CN109777935B - 一种用于高压空化射流强化的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压空化射流强化的装置及其方法，该装置由高压射流管路系统、空泡冲击波反馈系统、喷嘴定位系统组成；该方法采用高压射流产生的空泡云对工件表面进行强化处理，通过在喷嘴出口处增加旋流腔体，加强淹没射流所产生空泡的浓度及强度，并且改进空泡的分布形态，促使作用于工件表面的空泡分布更加均匀，提升表面强化质量；在对工件进行空化冲击强化过程中，高速摄像及压电薄膜传感器不断向智能控制系统反馈空泡形态及冲击波强度、频率等信息，控制系统根据反馈信息进行自适应调节，使得冲击效果始终保持在最优条件下。本发明克服了普通空化射流强化中所遇到的冲击不均匀、冲击效率低、易对工件产生汽蚀破坏等问题。

Description

一种用于高压空化射流强化的装置及方法

技术领域

本发明属于材料表面强化技术领域，具体涉及一种用于高压空化射流强化的装置及方法。

背景技术

目前，在机械工业领域中，许多关键零部件使用环境恶劣，如化工泵等部件，受到介质中固体颗粒的冲刷，极容易产生磨损和疲劳破坏，而一些带有台阶、沟槽的结构在受力时容易产生应力集中，造成疲劳和裂纹的。为了延长关键零部件的使用寿命和可靠性，需要对零部件的表面进行特殊的强化处理。常见的强化处理方法包括喷丸处理、激光冲击强化以及空化冲击强化等。

喷丸处理是通过用固体颗粒对工件表面进行冲击，从而在工件表面形成残余压应力，同时使得表面晶格细化提高其疲劳性能。但是喷丸处理也为带来一些弊端，最为明显的就是对工件表面形态的破坏。由于受到硬度较高的钢丸或其它材料的固体颗粒冲击，金属工件表面会形成较为明显的凹坑，粗糙度通常会大幅度增大。此外为了不对工件表面造成过大破坏，喷丸时间也不宜过长，因而植入的残余应力的强度和深度也会受到限制。

激光冲击强化，是通过激光诱导冲击波作用于材料表面，在材料表面形成残余应力，其冲击强度和深度极大，强化效果好。但是激光强化工艺复杂、设备昂贵且冲击都是按点进行冲击，效率难以提升。同时，激光冲击时作用点附近材料受到热影响会产生较大变形，同样对材料表面平整度会产生较大影响。

空化冲击强化是利用流体的热力学效应，液体在局部压力降低到饱和蒸气压以下时发生相变生成气态空泡，当空泡运动到压力较高的区域时会瞬间凝结消失，周围液体瞬间填充气泡空间，产生微射流，而在气泡消失后会出现回弹现象产生冲击波，当溃灭发生在工件表面附近时，在微射流和冲击波的共同作用下，工件的表面会形成极强的残余压应力，同时晶粒也会受冲击波影响而细化并变均匀。与喷丸处理和激光强化处理相比，空化冲击强化不仅环保、强化效果好，且对工件表面的影响较小。

现有的空化射流强化轴类零件的装置及方法，通过在环形腔体内壁面开孔并向通孔产生高压射流，并向通孔内注入低压水造成淹没环境，从而形成空化冲击，但是该装置喷嘴安装与固定腔体结构上，限制了强化零件的外形，同时无法针对所强化材料和要求进行靶距和角度的调节。

还有利用三坐标移动装置控制螺旋式空化喷嘴进行高压空化射流强化方法，该方法没有空泡云和冲击波状态检测装置，缺少冲击状态反馈，射流工况调节没有参照。螺旋喷嘴流道较长，水力损失大，需要极高的泵压才能产生足够强度的空化射流。同时，高压喷嘴通常为毫米或微米级别孔径，小尺寸孔件中加入螺旋式几何结构，加工较为复杂。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种用于高压空化射流强化的装置及方法，克服了现有射流空化强化装置中喷嘴控制灵活性问题，泵压要求过高以及缺少冲击效果实时反馈调节等问题，可以通过较低的泵压和较短的时间内完成对不同金属材料表面最优的强化效果。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种用于高压空化射流强化的装置，包括高压射流管路系统、空泡冲击波反馈系统和喷嘴定位系统；

所述高压射流管路系统包括储水箱，所述储水箱通过管路依次连接过滤器、高压柱塞泵、稳压器、泄压阀、压力变送器和组合式高压喷嘴，所述高压柱塞泵通过信号线依次连接变频器和智能计算机；所述泄压阀通过信号线接收压力变送器的压力信号；所述组合式高压喷嘴置于淹没冲击水箱内；

所述空泡冲击波反馈系统包括压电薄膜和高速摄像机，所述压电薄膜位于淹没冲击水箱底部，所述压电薄膜通过信号线连接智能计算机，所述高速摄像机正对工件表面放置，所述高速摄像机连接智能计算机，在与高速摄像机相对的淹没冲击水箱一侧设有LED补光灯；

