CN108890541B - 一种人工淹没式空化射流微零件塑性成形的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种尺寸处于微米级零件的人工淹没式空化射流微零件塑性成形的装置及方法，工作流体经三通阀的一个出口处流向增压缸和调速阀，压力和流量增大后进入喷嘴中；打开截止阀，微型磨粒罐中的纳米级磨粒喷入喷嘴中与流体混合，再从喷嘴下端的出口喷出；三通阀内部的剩余流体从三通阀的另一个出口经减压阀后进入套管内；混合均匀的纳米级磨粒与流体从喷嘴出口高速喷出时，与套管内的低压流体相遇，构成强剪切并产生大量空泡喷向待加工微零件；将空化射流与纳米级磨粒相结合具有相互促进的作用，有利于空化产生，有利于微零件的塑性成形且加工位置不会产生裂纹，还有利于工件成形处的表面抛光和强化作用，从而保证其强度和耐疲劳性等要求。

Description

一种人工淹没式空化射流微零件塑性成形的装置及方法

技术领域

本发明涉及尺寸处于微米级零件微塑性成形技术领域，特指一种人工淹没式空化射流微零件塑性成形的装置及方法。

背景技术

随着微机电系统的快速发展，具有轻、薄、短、小、多功能特点的微型产品需求量不断增加，从而带动了金属微成形技术的发展，产品微型化成为了工业、制造业发展的一个重要趋势。由于在材料、结构以及尺度效应等方面的变化，微零件加工成形的难度越来越大，一方面来自于材料性能的提高，另一方面来自于结构微型化带来的复杂性。

目前对于微零件的加工方法主要有：传统机械加工、微细电火花加工、激光加工、电子束加工、微细电腐蚀加工、离子束加工、微塑性成形加工等。其中，金属箔材微零件塑性成形加工应用较广的是机械微冲压技术和激光微冲击成形技术。机械微冲压技术存在许多技术缺陷：1）冲头的制造成本高，效率低；2）由于冲头尺寸小、强度低，轻微的扰动都可能导致冲头和冲模的损坏；3）冲头、冲模的定位和运动控制决定了冲床应具有很高的精度。激光微冲击成形技术存在设备贵、加工件存在重铸层、表面质量差等缺点。中国专利公开号为CN102248292A、名称为“利用激光空化微射流冲压成型微细零件的装置及方法”的文献中公开的技术，虽然解决了激光微冲击直接作用于零件表面所带来的问题，但是其产生的微射流强度有限，加工效率较低，很难完成微细零件的塑性成形。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述机械微冲压技术和激光微冲击成形技术中存在的冲床定位和运动精度要求高、射流强度有限、表面质量差、加工效率低等缺点，提供一种人工淹没式空化射流微零件塑性成形的装置及其塑性成形方法。

本发明所述的一种人工淹没式空化射流微零件塑性成形的装置采用的技术方案是：喷嘴的下段同轴心地空套在套管的内部，喷嘴的上端入口通过管道连接溢流阀的一个出口，溢流阀的进口依次连接调速阀和增压缸，增压缸的进口连接三通阀的一个出口，三通阀的另一个出口经减压阀后连接套管，三通阀的入口通入工作流体；喷嘴的上段通过管道连接盛放有纳米级微型磨粒的微型磨粒罐，喷嘴的下端是喷嘴出口，套管的下端是套管出口，喷嘴出口和套管出口之间留有垂直距离，套管出口的下方是待加工微零件；微型磨粒罐的出口管路上装有截止阀。

进一步地，喷嘴由入流管、喷头和进砂管组成，入流管同轴连接于喷头30的正上方，喷头的中心是上下贯通的混合室；在喷头的侧壁上固定连接进砂管，进砂管连接所述的微型磨粒罐，与混合室相通。

进一步地，混合室从上至下依次分为导流段、直管段一、收缩段一和喉管段一，喉管段一的内径B=1-2mm，直管段一的内径为D，入流管的内径为E，B:D:E=1:10:15；收缩段一和导流段都是上宽下窄的锥孔，收缩段一的锥角a=15°；导流段锥角β=100°；进砂管的内径为L，喉管段一的内径为B，L/B=2-4。

套管的上端侧壁上开有连接所述减压阀的套管入口，套管的中心通孔从上至下依次分为直管段二、收缩段二和喉管段二，喉管段二的内径N与所述喉管段一的内径为B之比N/B=15-20，收缩段二上宽下窄，其收缩角θ=60°；套管入口的内径K、喉管段二的内径N和直管段二的内径M的比例K:N:M=1:1.5:2。

