CN110129537B - 一种压力交变式微孔内表面空化喷丸设备及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压力交变式微孔内表面空化喷丸设备及工作方法，油箱内设有左右面对面布置的定位装置和磁力式活塞运动装置，定位装置的L型挡板与油箱固定连接，L型挡板右侧下方是固定连接于油箱底壁的复合式V型块，复合式V型块上置放左右水平的工件；磁力式活塞运动装置的气缸的中心轴与微孔的中心轴共线，气缸中心孔中设有活塞，微孔和气缸中心孔之间能形成密封室；气缸右端面固定连接电磁铁，电磁铁上绕在线圈，线圈两端连接换向开关，磁力式活塞运动装置的上方是驱动装置，驱动装置的电机能带动丝杠转动，滑块与丝杠通过螺纹相配合，滑块与气缸固定连接；通过活塞往复运动不断改变密封室中液体体积，对微孔内表面进行喷丸强化，效率高。

Description

一种压力交变式微孔内表面空化喷丸设备及工作方法

技术领域

本发明属于机械制造领域中零部件表面强化处理技术，具体是适用于工件微孔内表面的喷丸强化设备。

背景技术

目前，生产加工的零件更加精密化、轻巧化、结构多样化，极大程度上满足了不同领域的要求，特别是航天、汽车等高精密技术密集行业，微小孔已经成为零件中普遍的结构，例如航空发动机叶片的散热微孔、汽车排气管的微小孔道以及模具的微小孔槽等；但带有微孔工件使用过程中，常常会在内表面形成应力集中，表面会出现疲劳裂纹，这极大影响了零部件的使用寿命，为此，常常通过各种表面强化技术来提高微型孔的性能。

现有应用最为广泛的孔强化工艺是孔挤压强化和机械喷丸，冷挤压强化技术是用有一定过盈量的芯棒缓慢穿过待强化孔，使孔内表面引入压缩残余应力，从而提高孔的疲劳寿命。如中国专利公开号为CN20349595057U的文献中公布了一种孔挤压强化装置，采用挤压芯棒对孔壁进行强化，但由于受限于挤压芯棒的尺寸，无法完成对于一些微型孔的强化加工。机械喷丸是利用铁、陶瓷、玻璃、高速钢等材质制成的弹丸，通过持续不断的高速撞击孔内壁，使其表层材料发生一定的塑性形变，表层材料的位错密度增加，晶粒得到细化，形成一定厚度的残余压应力层，有效提高其疲劳强度；但是经机械喷丸处理后的材料表面粗糙度值亦随之剧烈升高，难以达到合格要求。此外，当盲孔的孔径较小时，不利于弹丸的进入，这也是传统机械喷丸技术的瓶颈。

发明内容

为了克服传统的孔挤压强化和机械喷丸工艺中存在的对盲孔长径比的限制、加工成本高以及表面质量差等缺陷问题，本发明提供了一种加工效果好的压力交变式微孔内表面空化喷丸设备以及该设备进行空化喷丸的工作方法，尤其适用于微孔内径小于1mm的小体积工件的喷丸强化加工。

本发明一种压力交变式微孔内表面空化喷丸设备采用的技术方案是：包括油箱，在油箱内设有左右面对面布置的定位装置和磁力式活塞运动装置，所述的定位装置包括L型挡板、密封垫和复合式V型块，L型挡板与油箱固定连接，L型挡板右侧下方是固定连接于油箱底壁的复合式V型块，复合式V型块上置放左右水平的工件，工件上开有左右贯通的微孔，L型挡板的右侧面上固定嵌有密封垫；所述的磁力式活塞运动装置包括左右水平布置的气缸、电磁铁和永磁铁制成的活塞，气缸的中心轴与微孔的中心轴共线，气缸的中心开有水平的气缸中心孔，气缸中心孔中设有能左右移动的永磁铁制成的活塞；气缸的左端面上嵌有密封圈，微孔和气缸中心孔之间能形成密封室；气缸的右端面固定连接电磁铁，电磁铁上绕在线圈，线圈两端连接换向开关，磁力式活塞运动装置的上方是驱动装置，驱动装置包括左右水平布置的滑块、丝杠和电机，电机能带动丝杠转动，滑块与丝杠通过螺纹相配合，滑块与气缸固定连接；电机和换向开关均通过控制线连接控制端。

