CN110004279B - 一种容积交变式微孔内表面空化强化装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种容积交变式微孔内表面空化强化装置及加工方法，储液箱底部固定连接活塞缸，活塞缸上段位于储液箱内部，下段从储液箱底壁向下伸出，活塞杆上端伸入活塞缸中与活塞固定连接，活塞杆下端面与水平凸轮外侧表面相接触，凸轮固定套在水平的凸轮轴上，凸轮轴与驱动电机固定连接，工件顶面上方是密封盖，待加工工件浸没在液体中，利用活塞往复式运动，通过活塞实现了待强化微孔内密封液体的压力高频交变，使得待加工微孔内表面形成了频繁空化现象，进而利用空化强化这种加工方法实现了对微孔内表面的强化处理。强化方法不受孔径的限制，可对直径小于2mm的微深孔内表面进行强化，加工的表面精度高、能耗小、表面光洁度好。

Description

一种容积交变式微孔内表面空化强化装置及加工方法

技术领域

本发明属于金属表面处理领域，具体涉及的是一种针对微孔的内表面进行强化处理的装置，尤其是针对孔径为2mm及以下的金属微孔。

背景技术

随着现代精密仪器的广泛应用，各种微孔部件在航空航天、电器、汽车等领域的应用越来越广泛，但带有微孔的工件在使用过程中易造成应力集中，极大影响了零部件的使用寿命。目前微孔内表面强化处理是加工的难点。

传统孔内表面强化技术主要是冷挤压和机械喷丸，冷挤压强化技术是用有一定过盈量的芯棒缓慢穿过金属微孔，使孔内表面引入压缩残余应力，从而提高孔的疲劳寿命。例如中国发明专利公开号为CN108754121A的文献中公开了一种孔壁激光喷丸复合挤压强化的装置及其方法，其先对孔壁进行激光喷丸强化，然后将复合芯棒连续均匀地通过孔，使孔获得较高的抗疲劳性能和表面质量，但这种方法出现的问题是：挤压过程中芯棒极易断裂，还需要根据不同内径的孔制造对应的特定的芯棒，加工成本高，且难以适应微孔，尤其是微深孔内表面的强化处理。机械喷丸的方法是利用弹丸高速冲击孔内壁，从而引入残余压应力，进而实现对孔壁的强化。例如专利公开号为US6189356B1的文献中公开了一种孔内表面喷丸强化装置和方法，将带有锥角的反射杆伸入孔中，然后将钢珠发射到反射杆上，使钢珠与孔壁发生碰撞，从而实现对孔内表面的强化。但这种方法出现的问题是：当孔径过小时，机械喷丸的方法就不再适用，而且经过这种喷丸强化后的表面，其光洁度会遭到严重破坏，难以适应现代高端精密设备的应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有金属微孔内表面强化处理存在的问题，提出一种容积交变式微孔内表面空化强化装置及其强化加工方法，尤其是对孔径为2mm及以下的金属微孔和微深孔内表面进行有效的强化处理。

本发明一种容积交变式微孔内表面空化强化装置采用的技术方案是：包括储液箱，储液箱底部固定连接活塞缸，活塞缸上段位于储液箱内部，下段从储液箱底壁向下伸出，活塞缸上段顶部正中间开有凹槽，工件整体位于储液箱的内部，且工件的下端放置在凹槽中，凹槽的正下方是活塞缸的中心通孔，工件的中心微孔上下垂直贯通且与活塞缸上的凹槽、中心通孔具有共同的轴心线，活塞缸的中心通孔内放置有活塞，活塞杆上端从下向上垂直伸入活塞缸中与活塞固定连接，活塞杆下端面与水平凸轮外侧表面相接触，凸轮固定套在水平的凸轮轴上，凸轮轴与驱动电机的输出轴同轴固定连接；活塞杆外套有弹簧，弹簧上端支撑在活塞缸底部，下端支撑在由活塞杆的外壁向径向延伸的轴台上；工件顶面上方是密封盖，密封盖上段通过水平的支架固定连接竖直移动工作台，竖直移动工作台由控制器控制上下运动；支架上开有与储液箱相通的注液口，注液口和液池之间的管道上装有液泵；储液箱的下端设有排液口，排液口通过管道连通液池，排液口和液池之间的管道上装有阀门，阀门和液泵各通过控制线连接控制器，将工件浸没在液体中，将工件内液体密封，工件的顶端高度低于储液箱的顶部高度，工件的微孔内径小于活塞缸的中心通孔内径，工件的外径小于活塞缸上的凹槽外径，控制器控制液泵工作，液池中的液体经由液泵通过注液口输送到储液箱中，直到液面将工件全部浸没后关闭液泵。

