CN112626322B - 一种射流强化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射流强化装置及方法，射流装置包括介质存储器、混合腔、喷嘴、升降平台和控制装置；介质存储器内设有多个分隔的存储腔且至少一个存储腔中设有石墨烯，存储腔内设有第一搅拌器，存储腔通过射流通道分别与混合腔相连通；混合腔分别与介质存储器及喷嘴相连，其腔内设有第二搅拌器；所述喷嘴具有中空的内腔并与混合腔相连通，且该喷嘴位于所述升降平台的上方；控制装置分别控制第一搅拌器、第二搅拌器和升降平台的操作。本发明的射流强化装置及方法，可以实现任意液体与石墨烯的混合射流强化，从而使强化后的表面质量和疲劳强度更好；通过控制装置可实现强化的自动控制，提高了强化效率，且操作简单，便于调整与维护。

Description

一种射流强化装置及方法

技术领域

本发明涉及材料强化领域，更具体地涉及一种射流强化装置及方法。

背景技术

为了提高零部件的疲劳寿命，往往采用喷丸、滚压和激光冲击等表层改性技术在金属表层引入残余压应力，但传统喷丸难以控制每个丸粒的速度、入射角度以及喷射位置，极易出现“欠喷”和“过喷”现象，甚至出现未有喷丸强化的“死角”。由于受辊子或滚珠的限制，对发动机涡轮盘的榫根等拐角处进行滚压也难以实现。激光冲击虽然可以强化任何照射到的位置，但由于存在成本、效率、稳定性等问题，大规模工程应用受到一定限制。

因此，有必要寻求一种高效低廉的表层改性装置，用以强化榫根、深孔等复杂狭窄的区域。

发明内容

本发明提供一种射流强化装置及方法，以解决现有技术中无法高效低廉地强化榫根、深孔等复杂狭窄区域的技术问题。

本发明一方面提供一种射流强化装置，包括：

介质存储器、混合腔、喷嘴、升降平台和控制装置；

所述介质存储器内设有多个分隔的存储腔且至少一个存储腔中设有石墨烯，所述存储腔内设有第一搅拌器，所述存储腔通过射流通道分别与所述混合腔相连通；

所述混合腔分别与介质存储器及喷嘴相连，其腔内设有第二搅拌器；

所述喷嘴具有中空的内腔并与所述混合腔相连通，且该喷嘴位于所述升降平台的上方；

所述控制装置分别控制所述第一搅拌器、第二搅拌器和升降平台的操作。

进一步地，相邻存储腔之间设置有密封件。

进一步地，所述喷嘴与混合腔转动连接。

进一步地，所述混合腔上设有支架以及与所述支架转动连接的转轴，所述喷嘴固定在所述转轴上。

进一步地，所述转轴的一端安装有伺服电机，所伺服电机与所述控制装置相连。

进一步地，所述喷嘴与混合腔采用万向节连接。

进一步地，所述喷嘴的内腔与混合腔通过柔性软管相连通。

进一步地，所述射流通道为柔性软管。

进一步地，所述升降平台包括装夹平台和与其相连接并推动其动作的气缸，所述气缸与所述控制装置相连。

进一步地，所述控制装置为计算机或可编程逻辑控制器。

本发明另一方面提供一种射流强化方法，包括以下步骤：

S1：分别对石墨烯和液体进行第一次搅拌；

S2：将搅拌好的石墨烯和液体混合在一起，并进行第二次搅拌；

S3：将搅拌好的石墨烯与液体的混合物通入喷嘴中，所述喷嘴将所述混合物喷向被加工件，以实现射流强化。

进一步地，所述液体包括水、大豆油、玉米油、花生油中的一种或多种。

进一步地，所述石墨烯在所述混合物中的浓度为2.5％-7.5％。

本发明的射流强化装置及方法，可以实现多自由度射流强化，通过任意液体与石墨烯的混合射流强化，射流通道采用柔性高的软管，可以增强射流的湍流形成，使强化后的表面质量和疲劳强度更好；整个强化过程一次装夹，重复使用，射流喷嘴便捷更换，并且通过控制装置可实现强化的自动控制，提高强化效率100倍以上，提高强化效果2倍以上，且操作简单，便于调整与维护。

附图说明

图1为本发明实施例提供的射流强化装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的射流强化装置的介质存储器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的射流强化装置的喷嘴与支架的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的射流强化装置的升降平台的结构示意图；