所述的气缸靠近右端面上方开有排气孔，气缸中心孔与外界大气接通。

所述的的工件浸没在油液中，磁力式活塞运动装置的排气孔露在油液上方，驱动装置位于油液上方不与油液接触。

本发明一种压力交变式微孔内表面空化喷丸设备的工作方法采用的技术方案是包括如下步骤：

步骤A：控制端控制电机正转，磁力式活塞运动装置向左运动，使气缸的左端面与工件的右端面紧密贴合，关闭电机；

步骤B：控制端闭合换向开关，电磁铁产生吸力带动在左侧初始位置的永磁铁制成的活塞向右运动到右侧极限位置，控制端控制换向开关换向，电磁铁带动永磁铁制成的活塞向左运动到初始位置，控制端再控制换向开关换向，永磁铁制成的活塞又向右运动，如此往复，对微孔的内壁空化喷丸；

步骤C：喷丸加工完成时，永磁铁制成的活塞回到初始位置，控制端控制电机反转，带动磁力式活塞运动装置向右运动，关闭电机，取出工件。

本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

1）本发明通过永磁铁制成的活塞往复运动，不断改变密封室中液体体积，在密封液体体积增大时，密封液体压力会降低至液体饱和蒸汽压以下，形成空化现象；在密封液体体积减少时，密封液体压力增加，促使空化泡溃灭，从而实现利用空化泡溃灭能产生的冲击波和高速微流的作用，对微孔内表面进行喷丸强化。

2）本发明中的空化冲击是一种柔性“锤击”，能够得到比传统机械喷丸更好的表面质量，除了更小的表面粗糙度值，材料表面轮廓更加连贯平滑以外，还能够有效降低材料表面的尖锐棱边、微裂纹等有害形变，进一步提高材料的综合性能。

3）本发明中永磁铁制成的活塞往复运动的频率为2-2.5 Hz，可加工的工件的外圆直径为5.5-7mm，内孔直径小于或者等于2.5mm。

4）本发明所述空化喷丸装置具有操作方便、结构简单、效率高等优点，此外，通用性很强，不仅可对不同形状的通孔加工，而且，当工件外圆直径超出5.5-7mm一定范围时，可通过更换复合式V型块再进行强化加工。

附图说明

下面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为本发明一种压力交变式微孔内表面空化喷丸设备的结构示意图；

图2为图1中磁力式活塞运动装置8的结构放大图；

图3为图1中驱动装置7的结构放大图；

图4为图1中复合式V型块的俯视放大图；

图中：1.油箱；2.L型挡板；3.密封垫；4.工件；5.复合式V型块；6.第一位置传感器；7.驱动装置；8.磁力式活塞运动装置；9.控制端；10.密封圈；11.第二位置传感器；12.气缸；13.永磁铁制成的活塞；14.缓冲棉；15.第三位置传感器；16.电磁铁；17.换向开关；18.轴承；19.滑块；20.丝杠；21.第四位置传感器；22.联轴器；23.电机；24.微孔；25.排气孔；26.气缸中心孔。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的一种压力交变式微孔内表面空化喷丸设备包括油箱1，油箱1内注有油液。在油箱1内安装有定位装置和磁力式活塞运动装置8，定位装置和磁力式活塞运动装置8左右面对面安装。其中，定位装置是用于固定工件4的，定位装置包括L型挡板2、密封垫3以及复合式V型块5，L型挡板2与油箱1通过螺钉固定连接在一起，在L型挡板2的右侧下方是复合式V型块5，复合式V型块5通过螺钉固定在油箱1的底壁上。复合式V型块5上置放了工件4，工件4左右水平放置，其上开有微孔24，微孔24左右贯通。在L型挡板2的右侧面上固定嵌有密封垫3，用于密封工件4上的微孔24。

再参见图2，磁力式活塞运动装置8包括气缸12、永磁铁制成的活塞13、电磁铁16以及换向开关17。气缸12在工件4的正右方，左右水平布置，其中心轴与微孔24的中心轴共线。气缸12的中心开有水平的气缸中心孔26，气缸中心孔26中安装左右水平的永磁铁制成的活塞13，永磁铁制成的活塞13与气缸12的内壁密封连接并且能沿气缸12的轴向左右移动。在气缸12的左端面上嵌有密封圈10，当气缸12与工件4紧密接触时用于密封工件4上的微孔24，这样使微孔24和气缸中心孔26之间形成一个密封室。气缸中心孔26的内径大于微孔24的内径，但小于工件4的外径。