所述的空化强化装置的强化加工方法采用的技术方案是包括如下步骤：

A、控制器控制液泵工作，液池中的液体经由液泵通过注液口输送到储液箱中，直到液面将工件全部浸没后关闭液泵；

B、控制器控制竖直移动工作台向下移动，带密封盖移动到紧靠在工件上端面上；

C、驱动电机工作，带动凸轮轴和凸轮旋转，活塞杆和活塞上下往复运动，工件的微孔内的液体体积发生交变，内部压力发生变化，形成空化现象，实现工件的微孔内表面的强化加工。

本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

（1）本发明将待加工工件浸没在液体中，并将工件内液体密封，然后利用活塞往复式运动，通过活塞实现了待强化微孔内密封液体的压力高频交变，使得待加工微孔内表面形成了频繁空化现象，进而利用空化强化这种加工方法实现了对微孔内表面的强化处理。强化方法不受孔径的限制，因此，可对直径小于2mm的微深孔内表面进行强化。

（2）本发明所述的空化强化装置结构简单、制造成本低，拆卸和清洗简便。对于不同形状的通孔，该装置同样适用，通用性强。

（3）本发明是利用空化效应对孔内表面进行强化处理的，相比于机械式强化加工，本装置加工的表面精度高、能耗小、表面光洁度好。

（4）本发明还可同时对多个工件进行强化，加工效率高。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明一种容积交变式微孔内表面空化强化装置的结构示意图；

图2为图1中空化发生系统的结构放大示意图；

图3是应用本发明所述的空化强化装置实现多工位同时强化的实施例的结构示意图。

图中：1.驱动电机；2.凸轮轴；3.凸轮；4.水平工作台基座；5.竖直工作台基座；6.第一位置传感器；7.竖直移动工作台；8.注液口；9.液泵；10.支架；11.第二位置传感器；12.阀门；13.控制器；14.液池；15.空化发生系统；16.活塞杆；17.弹簧；18.活塞；19.密封圈一；20.密封圈二；21.储液箱；22.活塞缸；23.工件；24.密封垫；25.密封盖；26.排液口。

具体实施方式

参见图1，本发明一种容积交变式微孔内表面空化强化装置具有：水平工作台基座4、竖直工作台基座5、供液系统、空化发生系统15和位置传感器等。竖直工作台基座5与水平工作台基座4相互垂直，水平工作台基座4的上表面上固定连接竖直工作台基座5，空化发生系统15固定连接在水平工作台基座4上。供液系统用于向空化发生系统15中注入液体，它包括：液池14、储液箱21、阀门12和液泵9。

参见图1和图2，空化发生系统15用于在待强化的微孔中形成空化现象，它包括：储液箱21、驱动电机1、凸轮3、凸轮轴2、弹簧17、活塞18、活塞缸22、密封盖25等。

储液箱21固定安装在水平工作台基座4上，储液箱21的顶部是敞口，底部固定连接活塞缸22，活塞缸22的上段位于储液箱21内部，下段从储液箱21底壁的孔中向下伸出。活塞缸22的上段外径大于下段外径。活塞缸22的上段和储液箱21两者接触处嵌有密封圈一19，以保证活塞缸22的密封性。

活塞缸22上段顶部正中间开有凹槽，凹槽的正下方是中心通孔，凹槽与中心通孔相连通。活塞缸22的中心通孔内壁活动连接活塞18，活塞18放置在活塞缸22内的中心通孔中。活塞杆16的上端从下向上垂直伸入活塞缸22中，并且与活塞18固定连接，活塞杆16的下端面与水平置放的凸轮3外侧表面相接触。凸轮3通过键固定套在水平的凸轮轴2上，与凸轮轴2共同旋转。在活塞杆16杆外套有弹簧17，弹簧17在活塞缸22的正下方，弹簧17上端支撑在活塞缸22底部，下端支撑在一个由活塞杆16的外壁向径向延伸的轴台上。利用弹簧17弹力能使活塞杆16下端与凸轮3保持紧密贴合。

储液箱21的下端设有排液口26，排液口26通过管道连通液池14，在排液口26和液池14之间的管道上安装阀门12，阀门12通过控制线连接控制器13，由控制器13控制阀门12开和关。