进一步地，喷嘴的上端入口通过支架固定连接竖直微调工作台，微调工作台固定连接竖直粗调工作台9竖直粗调工作台固定设在竖直工作台基座上，竖直工作台基座与水平工作台基座相互垂直且固定连接，水平工作台基座上表面上固定置放容器，容器内装有水平移动工作台，水平移动工作台上表面上固定连接夹具，夹具的上部是敞口，内部从下至上依次叠装有凹模、待加工微零件和掩模6，掩模上开有成形通孔，成形通孔上方是套管。

所述的一种人工淹没式空化射流微零件塑性成形的装置的塑性成形方法采用的技术方案是包括以下步骤：

A、工作流体经三通阀的一个出口处流向增压缸和调速阀，压力和流量增大后进入喷嘴中；

B、打开截止阀，微型磨粒罐中的纳米级磨粒喷入喷嘴中与流体混合，再从喷嘴下端的出口喷出；三通阀内部的剩余流体从三通阀的另一个出口经减压阀后进入套管内；

C、混合均匀的纳米级磨粒与流体从喷嘴出口高速喷出时，与套管内的低压流体相遇，构成强剪切并产生大量空泡，喷向待加工微零件。

进一步地，进入喷嘴中的流体压力为20-25MPa，流量为7 -15L／min；流体通过减压阀后的降低在0.2-0.5 MPa之间。

本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

（1）采用人工淹没式空化射流代替刚性凸模,避免了压痕的产生，改善了接触条件,有利于材料流动。此外，将空化射流与纳米级磨粒相结合具有相互促进的作用。一方面，含磨粒的微射流既有利于空化产生，又可以使空化射流保持适当强度；另一方面，空化射流有利于磨粒的分散，使工件表面的载荷分布更加均匀，提高成形效果。

（2）空化射流中加入纳米级磨粒，不仅有利于微零件的塑性成形且加工位置不会产生裂纹，还有利于工件成形处的表面抛光和强化作用，从而保证其强度和耐疲劳性等要求，提高成形件的使用寿命。

（3）空化射流直径小、能量集中、加工效率高。在使用高精度掩模和凹模的情况下，加工精度也相对较高，从而避免使用高精度机床，减少成本投入。

（4）喷嘴部分采用同轴重叠式喷嘴，即在高压喷嘴的外面加一圆桶形套管来形成人工淹没条件，在喷嘴喷出的高压射流与套管内的低压射流环形界面之间构成强剪切并产生大量空泡，从而形成空化射流。利用人工淹没式空化射流中空泡群溃灭产生的局部高温、高速微射流和高压冲击波，并结合掩模、凹模等来对微零件进行塑性成形。

（5）考虑到工件材料更换导致微零件塑性成形难度加大以及喷嘴靶距的变化使得空泡群溃灭时射流和冲击强度变化剧烈，本发明在空化射流中加入一定量的纳米级磨粒，从而使空化射流的强度保持相对稳定且易于加工各种材质的微零件。

（6）当混合均匀的纳米级磨粒与油液从喷嘴出口处高速喷出时，与套管内的低压流体相遇，从而使得高压射流与低压射流环形界面之间构成强剪切并产生大量空泡，其中绝大多数空泡被高压射流带走喷向微零件，当混合有纳米级磨粒的空化射流穿过掩模上的成形通孔时，空化射流与纳米级磨粒共同作用在微零件的表面。根据微零件最终的成形形状，控制器控制水平移动工作台以一定的速度和方向进行运动，最终复刻出凹模内的图形。另外一小部分空泡随低压射流流走。

附图说明

图1为本发明一种人工淹没式空化射流微零件塑性成形装置的结构示意图；

图2为图1中喷嘴14的结构剖视放大图；

图3为图1中套管13的结构剖视放大图；

图4为图1中凹模4和待加工微零件5的加工状态剖视放大图；

图5为图4中待加工微零件5塑成形性后的立体图；

图中：1.水平工作台基座，2.水平移动工作台，3.夹具，4.凹模，5.待加工微零件，6.掩模，7.容器，8.竖直工作台基座，9.竖直粗调工作台，10.竖直微调工作台，11.支架，12.连接架，13.套管，14.喷嘴，15.流量表，16.压力表一，17.溢流阀，18.调速阀，19.增压缸，20.三通阀，21.减压阀，22.压力表二，23.截止阀，24.微型磨粒罐，25.回收池，26.控制器，27.出流口，28.成形通孔，29.入流管，30.喷头，31.进砂管，32.混合室，33.喷嘴出口，34.入流口一，35.入流口二，36.套管入口，37. 套管出口，101.导流段，102.直管段一，103.收缩段一，104.喉管段一，105.直管段二，106.收缩段二，107.喉管段二。