图5为本发明另一实施例提供的射流强化方法的流程图；

图6a-图6f分别为侵彻角为0°时的对照组和仿真方案1-5的抗弹性应力应变云图；

图7a-图7f分别为侵彻角为20°时的对照组和仿真方案1-5的抗弹性应力应变云图。

附图标记：

1-介质存储器；

11-存储腔；

12-第一搅拌器；

2-射流通道；

3-混合腔；

31-第二搅拌器；

4-喷嘴；

5-支架；

6-转轴；

7-升降平台；

71-装夹平台；

72-气缸；

8-控制装置。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

实施例一

如图1和2所示，本发明实施例提供一种射流强化装置，包括介质存储器1、混合腔3、喷嘴4、升降平台7和控制装置8，其中，介质存储器1内设有多个分隔的存储腔11，用于储存石墨烯和不同种类的液体，每个存储腔11内均设有第一搅拌器12，用于对存储腔11中石墨烯或液体进行搅拌，并使它们以一定压力及速度喷射出；存储腔11与混合腔3通过射流通道2相连通，存储腔11中的石墨烯及液体喷射至混合腔3内进行混合，混合腔3内设置有第二搅拌器31，用于对石墨烯及液体的混合物进行搅拌，并使其以一定压力及速度喷出；喷嘴4与混合腔3转动连接且位于升降平台7的上方，喷嘴4内部中空，其内腔与混合腔3相连通，被加工件置于升降平台7上，并可随着升降平台7上下移动，混合腔3中的混合物被充分搅拌后通过喷嘴4喷射向被加工件，以完成对被加工件的射流强化，喷嘴4可自由转动，因此可以方便地控制射流的喷射位置及入射角度，从而可完成对区域狭小、结构复杂的榫根、深孔等部位的强化；控制装置8分别与第一搅拌器12、第二搅拌器31和升降平台7相连，用于控制石墨烯、液体及它们的混合物的粘度、压力、速度以及升降平台7的升降。其中，石墨烯、液体以及它们的混合物的粘度范围为：1.01×10^-3Pa·s～1.25×10^-3Pa·s，优选为1.12×10^-3Pa·s；压力范围为：100～350MPa，优选为275MPa；速度范围为3L/min-5L/min，优选为4.2L/min。

相邻的两存储腔11之间可以设置密封件，实现密封，防止不同种类的液体以及石墨烯在未搅拌前进行混合，影响混合液中各个成分的比例，从而影响射流强化的效果。

射流通道2可以采用柔性软管，通过柔性软管使存储腔11和混合腔3连通，这样可以增强射流的湍流形成，强化效果更好。

如图1和3所示，喷嘴4与混合腔3可通过支架5和转轴6实现转动连接，具体地，支架5的一端固定在混合腔3上，另一端则与转轴6枢轴连接，喷嘴4则固定在转轴6上，转轴6带动喷嘴4在支架5上自由转动。

支架5上可设置一空腔，该空腔与混合腔3连通，喷嘴4则通过柔性软管与该空腔连通，从而实现喷嘴4与混合腔3的连通，且喷嘴4在转动过程中一直可以与混合腔3保持连通状态，使混合腔3中的混合物可按任意角度喷射出。

应当注意的是，喷嘴4也可以采用其他方式与混合腔3连通，例如直接通过柔性软管与混合腔3连通，本发明对此不作限定。

转轴6的一端可以安装伺服电机，用于驱动转轴6转动；伺服电机与控制装置8相连，从而实现对转轴6转动角度的控制。

在一可行的实施方式中，喷嘴4和混合腔3之间可以采用万向节连接，从而实现转动连接。

如图4所示，升降平台7包括装夹平台71和气缸72，被加工件固定安装在装夹平台71上，气缸72一端与装夹平台71相连，由气缸72的伸缩来带动装夹平台71上下运动，从而使加工更方便。

气缸72可以与控制装置8相连，由控制装置8控制气缸72的伸缩，从而自动控制被加工件的位置并使被加工件与喷嘴4相互配合，进一步提高加工效率。

控制装置8可以为计算机或可编程逻辑控制器，且具有人机交互界面，通过人机交互界面输入预设的控制程序，包括对液体的种类和粘度、混合物的比率、粘度、压力和速度、喷射角度、升降平台的运动轨迹等等，从而实现对被加工件的自动强化。