工件23带有上下贯通的微孔，工件23的下端放置活塞缸22的凹槽中，两者接触处的活塞缸22凹槽中嵌有密封圈二20，以保证工件23的微孔的密封性。工件23整体位于储液箱21的内部，工件23的顶端高度远低于储液箱21的顶部敞口高度。工件23的中心开有微小通孔，微孔上下垂直贯通，微孔中心与活塞缸22上的凹槽、中心通孔具有共同的轴心线，工件23的微孔内径小于活塞缸22的中心通孔内径，工件23的外径小于活塞缸22上的凹槽外径。

工件23顶面上方是密封盖25，密封盖25能与工件23顶面相接触，在密封盖25的底面上密封垫24，当密封盖25与工件23顶面相接触时，密封垫24将工件23微孔的顶面密封。

参见图1，密封盖25的上段通过水平的支架10固定连接竖直移动工作台7。竖直移动工作台7可移动地连接于竖直工作台基座5，能沿竖直工作台基座5上下垂直移动。竖直移动工作台7中的动力部件通过控制线连接控制器13，由控制器13控制竖直移动工作台7上下垂直运动。

在支架10上还开有注液口8，该注液口8与下方的储液箱21顶部的敞口相通。该注液口8还通过管道连接液池14，在注液口8和液池14之间的管道上安装液泵9，液泵9通过控制线连接控制器13，由控制器13控制液泵9工作，从而将液池14中的液体泵入储液箱21中。

在竖直移动工作台7上安装有第一位置传感器6，位置传感器6安放于竖直工作台基座5的顶部，用于检测竖直移动工作台7移动到最上方的极限位置。在工件23上端面上安装第二位置传感器11，用于检测密封盖25移动到最下方的极限位置。第一位置传感器6和第二位置传感器11均通过信号线连接控制器13。

控制器13通过控制线连接驱动电机1，驱动电机1水平放置，其输出轴同轴固定连接凸轮轴2，驱动凸轮轴2旋转。

参见图1和图2，本发明一种容积交变式微孔内表面空化强化装置工作时，将工件23竖直放置在活塞缸22上端，使工件23与活塞缸22同轴心，控制器13控制液泵9工作，将液池14中的液体经由液泵9通过注液口8输送到储液箱21中，直到液面将工件23全部浸没后，关闭液泵9。这样，液体充满在活塞缸22的中心通孔内以及工件23的中心微孔内。然后控制器13控制竖直移动工作台7向下移动，带动密封盖25移动到紧靠在工件23上端面上，此时第二位置传感器11将密封盖25的位置信号传送给控制器13，控制器13控制竖直移动工作台7停止下降，锁定在该位置。之后，控制器13向驱动电机1发出信号，驱动电机1工作，带动凸轮轴2和凸轮3不停地旋转，凸轮3的旋转运动转化为活塞杆16和活塞18的上下往复直线运动，活塞18的上下导致工件23的微孔内的密封液体体积发生高频交变，促使其内部压力发生变化，进而在其内部形成空化现象。当密封液体体积增大时，密封液体的压力降低，液体内部形成空化现象，当密封液体体积减小时，其压力增加，空化泡溃灭，从而在液体介质中产生冲击波和高速水射流，并作用在待强化的微孔内壁，使微孔内表面发生一定量的塑性变形，实现工件23的微孔内表面的空化喷丸强化加工。

加工完之后，控制器13发出信号关闭驱动电机1，并使竖直移动工作台7向上移动，待竖直移动工作台7上端面到达第一位置传感器6所在位置时，控制器13发送信号控制竖直移动工作台7停止向上运动。然后打开阀门12，使储液箱21中的水排到液池14中，待储液箱21中的液体排空后关闭阀门12，取出工件23。

图1所示的强化装置在实施时，采用的是一个工位对一个工件23强化处理。本发明所述的强化装置在实施时，还可以采用多个工位同时对多个工件23进行强化处理，能提高加工效率，相应地减少了能源消耗，参见图3所示的是采用两个加工工位的结构，当采用两个以上的加工工位时，可由图3所示的结构添加相应部件得到。以采用两个工位加工为例：两个密封盖25共同连接同一个支架10，由同一个支架10带动两个密封盖25同时上下移动。两个相同的工作23并列放置在同一个储液箱21中，两个相同的活塞缸22连接在同一个储液箱21的底部。两个相同的凸轮3同轴套在同一个凸轮轴2上，该凸轮轴2由一个驱动电机1带动旋转。采用两个工位的强化装置的其余结构与采用一个工位的结构相同，加工方法也与采用一个工位的加工方法相同。

Claims (7)

