CN110170927B - 一种盲孔内表面喷丸设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种金属表面强化领域中的盲孔内表面喷丸设备，带有盲孔的工件的正上方是竖直布置的圆柱形套管，工件的表面能与圆柱形套管下表面紧密贴合且密封，圆柱形套管外壁与水平布置的竖直移动工作台的内端固定相连接，竖直移动工作台的外端移动式连接竖直固定工作台，圆柱形套管的内部正中间开有上下贯通的台阶通孔，上段孔与下段孔之间形成的轴肩上固定放置水平的多孔孔板，多孔孔板的上方为活塞杆，活塞杆底面与盲孔底部之间形成密封腔室；通过活塞快速往复运动改变盲孔中液体的体积来改变液体压力，液体流过多孔孔板时，由于孔板的阻流作用，液体压力降低，溶解在液体中的气体会进一步释放出来，提高其空化喷丸效果。

Description

一种盲孔内表面喷丸设备

技术领域

本发明属于金属表面强化领域，涉及一种喷丸装置，特指一种用于盲孔内表面空化喷丸装置，利用空泡溃灭产生的冲击波和微射流进行零件表面强化处理。

背景技术

目前各种具有高质量盲孔结构的器件广泛应用于电子、医疗器械、航空航天和微电子机械系统（MEMS）等领域，但是由于盲孔结构件在服役过程中会出现明显的应力集中，孔周围常常出现疲劳裂纹，尤其是在复杂的外加载荷作用下孔结构件很容易发生疲劳断裂，从而导致其安全性、可靠性和使用寿命都大大降低。为此，需要通过各种表面强化技术来提高材料的服役性能。

目前应用最为广泛的孔强化工艺是孔挤压强化，此技术是使用具有一定过盈量的芯棒，施加外载驱使芯棒缓慢通过待强化孔，使孔壁周边区域产生压缩残余应力，从而在一定程度上提高零件的疲劳寿命。虽然此工艺具有结构简单、成本低廉、孔壁质量好等优势，但是需要根据不同孔径定制特定的芯棒，从而提高加工成本。另外，该工艺还受到长径比的限制，对于小孔径，大深度的细长盲孔进行强化时，芯棒在挤压过程中容易折断，因而限制了此方法的应用范围。

机械喷丸在孔强化方面也得到了广泛应用，其利用铁、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有待突破的瓶颈。

空化喷丸强化作为一种新型的表面强化技术，其主要是靠液流中群泡溃灭产生的冲击波和微射流，这些高压冲击作用于材料表面，使材料发生塑性变形，从而使材料的组织致密化，并在材料表面形成一定深度的残余压应力层，能够有效地消除材料内部的应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，因此空化喷丸强化处理后材料的疲劳性能得到了很大改善。

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，本发明提供一种盲孔内表面喷丸设备，基于容积交变的空化喷丸技术，提高小孔径、大深度的细长盲孔的内表面性能。

为实现上述目的，本发明所述的一种盲孔内表面喷丸设备采用的技术方案是：其底部是水平工作台，水平工作台上固定连接竖直固定工作台和水平支架，水平支架正中间竖直放置带有盲孔的工件，盲孔的开口朝向正上方；工件的正上方是竖直布置的圆柱形套管，工件的表面能与圆柱形套管下表面紧密贴合且密封，圆柱形套管外壁与水平布置的竖直移动工作台的内端固定相连接，竖直移动工作台的外端移动式连接竖直固定工作台，圆柱形套管的内部正中间开有上下贯通的台阶通孔，上段孔与下段孔之间形成的轴肩上固定放置水平的多孔孔板，多孔孔板的上方为活塞杆，活塞杆和多孔孔板之间不接触，活塞杆的上端向上伸出圆柱形套管外部；活塞杆底面与盲孔底部之间形成密封腔室；位于活塞杆和多孔孔板之间的圆柱形套管的管壁上开有进水孔。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

（1）本发明通过活塞快速往复运动，改变待加工盲孔中液体的体积来改变液体压力，当液体中的局部压力降低到饱和蒸汽压以下时就会出现空泡群，在进一步压缩液体后空泡群溃灭，从而在液体介质中产生强大的冲击波和高速水射流，作用在待强化孔内壁，使孔内壁发生一定量的塑性变形，从而在孔的内表面引入残余压应力而实现强化效果。