本发明实施例的射流强化装置既可以实现单一液体射流强化，也可以实现单一液体与石墨烯混合射流强化或者多种液体与石墨烯混合射流强化，且可以实现对加工过程中的自动控制。其中，液体包括水、大豆油、玉米油、花生油等等。下面以单一液体与石墨烯混合射流及两种液体与石墨烯混合射流为例说明该射流强化装置的使用方法。

单一液体与石墨烯混合射流强化时，首先将被加工件安装在升降平台7上，再将水、大豆油、玉米油、花生油等液体和石墨烯分别置于不同的存储腔11中，根据射流方案选取液体中的一种，对该液体和石墨烯分别进行搅拌，第一搅拌器12可实时检测它们的粘度，当达到预设粘度时，按照一定比率将该液体和石墨烯喷入混合腔3中，具体比率可根据需要自行选择；再对混合物进行搅拌，第二搅拌器31实时检测混合物的粘度，达到预设粘度时，将混合物通过喷嘴4喷射至被加工件的表面，以实现射流强化，在强化过程中，喷嘴4和升降平台7可自由转动和移动，以实现对榫根、深孔等复杂曲面的强化。

两种液体与石墨烯混合射流强化时，首先将被加工件安装在升降平台7上，再将水、大豆油、玉米油、花生油等液体和石墨烯分别置于不同的存储腔11中，根据射流方案选取液体中的两种，对所选择的两种液体和石墨烯分别进行搅拌，第一搅拌器12可实时检测它们的粘度，当达到预设粘度时，按照预设比率将选择好的两种液体和石墨烯喷入混合腔3中，具体比率可根据需要自行选择；再对混合物进行搅拌，第二搅拌器31实时检测混合物的粘度，达到预设粘度时，将混合物通过喷嘴4喷射至被加工件的表面，以实现射流强化，在强化过程中，喷嘴4和升降平台7可自由转动和移动，以实现对榫根、深孔等复杂曲面的强化。

由于不同的液体都存在不同的物理性能，它们与石墨烯的混合物的物理性能也不同，因此，具体液体种类可根据实际需要进行选择，本发明对此不做限定。

通过在射流液体中混入石墨烯，由于石墨烯具有良好的自润滑性，可以在射流表面形成较好的保护，从而在对被加工件的表面进行强化时，在被加工件的表面形成一层保护膜，使被强化后的表面质量更好。射流液体中石墨烯的浓度范围为2.5％-7.5％，最佳浓度为5.25％。

本发明实施例提供的射流强化装置，可以实现多自由度射流强化，通过任意液体与石墨烯的混合射流强化，射流通道采用柔性高的软管，可以增强射流的湍流形成，使强化后的表面质量和疲劳强度更好；整个强化过程一次装夹，重复使用，射流喷嘴便捷更换，并且通过控制装置可实现强化的自动控制，提高强化效率100倍以上，提高强化效果2倍以上，且操作简单，便于调整与维护。

实施例二

如图5所示，本实施例提供一种射流强化方法，包括以下步骤：

S1：分别对石墨烯和液体进行第一次搅拌。

石墨烯和液体可以分别在不同的搅拌室中进行搅拌，搅拌过程中需要实时检测它们的粘度，达到预设粘度后，第一次搅拌完成。

S2：将搅拌好的石墨烯和液体混合在一起，并进行第二次搅拌。

石墨烯和液体需按一定比率混合，具体数值可根据实际情况自行选择，混合物可位于另一搅拌室中，在第二次搅拌过程中需要实时检测混合物的粘度，达到预设粘度后，第二次搅拌完成。

S3：将搅拌好的石墨烯与液体的混合物通入喷嘴中，喷嘴将混合物喷射向被加工件，以实现射流强化。

混合物的喷出压力和速度需要控制在预设范围内，具体可由泵等装置来实现，喷嘴可以设置为可移动，从而实现不同角度的喷射。

液体可以为水、大豆油、玉米油、花生油等中的一种或几种，可根据实际情况进行选择，本发明对此不做限定。

本实施例中的射流强化方法可以通过实施例一中的射流强化装置实现，具体说明如下：

单一液体与石墨烯混合射流强化时，首先将被加工件安装在升降平台7上，再将水、大豆油、玉米油、花生油等液体和石墨烯分别置于不同的存储腔11中，根据射流方案选取液体中的一种，对该液体和石墨烯分别进行搅拌，第一搅拌器12可实时检测它们的粘度，当达到预设粘度时，按照一定比率将该液体和石墨烯喷入混合腔3中，具体比率可根据需要自行选择；再对混合物进行搅拌，第二搅拌器31实时检测混合物的粘度，达到预设粘度时，将混合物通过喷嘴4喷射至被加工件的表面，以实现射流强化，在强化过程中，喷嘴4和升降平台7可自由转动和移动，以实现对榫根、深孔等复杂曲面的强化。