具体实施方式

本发明一种人工淹没式空化射流微零件塑性成形的装置包括水平工作台基座1和竖直工作台基座8，水平工作台基座1与竖直工作台基座8相互垂直且固定连接在一起。水平工作台基座1上表面上固定置放容器7，容器7水平安放。容器7内安装有水平移动工作台2，水平移动工作台2上表面上固定连接夹具3。夹具3的上部是敞口，内部从下至上依次叠装有凹模4、待加工微零件5和掩模6，凹模4、待加工微零件5和掩模6都通过夹具3进行夹紧，掩模6上开有成形通孔28。掩模6的成形通孔28上方是套管13，套管13上下垂直布置，套管13的下端出口在夹具3的上部敞口处，套管13的下端出口面对着待加工微零件5和掩模6。

竖直工作台基座8上固定安装竖直粗调工作台9，竖直粗调工作台9上固定安装竖直微调工作台10。竖直微调工作台10固定连接支架11，支架11一端固定在竖直微调工作台10上，另一端伸在喷嘴14的正上方并且通过螺纹固定连接喷嘴14的上端入口。喷嘴14的下段同轴心地空套在套管13的内部，喷嘴14的外径小于套管13内径，与套管13之间留有径向间隙。套管13通过连接架12与竖直粗调工作台9固定相连。

水平移动工作台2、竖直粗调工作台9和竖直微调工作台10均经控制线分别连接控制器26，由控制器26分别控制水平移动工作台2水平移动、控制竖直粗调工作台9上下垂直粗调，控制竖直微调工作台10上下垂直微调。

喷嘴14的上端入口通过管道连接溢流阀17的一个出口，溢流阀17另一个出口连接回收池25，溢流阀17的进口依次连接调速阀18和增压缸19。增压缸19的进口连接三通阀20的一个出口，三通阀20的另一个出口经减压阀21后连接套管13，与套管13的内部相通。三通阀20的入口处通入的是一定量的低压工作流体。控制器26分别连接溢流阀17、调速阀18、增压缸19、减压阀21。

喷嘴14的上段通过管道连接微型磨粒罐24，喷嘴14内部与微型磨粒罐24相通，微型磨粒罐24中盛放有纳米级微型磨粒，微型磨粒从微型磨粒罐24经管道能进入喷嘴14内部。

在减压阀21的出口管路上安装压力表二22，用于检测进入套管13内部的流体压力。在溢流阀17的一个出口管路上安装流量表15和压力表一16，用于检测进入喷嘴14中的流体的流量和压力。在微型磨粒罐24的出口管路上安装截止阀23，控制微型磨粒进入喷嘴14内。控制器26分别连接压力表二22、流量表15、压力表一16和截止阀23。

三通阀20的入口处通入的低压工作流体，可以通入各种流体介质，如：水、油液等，较优地选择油液。从三通阀20出来的流体经过增压缸19和调速阀18后，使得工作流体的压力和流量增大，压力增大到20-25MPa，流量增大到7 -15L／min的范围内；接着高压工作流体进入溢流阀17，将溢流阀17的压力设置在20MPa，当压力超过20MPa时，溢流阀17将自动打开并迅速降压，从而起到稳压和安全保护的作用；最后高压工作流体通过进入喷嘴14中。三通阀20的另一个出口与减压阀21、压力表二22依次相连，工作流体通过减压阀21后使得压力降低在0.2-0.5 MPa之间，进入套管13内。

容器7的底部开有出流口27，出流口27与回收池25相连。回收池25内工作流体经过一系列的过滤净化后能再提供清洁流体，实现工作流体的循环使用。

参见图2的喷嘴14结构，喷嘴14由入流管29、喷头30和进砂管31组成。入流管29同轴连接于喷头30的正上方，与喷头30通过螺纹固定连接。喷头30的中心是上下贯通的混合室32，入流管29的上端入口是入流口一34，混合室32与入流口一34相通。喷头30的下端是喷嘴出口33。

在喷头30的侧壁上固定连接进砂管31，进砂管31连接图1中的微型磨粒罐24，与微型磨粒罐24相连通。进砂管31倾斜向下从喷头30外部伸进喷头30中，并且与喷头30正中间的混合室32相通，微型磨粒从微型磨粒罐24出来后经过进砂管31进入混合室32中。