在气缸12的右端面固定焊接有左右水平的电磁铁16，电磁铁16的中心轴与气缸12的中心轴共线。在电磁铁16上绕在线圈，线圈两端连接换向开关17，换向开关17通过控制线连接控制端9，由控制端9控制换向开关17的换向，从而控制线圈电流的方向，使电磁铁16对永磁铁制成的活塞13产生吸力或斥力。在电磁铁16的左端面正中间固定连接缓冲棉14，缓冲棉14伸在气缸中心孔26中，当缓冲棉14与永磁铁制成的活塞13接触时对永磁铁制成的活塞13起缓冲作用。

在气缸12靠近右端面上方开有排气孔25，使气缸中心孔26与外界大气接通，方便永磁铁制成的活塞13在左右运动时气缸中心孔26内气体的吸入和排出。

在磁力式活塞运动装置8的上方是驱动装置7。工件4浸没在油液中，但磁力式活塞运动装置8的排气孔25露在油液上方，驱动装置7整体位于油液上方，不与油液接触。

再参见图3，驱动装置7包括滑块19、丝杠20和电机23，电机23左右水平布置，其输出轴通过联轴器22同轴心地固定连接丝杠20，丝杠20也左右水平布置，丝杠20的两端通过轴承18固定连接固定端。丝杠20上套有左右水平滑块19，滑块19与丝杠20通过螺纹相配合，形成丝杠螺母副。滑块19与其下方的气缸12的通过螺栓固定连接在一起。当电机23工作，带动丝杠20转动，滑块19沿丝杠20左右移动，从而带动气缸12移动。

轴承18、滑块19、丝杠20、联轴器22以及电机23。所述的滑块19通过螺栓固定连接在气缸12上端；丝杠20通过螺纹与滑块19形成可动连接，其左右两端都固定安装有轴承18，并且其通过联轴器22与电机23连接。电机23通过信号线连接控制端9，由控制端9控制电机23的启停。

参见图4，复合式V型块5左右对称，其左半部分的V型块用于支撑工件4，右半部分的V型块用于支撑气缸12。

如图1-3所示，在工件4右端安装第一位置传感器6，用于检测磁力式活塞运动装置8运动到左侧的极限位置，在丝杠20右端安装第四位置传感器21，用于检测磁力式活塞运动装置8运动到右侧的极限位置。第一位置传感器6和第四位置传感器21均通过信号线连接控制端9，检测的信号均传输到控制端9。

在气缸12的左端和右端各安装一个位置传感器，分别是第二位置传感器11和第三位置传感器15，分别用于判断永磁铁制成的活塞13所处的左侧的极限位置和右侧的极限位置。第二位置传感器11和第三位置传感器15均通过信号线连接控制端9，检测的信号均传输到控制端9。

本发明所述的一种压力交变式微孔内表面空化喷丸设备工作时，将工件4放置在复合式V型块5的左半部分上，向油箱1中注入油液浸没工件4，微孔24中注满了油液。控制端9发出信号控制电机23正转，带动磁力式活塞运动装置8向左运动，使气缸12的左端面与工件4的右端面紧密贴合，压紧工件4。当气缸12左端面紧靠工件4右端面时，第一位置传感器6反馈信号给控制端9，此时关闭电机23。

永磁铁制成的活塞13的初始位置是位于其左侧的极限位置，控制端9发出信号闭合换向开关17，电磁铁16产生吸力，带动永磁铁制成的活塞13向右运动靠近电磁铁16，当永磁铁制成的活塞13向右运动到右侧极限位置时，第三位置传感器15反馈信号给控制端9，控制端9控制换向开关17换向，电磁铁16极性改变产生斥力，带动永磁铁制成的活塞13向左运动。当永磁铁制成的活塞13运动到初始位置时，第二位置传感器11反馈信号给控制端9，控制端9控制换向开关17换向，永磁铁制成的活塞13在电磁铁16的作用下又向右运动。如此往复，频繁改变电磁铁16的极性实现永磁铁制成的活塞13左右来回运动，不断改变密封室中密封油液的体积，当密封油液的体积增大时，压力降低至液体饱和蒸汽压以下，形成空化现象，当密封油液的体积减少时，压力增加，促使空化泡溃灭，如此实现对微孔24的内壁空化喷丸强化加工。