所述喷嘴定位系统包括机械手和加持装置，所述机械手通过信号线连接智能计算机，用于对组合式高压喷嘴的位置进行调节，从而调节冲击靶距；

进一步，所述压电薄膜由聚偏氟乙烯材料制成；

进一步，所述组合式高压喷嘴包含收缩型喷嘴与旋流腔两部分，所述收缩型喷嘴与旋流腔由管螺纹连接，且收缩型喷嘴的中心线与旋流腔的中心线重合，所述旋流腔内为圆柱腔体，圆柱腔体壁面均布4个导流孔；

进一步，所述导流孔直径为圆柱腔体直径的1/10～1/5，所述导流孔中心线与旋流腔的中心线连线夹角α大小为5°～20°之间。

基于上述装置的用于高压空化射流强化方法，包括以下步骤：

步骤1，对工件表面进行表面清洗，并将工件安装在淹没冲击水箱内，并用夹具固定好；

步骤2，打开高压柱塞泵开关，使得组合式高压喷嘴产生高压淹没射流，通过智能计算机观测由压电薄膜与高速摄像机所反馈的空泡冲击波特性；

步骤3，根据空泡冲击波特性，智能计算机向变频器输出转速调节信号，控制高压柱塞泵的转速，从而调节冲击压力，并向机械手给出指令，调节冲击靶距；

步骤4，智能计算机控制组合式高压喷嘴以恒定靶距在工件表面扫描，根据工件需要的强化路径控制组合式高压喷嘴在工件表面附近匀速移动，直到工件表面达到处理要求为止；

步骤5，智能计算机控制机械手将组合式高压喷嘴从工件表面移开，通过变频器关闭高压柱塞泵，取出工件并进行烘干处理。

进一步，所述靶距为40mm～80mm。

进一步的，所述组合式高压喷嘴的移动速度为6～10mm/s。

本发明的有益效果：

采用压电薄膜和高速摄像机捕捉空化射流和空泡冲击波的状态、强度和对材料的冲击效果，从而反馈并指导机械手调节喷嘴位置，实现空泡冲击强化效果的最优化，同时可避免过度冲击对材料表面造成的汽蚀破坏。

采用组合式旋流腔高压喷嘴，在高压喷嘴前端通过管螺纹连接螺旋腔体，利用射流在腔体内造成的压降，由旋流腔体壁面上导流孔吸入外界流体，在腔体内形成旋流，增加了喷嘴产生空泡的数量，同时对空泡进行混合搅拌，避免了普通喷嘴冲击材料时，中心点处的冲蚀破坏。

附图说明

图1是本发明高压空化射流强化的装置系统示意图；

图2是本发明组合式高压喷嘴结构示意图；

图中，1、储水箱，2、淹没冲击水箱，3、排水阀，4、过滤器，5、高压柱塞泵，6、稳压器，7、泄压阀，8、压力变送器，9、组合式高压喷嘴，10、LED补光灯，11、滤光板，12、智能计算机，13、高速摄像机，14、机械手，15、变频器，16、工件，17、压电薄膜，18、收缩型喷嘴，19、旋流腔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明所提出的一种用于高压空化射流强化的装置，包括高压射流管路系统、空泡冲击波反馈系统和喷嘴定位系统；

高压射流管路系统中的淹没冲击水箱2放置在储水箱1上方，储水箱1通过高压胶管依次连接过滤器4、高压柱塞泵5、稳压器6、泄压阀7、压力变送器8和组合式高压喷嘴9，高压柱塞泵5通过信号线依次连接变频器15和智能计算机12，高压柱塞泵5由变频器15控制转速；泄压阀7通过信号线接收压力变送器8的压力信号；组合式高压喷嘴9置于淹没冲击水箱2内；淹没冲击水箱2由透明有机玻璃制成并设有水堰控制淹没冲击水箱2内液面高度不变，淹没冲击水箱2设有回流孔，将溢出的水流引导至储水箱1中，在储水箱1的下方还设有排水阀3。

空泡冲击波反馈系统包括压电薄膜17和高速摄像机13，压电薄膜17由聚偏氟乙烯材料制成，压电薄膜17位于淹没冲击水箱2底部，压电薄膜17通过信号线连接智能计算机12，将压电信号传输给智能计算机12，高速摄像机13正对工件16表面设置，高速摄像机13连接智能计算机12，在与高速摄像机13相对的淹没冲击水箱2一侧设有LED补光灯10，在补光灯前端放置滤光板11采用磨砂玻璃；射流所产生的空泡区域将补光灯10光线削弱，从高速摄像机可以捕捉到空泡溃灭区域，并将图像信号传递至智能计算机12，智能计算机12综合分析压电薄膜17和高速摄像机13捕获的信号，指导组合式高压喷嘴9和高压柱塞泵5的泵压调节，使冲击效果达到最佳。