混合室32从上至下依次分为导流段101、直管段一102、收缩段一103、喉管段一104。喉管段一104的内径B=1-2mm，直管段一102的内径为D，入流管29的内径为E，三者比例保持为1:10:15，即B:D:E=1:10:15。收缩段一103是上宽下窄锥孔，其锥角即收缩角a=15°。导流段101也是上宽下窄锥孔，其锥角即收缩角β=100°。进砂管31的内径L与喉管段一104的内径B之间的比值在2-4范围内，即L/B=2-4。

参见图4所示的套管13结构，套管13为圆筒形的通孔管结构，套管13的上端侧壁上开有套管入口36，套管入口36连接图1中的减压阀21。套管13的下端是套管出口37，套管出口37位于图1中的掩模6的上方并且与掩模6不接触。套管13的中心通孔从上至下依次分为直管段二105、收缩段二106、喉管段二107。喉管段二107的内径N与喷嘴14的喉管段一104的内径B之间的比值在15-20范围内，即N/B=15-20。收缩段二106上宽下窄，其收缩角θ=60°。套管入口36的内径K、喉管段二107的内径N和直管段二105的内径M，三者比例保持为1:1.5:2，即K:N:M=1:1.5:2。

喷嘴14下端与套管13下端之间的上下垂直间距先通过竖直粗调工作台9进行竖直方向粗定位，然后通过竖直微调工作台10来调节，即调节喷嘴出口33与套管出口37之间留有相对垂直距离d，保持d=1-2cm之间，以此来调节空化射流的强度大小。

如图1至图4所示，本发明所述的一种人工淹没式空化射流微零件塑性成形的装置由控制器26控制工作，具体控制步骤如下：

1、根据待加工微零件5的材料、厚度、成形形状等要求分别对控制器26、油路中各阀件、纳米级磨粒的尺寸大小等进行参数设置。

将凹模4、待加工微零件5、掩模6依次放入夹具3内并夹紧，通过控制器26控制水平移动工作台2使待加工微零件5处于初始位置。接着，控制器26控制竖直粗调工作台9对喷嘴14与套管13进行竖直方向的粗定位，使套管出口37与掩模6之间的垂直距离h在2-6cm范围内。然后控制器26控制竖直微调工作台10对喷嘴14进行微调，确保喷嘴出口33与套管出口37之间的距离保持在1-2cm，从而确保空化射流的强度大小。

2、向三通阀20的入流口内通入一定量的低压流体，其中一部分油液从三通阀20的一个出口处流向增压缸19、调速阀18，流体经过增压缸19、调速阀18后，使得流体的压力、流量显著增大，压力达到20-25MPa，流量在7 -15L／min的范围内。接着高压流体通过溢流阀17、压力表一16、流量表15，最后高压流体通过喷嘴入流口一34进入喷嘴14中。当喷嘴14内部有流体进入时，打开截止阀23，此时微型磨粒罐24中的纳米级磨粒将以5-10m/s的速度喷入喷嘴14中，纳米级磨粒与流体在混合室32内进行混合，最后混合均匀的流体和纳米级磨粒从喷嘴出口33喷出。三通阀20内部的剩余流体从三通阀20的另一个出口流向减压阀21，流体经过减压阀21后压力降低，压力降为0.2-0.5 MPa之间，低压流体通过压力表二22后，经套管入口36进入套管13内。

3、当混合均匀的纳米级磨粒与流体从喷嘴出口33高速喷出时，与套管13内的低压流体相遇，从而使得高压射流与低压射流环形界面之间构成强剪切并产生大量空泡，其中绝大多数空泡被高压射流带走喷向待加工微零件5，当混合有纳米级磨粒的空化射流穿过掩模6上的成形通孔28时，空化射流与纳米级磨粒共同作用在待加工微零件5的表面。根据待加工微零件5最终的成形形状，控制器26控制水平移动工作台2以100mm / min的速度进行运动，最终使待加工微零件5复刻出凹模4内的图形，参见图4和图5所示。另外一小部分空泡随低压射流流走。

4、喷嘴14与套管13流出的流体都流入到容器7内，通过容器7的出流口27流向回收池25，回收池25内的流体经过一系列的过滤净化后能再提供清洁油液，从而实现油液的循环使用。

Claims (8)