（2）当液体流过一个多孔孔板时，由于孔板的阻流作用，液体流速增大、压力降低，当压力降至饱和蒸汽压时，溶解在液体中的气体会进一步释放出来，提高其空化喷丸的效果。

（3）本发明利用活塞杆与多孔孔板双重方式产生空化效应，使工件的强化效果更加显著。此外，这是一种柔性“锤击”，相比于传统机械喷丸，经过本装置强化的孔壁，能够得到更好的表面质量，这不仅仅是更小的表面粗糙度值，更重要的是提高材料表面轮廓的连贯平滑程度。

（4）本发明结构简单、制造成本低，拆卸和清洗便捷。对于不同形状、不同直径的盲孔，该装置依然适用，通用性强。值得注意的是，该装置还可以同时对多个盲孔工件进行强化，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为本发明的结构示意图；

图2为图1中多孔孔板的俯视放大图；

图中：1. 竖直固定工作台；2. 竖直移动工作台；3. 水平工作台；4. 水平支架；5.工件；6. 盲孔；7. 密封垫；8. 圆柱形套管；9. 多孔孔板；10. 进水管；11. 阀门；12. 活塞杆；13. 排气孔；14. 端盖；15. 液体；16.轴肩；17. 孔壁；18. 板通孔。

具体实施方式

参见图1，本发明的底部是水平工作台3，水平工作台3上固定连接竖直固定工作台1，竖直固定工作台1与水平工作台3相垂直。水平工作台3上表面固定水平支架4，水平支架4正中间开有凹槽，用于放置工件5，并将工件5夹紧，使工件5竖直不动。工件5的中间带有盲孔6，盲孔6的开口朝向正上方。在工件5的正上方是圆柱形套管8，圆柱形套管8竖直布置，与工件5具有相同的中心线，圆柱形套管8的下表面与工件5的上表面之间能相互贴合，工件5的上表面与圆柱形套管8的下表面的贴合接触处设有密封垫7，进行密封。

圆柱形套管8的外壁与水平布置的竖直移动工作台2的内端固定相连接，竖直移动工作台2的外端移动式连接竖直固定工作台1上，竖直移动工作台2能沿竖直固定工作台1上下移动，从而带动圆柱形套管8上下移动，使圆柱形套管8能与工件5相互紧密贴合或向上远离工件5。

圆柱形套管8的内部正中间开有上下贯通的台阶通孔，上段孔与下段孔之间形成轴肩16。台阶通孔的中心线与盲孔6的中心线相同。台阶通孔的下段孔的内径等于盲孔6的内径，但小于其上段孔的内径。在轴肩16上固定放置多孔孔板9，多孔孔板9水平放置，为圆盘形，多孔孔板9的外径等于上段孔的内径，因此，多孔孔板9与台阶通孔的孔壁17之间保持过盈配合，且与轴肩16相互贴合。

在多孔孔板9的上方为活塞杆12，活塞杆12和多孔孔板9之间留有距离，相互不接触。活塞杆12的下端外径等于多孔孔板9的外径，也等于台阶通孔的上段孔的内径，活塞杆12与孔壁17之间采用密封配合，活塞杆12能沿孔壁17上下滑动。活塞杆12的上端向上伸出圆柱形套管8外部。

在圆柱形套管8的上端面处连接端盖14，端盖14盖住台阶通孔。端盖14与圆柱形套管8之间采用螺纹连接。在端盖14的中心开孔，活塞杆12上端通过该孔伸出在端盖14上方，活塞杆12和端盖14之间同轴且保持间隙配合。在端盖14上还开有排气孔13，使圆柱形套管8内部与外界相通，这样，当活塞杆12在圆柱形套管8内进行快速往复运动时，可将台阶通孔内的气体向上排出。