喷丸加工完成时，永磁铁制成的活塞13回到初始位置，第二位置传感器11向控制端9发出信号，换向开关17断开。控制端9控制电机23反转，带动磁力式活塞运动装置8向右运动，当滑块19靠近第四位置传感器21时，第四位置传感器21向控制端9发出信号，关闭电机23，取出工件4。

Claims (8)

1.一种压力交变式微孔内表面空化喷丸设备，包括油箱（1），其特征是：油箱（1）内设有左右面对面布置的定位装置和磁力式活塞运动装置（8），所述的定位装置包括L型挡板（2）、密封垫（3）和复合式V型块（5），L型挡板（2）与油箱（1）固定连接，L型挡板（2）右侧下方是固定连接于油箱（1）底壁的复合式V型块（5），复合式V型块（5）上置放左右水平的工件（4），工件（4）上开有左右贯通的微孔（24），L型挡板（2）的右侧面上固定嵌有密封垫（3）；所述的磁力式活塞运动装置（8）包括左右水平布置的气缸（12）、电磁铁（16）和永磁铁制成的活塞（13），气缸的中心轴与微孔（24）的中心轴共线，气缸（12）的中心开有水平的气缸中心孔（26），气缸中心孔（26）中设有能左右移动的永磁铁制成的活塞（13）；气缸（12）的左端面上嵌有密封圈（10），微孔（24）和气缸中心孔（26）之间能形成密封室；气缸（12）的右端面固定连接电磁铁（16），电磁铁（16）上绕在线圈，线圈两端连接换向开关（17），磁力式活塞运动装置（8）的上方是驱动装置（7），驱动装置（7）包括左右水平布置的滑块（19）、丝杠（20）和电机（23），电机（23）能带动丝杠（20）转动，滑块（19）与丝杠（20）通过螺纹相配合，滑块（19）与气缸（12）固定连接；电机（23）和换向开关（17）均通过控制线连接控制端（9）。

2.根据权利要求1所述的一种压力交变式微孔内表面空化喷丸设备，其特征是：气缸（12）靠近右端面上方开有排气孔（25），气缸中心孔（26）与外界大气接通。

3.根据权利要求1所述的一种压力交变式微孔内表面空化喷丸设备，其特征是：工件（4）浸没在油液中，磁力式活塞运动装置（8）的排气孔（25）露在油液上方，驱动装置（7）位于油液上方不与油液接触。

4.根据权利要求1所述的一种压力交变式微孔内表面空化喷丸设备，其特征是：工件（4）右端设有能检测磁力式活塞运动装置（8）运动到左侧极限位置的第一位置传感器（6），丝杠（20）右端设有能检测磁力式活塞运动装置（8）运动到右侧极限位置的第四位置传感器（21），气缸（12）左端和右端分别设有能检测永磁铁制成的活塞（13）所在左侧、右侧极限位置的第二位置传感器（11）、第三位置传感器（15）。

5.根据权利要求1所述的一种压力交变式微孔内表面空化喷丸设备，其特征是：气缸中心孔（26）的内径大于微孔（24）的内径、小于工件（4）的外径。

6.根据权利要求1所述的一种压力交变式微孔内表面空化喷丸设备，其特征是：电磁铁（16）的中心轴与气缸（12）的中心轴共线。

7.根据权利要求1所述的一种压力交变式微孔内表面空化喷丸设备，其特征是：电磁铁（16）的左端面正中间固定连接缓冲棉（14），缓冲棉（14）伸在气缸中心孔（26）中。

8.一种如权利要求1所述的压力交变式微孔内表面空化喷丸设备的工作方法，其特征是包括如下步骤：

步骤A：控制端（9）控制电机（23）正转，磁力式活塞运动装置（8）向左运动，使气缸（12）的左端面与工件（4）的右端面紧密贴合，关闭电机（23）；

步骤B：控制端（9）闭合换向开关（17），电磁铁（16）产生吸力带动在左侧初始位置的永磁铁制成的活塞（13）向右运动到右侧极限位置，控制端（9）控制换向开关（17）换向，电磁铁（16）带动永磁铁制成的活塞（13）向左运动到初始位置，控制端（9）再控制换向开关（17）换向，永磁铁制成的活塞（13）又向右运动，如此往复，对微孔（24）的内壁空化喷丸；

步骤C：喷丸加工完成时，永磁铁制成的活塞（13）回到初始位置，控制端（9）控制电机（23）反转，带动磁力式活塞运动装置（8）向右运动，关闭电机（23），取出工件（4）。

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