喷嘴定位系统包括机械手14和加持装置，所述机械手14通过信号线连接智能计算机12，用于对组合式高压喷嘴9的位置进行调节，从而调节冲击靶距。

在本实施例中，本发明所设计的组合式高压喷嘴9包含收缩型喷嘴18与旋流腔19两部分，收缩型喷嘴18与旋流腔19由管螺纹连接，且收缩型喷嘴18的中心线与旋流腔19的中心线重合，旋流腔19内为圆柱腔体，圆柱腔体壁面均布4个导流孔；导流孔直径为圆柱腔体直径的1/10～1/5倍，导流孔中心线与旋流腔19的中心线连线夹角α大小为5°～20°之间。

基于本发明所提出的一种用于高压空化射流强化的装置，本发明还提出了一种使用上述用于高压空化射流强化的装置的方法，包括以下步骤：

步骤1，对工件16表面进行表面清洗，并将工件16至于淹没冲击水箱2内，并用夹具固定好；

步骤2，打开高压柱塞泵5开关，使得组合式高压喷嘴9产生高压淹没射流，通过智能计算机12观测由压电薄膜17与高速摄像机13所反馈的空泡冲击波特性；

步骤3，根据所分析出的空泡冲击波特性，智能计算机12向变频器15输出转速调节信号，控制高压柱塞泵5的转速，从而调节冲击压力，并向机械手14给出指令，调节冲击靶距，保持在40mm～80mm；

步骤4，智能计算机12控制组合式高压喷嘴9以恒定靶距在工件16表面扫描，根据工件16的强化路径控制组合式高压喷嘴9在工件16表面附近匀速移动，保持扫描的速度为6～10mm/s，直到工件16表面达到处理要求为止；

步骤5，智能计算机12控制机械手14将组合式高压喷嘴9从工件16表面移开，通过变频器15关闭高压柱塞泵5，取出工件16并进行烘干处理。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种用于高压空化射流强化的装置，其特征在于，包括高压射流管路系统、空泡冲击波反馈系统和喷嘴定位系统；

所述高压射流管路系统包括储水箱(1)，所述储水箱(1)通过管路依次连接过滤器(4)、高压柱塞泵(5)、稳压器(6)、泄压阀(7)、压力变送器(8)和组合式高压喷嘴(9)，所述高压柱塞泵(5)通过信号线依次连接变频器(15)和智能计算机(12)；所述泄压阀(7)通过信号线接收压力变送器(8)的压力信号；所述组合式高压喷嘴(9)置于淹没冲击水箱(2)内；

所述空泡冲击波反馈系统包括压电薄膜(17)和高速摄像机(13)，所述压电薄膜(17)位于淹没冲击水箱(2)底部，所述压电薄膜(17)通过信号线连接智能计算机(12)，所述高速摄像机(13)正对工件(16)表面放置，所述高速摄像机(13)连接智能计算机(12)，在与高速摄像机(13)相对的淹没冲击水箱(2)一侧设有LED补光灯(10)；

所述喷嘴定位系统包括机械手(14)和夹持装置，所述机械手(14)通过信号线连接智能计算机(12)，用于对组合式高压喷嘴(9)的位置进行调节，从而调节冲击靶距；所述组合式高压喷嘴(9)包含收缩型喷嘴(18)与旋流腔(19)两部分，所述收缩型喷嘴(18)与旋流腔(19)由管螺纹连接，且收缩型喷嘴(18)的中心线与旋流腔(19)的中心线重合，所述旋流腔(19)内为圆柱腔体，沿圆柱腔体内壁面均布4个导流孔。

2.根据权利要求1所述的一种用于高压空化射流强化的装置，其特征在于，所述压电薄膜(17)由聚偏氟乙烯材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种用于高压空化射流强化的装置，其特征在于，所述导流孔直径为圆柱腔体直径的1/10～1/5，所述导流孔中心线与旋流腔(19)的中心线的连线夹角α大小为5°～20°。

4.一种基于权利要求1所述的用于高压空化射流强化的装置的高压空化射流强化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对工件(16)表面进行表面清洗，并将工件(16)固定安装在淹没冲击水箱(2)内；

步骤2，打开高压柱塞泵(5)开关，使得组合式高压喷嘴(9)产生高压淹没射流，通过智能计算机(12)观测由压电薄膜(17)与高速摄像机(13)所反馈的空泡冲击波特性；

步骤3，根据空泡冲击波特性，智能计算机(12)向变频器(15)输出转速调节信号，控制高压柱塞泵(5)的转速，从而调节冲击压力，并向机械手(14)给出指令，调节冲击靶距；

步骤4，智能计算机(12)控制组合式高压喷嘴(9)以恒定靶距在工件(16)表面扫描，根据工件(16)需要的强化路径控制组合式高压喷嘴(9)在工件(16)表面附近匀速移动，直到工件(16)表面达到处理要求为止；

步骤5，智能计算机(12)控制机械手(14)将组合式高压喷嘴(9)从工件(16)表面移开，通过变频器(15)关闭高压柱塞泵(5)，取出工件(16)并进行烘干处理。

5.根据权利要求4所述的一种高压空化射流强化方法，其特征在于，所述靶距为40mm～80mm。

6.根据权利要求4所述的一种高压空化射流强化方法，其特征在于，所述组合式高压喷嘴(9)的移动速度为6～10mm/s。

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