位于活塞杆12和多孔孔板9之间的圆柱形套管8的管壁上开有进水孔，该进水孔通过进水管10连接阀门11，通过阀门11能控制液体流入。

这样，在活塞杆12底面与盲孔6底部之间形成的是密封腔室，密封腔室中置放的是多孔孔板9，液体能通过进水管10进入密封腔室。

参见图2，多孔孔板9上沿直径方向的内外开有2-3层板通孔18，每层的板通孔18有多个。板通孔18的开孔形状可以为圆形、三角形、椭圆形、方形或菱形等，不影响效果。

本发明工作时，初始状态时，圆柱形套管8在工件5的上方有一定距离，首先驱动竖直移动工作台2工作，带动圆柱形套管8向下移动，使圆柱形套管8与工件5紧密贴合，两者的内部形成完整的密封腔室。然后打开阀门11将水输送到圆柱形套管8内，水在重力作用向下经过多个板通孔18后流入盲孔6中，待密封腔室内的水注满时关闭阀门11。之后驱动活塞杆12在圆柱形套管8内进行快速往复上下运动，以改变待整个密封腔室中液体的体积，从而改变液体的压力，当液体中的局部压力降低到饱和蒸汽压以下时就会出现空泡群。当活塞杆12进行快速往复上下运动并带动整个密封腔室中液体进行运动，当液体流过多孔孔板9时，由于孔板的阻流作用，液体流速增大、压力降低，当压力降至饱和蒸汽压时，溶解在液体中的气体会进一步释放出来，提高其空化效果。当液体中空泡群接触到盲孔6的内壁发生溃灭时，群泡溃灭产生的冲击波以及微射流反复作用于盲孔6材料表面，使材料表面发生塑性变形，从而使材料的组织致密化，并在材料表面形成一定深度的残余压应力层，能够有效地消除材料内部的应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，从而使材料的疲劳性能得到很大改善。同时由于空泡溃灭冲击是一种柔性“锤击”，进而获得更好的表面质量。加工好之后，驱动竖直移动工作台2带动圆柱形套管8向上移动，取出工件5。

本发明还可以同时对一个工件5上带有的多个盲孔6进行加工，工件5上并列设有多个盲孔6。多个盲孔6整体位于圆柱形套管8下段孔的下方，使每个盲孔6均与圆柱形套管8内部相通，活塞杆12在圆柱形套管8内进行上下运动，同时对多个盲孔6加工，极大地提高了加工效率，相应地减少了能源消耗。

Claims (7)

1.一种盲孔内表面喷丸设备，底部是水平工作台（3），水平工作台（3）上固定连接竖直固定工作台（1）和水平支架（4），其特征是：水平支架（4）正中间竖直放置带有盲孔（6）的工件（5），盲孔（6）的开口朝向正上方；工件（5）的正上方是竖直布置的圆柱形套管（8），工件（5）的表面能与圆柱形套管（8）下表面紧密贴合且密封，圆柱形套管（8）外壁与水平布置的竖直移动工作台（2）的内端固定相连接，竖直移动工作台（2）的外端移动式连接竖直固定工作台（1），圆柱形套管（8）的内部正中间开有上下贯通的台阶通孔，上段孔与下段孔之间形成的轴肩（16）上固定放置水平的多孔孔板（9），多孔孔板（9）的上方为活塞杆（12），活塞杆（12）和多孔孔板（9）之间不接触，活塞杆（12）的上端向上伸出圆柱形套管（8）外部；活塞杆（12）底面与盲孔（6）底部之间形成密封腔室；位于活塞杆（12）和多孔孔板（9）之间的圆柱形套管（8）的管壁上开有进水孔，活塞杆（12）进行快速往复上下运动并带动整个密封腔室中液体进行运动产生空泡群。

2.根据权利要求1所述的一种盲孔内表面喷丸设备，其特征是：多孔孔板（9）上沿直径方向的内外开有2-3层板通孔（18）。

3.根据权利要求1所述的一种盲孔内表面喷丸设备，其特征是：圆柱形套管（8）、工件（5）、台阶通孔以及盲孔（6）具有相同的中心线。

4.根据权利要求1所述的一种盲孔内表面喷丸设备，其特征是：所述的台阶通孔的下段孔的内径等于盲孔（6）的内径，小于其上段孔的内径；多孔孔板（9）的外径等于台阶通孔的上段孔的内径。

5.根据权利要求1所述的一种盲孔内表面喷丸设备，其特征是：圆柱形套管（8）的上端面处连接盖住台阶通孔的端盖（14），端盖（14）上开有排气孔（13）。

6.根据权利要求1所述的一种盲孔内表面喷丸设备，其特征是：工件（5）上带有多个盲孔（6），每个盲孔（6）均与圆柱形套管（8）内部相通。

7.根据权利要求2所述的一种盲孔内表面喷丸设备，其特征是：板通孔（18）的开孔形状为圆形、三角形、椭圆形、方形或菱形。

Images