的简单示意装置，并且该装置仅针对金属材料表面是平面的情况，当金属表面是曲面的情况时，并不能取得很好的空化效果。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了一种用于金属表面空化射流强化的装置，将水力机械中产生空蚀破坏的能量利用在金属材料的强化中。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种用于金属表面空化射流强化的装置，包括升降装置、三坐标移动装置、控制系统、供水系统、螺旋式空化射流喷嘴和加工池；

所述加工池安装于升降装置上，加工池内蓄有液体；所述螺旋式空化射流喷嘴安装于三坐标移动装置上，并位于加工池的上方，所述供水系统通过管路连接到螺旋式空化射流喷嘴；

所述控制系统包括控制器、伺服系统和计算机，所述计算机与控制器和伺服系统电连接，所述控制器与三坐标移动装置电连接，控制器根据计算机的指令控制三坐标移动装置的移动，所述伺服系统与升降装置电连接，伺服系统跟姐计算机的指令控制升降台的移动。

优选地，所述螺旋式空化射流喷嘴为圆柱状，内部沿轴向设有空腔，所述空腔包括连通的圆柱腔和扩散腔，所述圆柱腔内设有螺旋加速段，所述螺旋加速段与圆柱腔过渡配合，所述螺旋加速段为圆柱状，螺旋加速段的圆柱表面上设有多条平行的螺旋加速流道。

优选地，所述螺旋加速流道的切线与螺旋式空化射流喷嘴的轴线的夹角α为50°-60°，所述螺旋加速流道的有效圈数为0.5-1，节距为5-7cm，所述螺旋加速段的长度为4-6cm，所述扩散腔的扩散角β为30°-60°。

优选地，所述升降装置包括升降台、二轴联动基座、联轴器和伺服电机，所述升降台安装于二轴联动基座上，所述伺服电机与伺服系统电连接，伺服电机通过联轴器与升降平台上的轴连接。

优选地，所述柱塞泵与螺旋式空化射流喷嘴连接的管路上设有压力表和泄压阀。

优选地，所述三坐标移动装置包括第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机和喷嘴安装支架，所述螺旋式空化射流喷嘴安装在喷嘴安装支架上，所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机均与喷嘴安装支架连接，驱动螺旋式空化射流喷嘴在空间内移动，所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机均与控制器电连接。

优选地，还包括回收池，所述加工池的底部与回收池连通，并在连通管路上设有溢流阀。

优选地，所述供水系统包括柱塞泵、伺服电机和蓄水池，所述蓄水池、柱塞泵和螺旋式空化射流喷嘴通过管路依次连接，所述柱塞泵和伺服电机电连接。

一种用于金属表面空化射流强化的装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：对试件的表面进行预处理。用无水乙醇或丙酮对试件表面进行清洗，除去试件表面的油污和灰层，将试件放入加工池内；

步骤二：启动控制系统，通过计算机和伺服系统控制升降平台处于螺旋式空化射流喷嘴下方的合适位置；

步骤三：启动伺服电机，向螺旋式空化射流喷嘴供水，监测压力表的压力值，通过泄压阀控制压力值处于安全值范围内；

步骤四：计算机向控制箱发送指令，通过控制箱控制三坐标移动装置按设定程序强化试件表面。

步骤五：强化完成后，恢复各装置初始位置，关闭计算机，将经过处理的试件取下干燥做防锈处理。

本发明的有益效果：

1.本发明将原本对水力机械设备造成空蚀破坏、工作效率下降等严重副作用的空化泡得到合理利用，使得空泡溃灭产生局部超高压及高强度冲击波直接作用在金属材料表面上，在金属材料的表面植入残余应力并改变其表面的晶体结构，使材料表面的强度得到加强，相比传统机械强化表面更加光滑。

2.本发明利用螺旋加速流道使液体介质产生旋转角速度形成漩涡，并使得漩涡的涡心压力降低至饱和蒸气压甚至负压，诱导产生大量稳定的旋涡空泡，无需引入激光等外部能量诱导产生空化空泡，并通过螺旋式空化射流喷嘴扩散腔的扩散角作用，强化空化产生的效果。