1.一种人工淹没式空化射流微零件塑性成形的装置，喷嘴（14）的下段同轴心地空套在套管（13）的内部，其特征是：喷嘴（14）的上端入口通过管道连接溢流阀（17）的一个出口，溢流阀（17）的进口依次连接调速阀（18）和增压缸（19），增压缸（19）的进口连接三通阀（20）的一个出口，三通阀（20）的另一个出口经减压阀（21）后连接套管（13），三通阀（20）的入口通入工作流体；喷嘴（14）的上段通过管道连接盛放有纳米级微型磨粒的微型磨粒罐（24），喷嘴（14）的下端是喷嘴出口（33），套管（13）的下端是套管出口（37），喷嘴出口（33）和套管出口（37）之间留有垂直距离，套管出口（37）的下方是待加工微零件（5）；微型磨粒罐（24）的出口管路上装有截止阀（23）；喷嘴（14）的上端入口通过支架（11）固定连接竖直微调工作台（10），微调工作台（10）固定连接竖直粗调工作台（9），套管（13）通过连接架（12）与竖直粗调工作台（9）固定相连，竖直粗调工作台（9）固定设在竖直工作台基座（8）上，竖直工作台基座（8）与水平工作台基座（1）相互垂直且固定连接，水平工作台基座（1）上表面上固定置放容器（7），容器（7）内装有水平移动工作台（2），水平移动工作台（2）上表面上固定连接夹具（3），夹具（3）的上部是敞口，内部从下至上依次叠装有凹模（4）、待加工微零件（5）和掩模（6），掩模（6）上开有成形通孔（28），成形通孔（28）上方是套管（13）；喷嘴出口（33）和套管出口（37）之间留有的垂直距离先通过竖直粗调工作台（9）进行竖直方向粗定位，再通过竖直微调工作台（10）调节喷嘴出口（33）与套管出口（37）之间留有的垂直距离d，保持d=1-2cm之间，以此调节空化射流的强度大小。

2.根据权利要求1所述的一种人工淹没式空化射流微零件塑性成形的装置，其特征是：喷嘴（14）由入流管（29）、喷头（30）和进砂管（31）组成，入流管（29）同轴连接于喷头（30）的正上方，喷头（30）的中心是上下贯通的混合室（32）；在喷头（30）的侧壁上固定连接进砂管（31），进砂管（31）连接所述的微型磨粒罐（24），与混合室（32）相通。

3.根据权利要求1所述的一种人工淹没式空化射流微零件塑性成形的装置，其特征是：混合室（32）从上至下依次分为导流段（101）、直管段一（102）、收缩段一（103）和喉管段一（104），喉管段一（104）的内径B=1-2mm，直管段一（102）的内径为D，入流管（29）的内径为E，B:D:E=1:10:15；收缩段一（103）和导流段（101）都是上宽下窄的锥孔，收缩段一（103）的锥角a=15°；导流段（101）的锥角β=100°；进砂管（31）的内径为L，喉管段一（104）的内径为B，L/B=2-4。

4.根据权利要求3所述的一种人工淹没式空化射流微零件塑性成形的装置，其特征是：套管（13）的上端侧壁上开有连接所述减压阀（21）的套管入口（36），套管（13）的中心通孔从上至下依次分为直管段二（105）、收缩段二（106）和喉管段二（107），喉管段二（107）的内径N与所述喉管段一（104）的内径B之比N/B=15-20，收缩段二（106）上宽下窄，其收缩角θ=60°；套管入口（36）的内径K、喉管段二（107）的内径N和直管段二（105）的内径M的比例K:N:M=1:1.5:2。

5.根据权利要求1所述的一种人工淹没式空化射流微零件塑性成形的装置，其特征是：水平移动工作台（2）、竖直粗调工作台（9）和竖直微调工作台（10）均经控制线分别连接控制器（26）。

6.根据权利要求1所述的一种人工淹没式空化射流微零件塑性成形的装置，其特征是：套管出口（37）与掩模（6）之间的垂直距离为2-6cm；喷嘴出口（33）与套管出口（37）之间的距离为1.5cm。

7.一种如权利要求1所述的一种人工淹没式空化射流微零件塑性成形的装置塑性成形方法，其特征是包括以下步骤：

A、工作流体经三通阀（20）的一个出口处流向增压缸（19）和调速阀（18），压力和流量增大后进入喷嘴（14）中；

B、打开截止阀（23），微型磨粒罐（24）中的纳米级磨粒喷入喷嘴（14）中与流体混合，再从喷嘴（14）下端的出口喷出；三通阀（20）内部的剩余流体从三通阀（20）的另一个出口经减压阀（21）后进入套管（13）内；

C、混合均匀的纳米级磨粒与流体从喷嘴出口（33）高速喷出时，与套管（13）内的低压流体相遇，构成强剪切并产生大量空泡，喷向待加工微零件（5）。

8.根据权利要求7所述的塑性成形方法，其特征是：进入喷嘴（14）中的流体压力为20-25MPa，流量为7 -15L／min；流体通过减压阀（21）后的降低在0.2-0.5 MPa之间。

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