1.一种容积交变式微孔内表面空化强化装置，包括储液箱（21），其特征是：

储液箱（21）底部固定连接活塞缸（22），活塞缸（22）上段位于储液箱（21）内部，下段从储液箱（21）底壁向下伸出，活塞缸（22）上段顶部正中间开有凹槽，工件（23）整体位于储液箱（21）的内部，且工件（23）的下端放置在凹槽中，凹槽的正下方是活塞缸（22）的中心通孔，工件（23）的中心微孔上下垂直贯通且与活塞缸（22）上的凹槽、中心通孔具有共同的轴心线，活塞缸（22）的中心通孔内放置有活塞（18），活塞杆（16）上端从下向上垂直伸入活塞缸（22）中与活塞（18）固定连接，活塞杆（16）下端面与水平凸轮3外侧表面相接触，凸轮（3）固定套在水平的凸轮轴（2）上，凸轮轴（2）与驱动电机（1）的输出轴同轴固定连接；活塞杆（16）外套有弹簧（17），弹簧（17）上端支撑在活塞缸（22）底部，下端支撑在由活塞杆（16）的外壁向径向延伸的轴台上；工件（23）顶面上方是密封盖（25），密封盖（25）上段通过水平的支架（10）固定连接竖直移动工作台（7），竖直移动工作台（7）由控制器（13）控制上下运动；支架（10）上开有与储液箱（21）相通的注液口（8），注液口（8）和液池（14）之间的管道上装有液泵（9）；储液箱（21）的下端设有排液口（26），排液口（26）通过阀门（12）连通液池（14），阀门（12）和液泵（9）各通过控制线连接控制器（13）；将工件（23）浸没在液体中，将工件（23）内液体密封，工件（23）的顶端高度低于储液箱（21）的顶部高度，工件（23）的微孔内径小于活塞缸（22）的中心通孔内径，工件（23）的外径小于活塞缸（22）上的凹槽外径，控制器（13）控制液泵（9）工作，液池（14）中的液体经由液泵（9）通过注液口（8）输送到储液箱（21）中，直到液面将工件（23）全部浸没后关闭液泵（9）。

2.根据权利要求1所述的一种容积交变式微孔内表面空化强化装置，其特征是：竖直移动工作台（7）上装有第一位置传感器（6），检测竖直移动工作台（7）移动到最上方的极限位置；工件（23）上端面上装有第二位置传感器（11），检测密封盖（25）移动到最下方的极限位置。

3.根据权利要求1所述的一种容积交变式微孔内表面空化强化装置，其特征是：活塞缸（22）的上段和储液箱（21）接触处嵌有密封圈一（19），工件（23）的下端和活塞缸（22）接触处的活塞缸（22）凹槽中嵌有密封圈二（20），在密封盖（25）与工件（23）顶面相接触的底面上设有密封垫（24）。

4.根据权利要求1所述的一种容积交变式微孔内表面空化强化装置，其特征是：活塞缸（22）的上段外径大于下段外径。

5.根据权利要求1所述的一种容积交变式微孔内表面空化强化装置，其特征是：其特征是：有两个或两个以上的密封盖（25）共同连接一个支架（10），由同一个支架（10）带动两个或两个以上的密封盖（25）同时上下移动，两个或两个以上的相同的工件 （23）并列放置在同一个储液箱（21）中，两个或两个以上的相同的活塞缸（22）连接同一个储液箱（21）的底部，两个或两个以上的相同的凸轮（3）同轴套在同一个凸轮轴（2）上，凸轮轴（2）由驱动电机（1）带动旋转。

6.一种如权利要求1所述的容积交变式微孔内表面空化强化装置的强化加工方法，其特征是包括如下步骤：

A、控制器（13）控制液泵（9）工作，液池（14）中的液体经由液泵（9）通过注液口（8）输送到储液箱（21）中，直到液面将工件（23）全部浸没后关闭液泵（9）；

B、控制器（13）控制竖直移动工作台（7）向下移动，带密封盖（25）移动到紧靠在工件（23）上端面上；

C、驱动电机（1）工作，带动凸轮轴（2）和凸轮（3）旋转，活塞杆（16）和活塞（18）上下往复运动，工件（23）的微孔内的液体体积发生交变，内部压力发生变化，形成空化现象，实现工件（23）的微孔内表面的强化加工。

7.根据权利要求6所述的强化加工方法，其特征是：加工完之后，控制器（13）关闭驱动电机（1），控制竖直移动工作台（7）向上移动，打开阀门（12，）使储液箱（21）中的液体排到液池（14）中，取出工件（23）。

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