3.本发明通过设置计算机以及升降装置和三坐标移动装置，在计算机上编程，能够实现针对试件表面是曲面的情况对试件表面进行空化射流强化处理。

附图说明

图1为本发明所述一种用于金属表面空化射流强化的装置的结构示意图。

图2为本发明所述螺旋式空化射流喷嘴的结构示意图。

图3为本发明所述螺旋加速段的结构示意图。

其中：1.回收蓄水池，2.升降台，3.二轴联动基座，4.计算机，5.联轴器，6.伺服电机，7. 伺服系统，8.电机，9.柱塞泵，10.蓄水池，11.泄压阀，12.压力表，13.控制箱，14.第一步进电机，15.第二步进电机，16.第三步进电机，17.喷嘴安装支架，18.金属试件，19.加工池， 20.溢流阀，21.圆柱腔，22.螺旋加速段，23.扩散腔，24.螺旋式空化射流喷嘴，25.螺旋加速流道。

具体实施方式

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。

如图1所示，本发明所述的一种用于金属表面空化射流强化的装置，包括升降装置、三坐标移动装置、控制系统、供水系统、螺旋式空化射流喷嘴24、加工池19和回收池1；所述升降装置包括升降台2、二轴联动基座3、联轴器5和第一伺服电机6，所述升降台2安装于二轴联动基座3上，所述第一伺服电机6与伺服系统7电连接，第一伺服电机6通过联轴器 5与升降平台2上的轴连接。所述加工池19安装于升降平台2上，加工池19内蓄有清水，加工池19的底部与回收池1连通，并在连通管路上设有溢流阀20。

如图2所示，所述螺旋式空化射流喷嘴24安装于三坐标移动装置上，并位于加工池19 的上方，如图2所示，螺旋式空化射流喷嘴24为圆柱状，内部沿轴向设有空腔，所述空腔包括连通的圆柱腔21和扩散腔23，所述圆柱腔21内设有螺旋加速段22，如图3所示，所述螺旋加速段22与圆柱腔21过渡配合，所述螺旋加速段22为圆柱状，螺旋加速段22的圆柱表面上设有多条平行的螺旋加速流道25。所述螺旋加速流道25的切线与螺旋式空化射流喷嘴24的轴线的夹角α为50°～60°，所述螺旋加速流道25的有效圈数为0.5～1，节距为5-7cm，所述螺旋加速段22的长度为4～6cm，所述扩散腔23的扩散角β为30°～60°。利用螺旋流道25加速使液体介质产生旋转角速度形成漩涡，使得漩涡的涡心压力降低至饱和蒸气压甚至负压，诱导产生大量稳定的旋涡空泡，并通过角型喷嘴出口段扩张角的作用，强化空化产生的效果。

如图1所示，所述供水系统包括柱塞泵9、第二伺服电机8和蓄水池10，所述蓄水池10、柱塞泵9和螺旋式空化射流喷嘴24通过管路依次连接，并在管路上设有压力表12和泄压阀 11，泄压阀11用于控制螺旋式空化射流喷嘴24的入口压力值以保证安全，所述柱塞泵9和第二伺服电机8电连接，启动第二伺服电机8后，柱塞泵9将蓄水池中的水送入至螺旋式空化射流喷嘴24。

所述控制系统包括控制器23、伺服系统7和计算机4，所述计算机4与控制器23和伺服系统7电连接，所述三坐标移动装置包括第一步进电机14、第二步进电机15、第三步进电机 16和喷嘴安装支架17，所述螺旋式空化射流喷嘴24安装在喷嘴安装支架17上，所述第一步进电机14、第二步进电机15和第三步进电机16均与喷嘴安装支架17连接，驱动螺旋式空化射流喷嘴24在空间内移动，所述第一步进电机14、第二步进电机15和第三步进电机16 均与控制器13电连接，控制器23根据计算机4的指令控制三坐标移动装置的移动，所述伺服系统7与升降装置电连接，伺服系统7根据计算机4的指令控制升降台2的移动。

本发明所述的一种用于金属表面空化射流强化的装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：对试件18的表面进行预处理。用无水乙醇或丙酮对试件18表面进行清洗，除去试件18表面的油污和灰层，使试件20表面更光洁，防止对空化射流强化过程产生干扰，然后将试件20放入加工池19内；

步骤二：启动控制系统，通过计算机4和伺服系统控制7升降平台处于螺旋式空化射流喷嘴24下方的合适位置；

步骤三：启动伺服电机8，向螺旋式空化射流喷嘴24供水，监测压力表12的压力值，通过泄压阀11控制压力值处于安全值范围内；

步骤四：计算机4向控制箱13发送指令，通过控制箱13控制三坐标移动装置按设定程序强化试件表面。

步骤五：强化完成后，恢复各装置初始位置，关闭计算机，将经过处理的试件18取下干燥做防锈处理。

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。

Claims (10)

1.一种用于金属表面空化射流强化的装置，其特征在于，包括升降装置、三坐标移动装置、控制系统、供水系统、螺旋式空化射流喷嘴(24)和加工池(19)；

所述加工池(19)安装于升降装置上，加工池(19)内蓄有液体；所述螺旋式空化射流喷嘴(24)安装于三坐标移动装置上，并位于加工池(19)的上方，所述供水系统通过管路连接到螺旋式空化射流喷嘴(24)；

所述控制系统包括控制器(23)、伺服系统(7)和计算机(4)，所述计算机(4)与控制器(23)和伺服系统(7)电连接，所述控制器(23)与三坐标移动装置电连接，控制器(23)根据计算机(4)的指令控制三坐标移动装置的移动，所述伺服系统(7)与升降装置电连接，伺服系统(7)根据计算机(4)的指令控制升降台(2)的移动。

2.根据权利要求1所述的用于金属表面空化射流强化的装置，其特征在于，所述螺旋式空化射流喷嘴(24)为圆柱状，内部沿轴向设有空腔，所述空腔包括连通的圆柱腔(21)和扩散腔(23)，所述圆柱腔(21)内设有螺旋加速段(22)，所述螺旋加速段(22)与圆柱腔(21)过渡配合，所述螺旋加速段(22)为圆柱状，螺旋加速段(22)的圆柱表面上设有多条平行的螺旋加速流道(25)。

3.根据权利要求2所述的用于金属表面空化射流强化的装置，其特征在于，所述螺旋加速流道(25)的切线与螺旋式空化射流喷嘴(24)的轴线的夹角α为50°～60°，所述螺旋加速流道(25)的有效圈数为0.5～1，节距为5～7cm，所述螺旋加速段(22)的长度为4～6cm。

4.根据权利要求2所述的用于金属表面空化射流强化的装置，其特征在于，所述螺旋加速流道(25)的截面呈半圆形。

5.根据权利要求2所述的用于金属表面空化射流强化的装置，其特征在于，所述扩散腔(23)的扩散角β为30°～60°。

6.根据权利要求1所述的用于金属表面空化射流强化的装置，其特征在于，所述升降装置包括升降台(2)、二轴联动基座(3)、联轴器(5)和第一伺服电机(6)，所述升降台(2)安装于二轴联动基座(3)上，所述第一伺服电机(6)与伺服系统(7)电连接，第一伺服电机(6)通过联轴器(5)与升降平台(2)上的轴连接。

7.根据权利要求1所述的用于金属表面空化射流强化的装置，其特征在于，所述柱塞泵(9)与螺旋式空化射流喷嘴(24)连接的管路上设有压力表(12)和泄压阀(11)。

8.根据权利要求1所述的用于金属表面空化射流强化的装置，其特征在于，所述三坐标移动装置包括第一步进电机(14)、第二步进电机(15)、第三步进电机(16)和喷嘴安装支架(17)，所述螺旋式空化射流喷嘴(24)安装在喷嘴安装支架(17)上，所述第一步进电机(14)、第二步进电机(15)和第三步进电机(16)均与喷嘴安装支架(17)连接，驱动螺旋式空化射流喷嘴(24)在空间内移动，所述第一步进电机(14)、第二步进电机(15)和第三步进电机(16)均与控制器(13)电连接。

9.根据权利要求1所述的用于金属表面空化射流强化的装置，其特征在于，还包括回收池(1)，所述加工池(19)的底部与回收池(1)连通，并在连通管路上设有溢流阀(20)。

10.根据权利要求1所述的用于金属表面空化射流强化的装置，其特征在于，所述供水系统包括柱塞泵(9)、伺服电机(8)和蓄水池(10)，所述蓄水池(10)、柱塞泵(9)和螺旋式空化射流喷嘴(24)通过管路依次连接，所述柱塞泵(9)和伺服电机(8)电连接。