两种液体与石墨烯混合射流强化时，首先将被加工件安装在升降平台7上，再将水、大豆油、玉米油、花生油等液体和石墨烯分别置于不同的存储腔11中，根据射流方案选取液体中的两种，对所选择的两种液体和石墨烯分别进行搅拌，第一搅拌器12可实时检测它们的粘度，当达到预设粘度时，按照预设比率将选择好的两种液体和石墨烯喷入混合腔3中，具体比率可根据需要自行选择；再对混合物进行搅拌，第二搅拌器31实时检测混合物的粘度，达到预设粘度时，将混合物通过喷嘴4喷射至被加工件的表面，以实现射流强化，在强化过程中，喷嘴4和升降平台7可自由转动和移动，以实现对榫根、深孔等复杂曲面的强化。

在强化过程中，射流方案的选取、粘度的控制、喷嘴4和升降平台7的运动等均通过控制装置8来实现，可以预先设置好程序，输入控制装置8中，实现自动强化。

本实施例提供的射流强化方法，通过在射流液体中混入石墨烯，可以在对被加工件的表面进行强化时，在被加工件的表面形成一层保护膜，从而使被强化后的表面质量更好。

下面将以2219铝合金为研究对象，制动基于不同射流方案对其表面进行强化，并对强化后的2219铝合金板材进行抗弹性冲击仿真试验，以验证强化效果。具体射流仿真方案如表1所示，表1中的方案1-方案5分别在0°和20°侵彻角下进行。

表1

为了验证本实施例的射流强化方法的强化效果，选取超声滚压强化后的2219铝合金板材进行抗弹性冲击仿真试验作为对比，命名为对照组。

如图6a-图6f和图7a-图7f所示，图6a和图7a为对照组的抗弹性应力应变云图，图6b-图6f和图7b-图7f分别为侵彻角0°和20°时方案1-方案5的抗弹性应力应变云图，从图6a中可以看到钻头穿透板材，而其余图中，穿透越来越少，说明板材抗弹性越来越好，因此通过抗弹性分析的结果可以发现，相对于对照组，方案1-方案5的应力和应变更小，且方案5的应力和应变最小，由此说明，采用石墨烯与液体混合的射流强化方法强化后的2219铝合金板材的抗弹性更好，其中采用花生油/玉米油/石墨烯混合射流强化后的板材抗弹性最好。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (12)

1.一种射流强化装置，其特征在于，包括介质存储器、混合腔、喷嘴、升降平台和控制装置；

所述介质存储器内设有多个分隔的存储腔且至少一个存储腔中设有石墨烯，其他存储腔中设有液体，所述液体包括水、大豆油、玉米油、花生油中的一种或多种；所述存储腔内设有第一搅拌器，所述存储腔通过射流通道分别与所述混合腔相连通；所述液体和所述石墨烯在所述混合腔中混合以实现射流强化；

所述混合腔分别与介质存储器及喷嘴相连，其腔内设有第二搅拌器；

所述喷嘴具有中空的内腔并与所述混合腔相连通，且该喷嘴位于所述升降平台的上方；

所述控制装置分别控制所述第一搅拌器、第二搅拌器和升降平台的操作。

2.根据权利要求1所述的射流强化装置，其特征在于，相邻存储腔之间设置有密封件。

3.根据权利要求1所述的射流强化装置，其特征在于，所述喷嘴与混合腔转动连接。

4.根据权利要求3所述的射流强化装置，其特征在于，所述混合腔上设有支架以及与所述支架转动连接的转轴，所述喷嘴固定在所述转轴上。

5.根据权利要求4所述的射流强化装置，其特征在于，所述转轴的一端安装有伺服电机，所伺服电机与所述控制装置相连。

6.根据权利要求3所述的射流强化装置，其特征在于，所述喷嘴与混合腔采用万向节连接。

7.根据权利要求1所述的射流强化装置，其特征在于，所述喷嘴的内腔与混合腔通过柔性软管相连通。

8.根据权利要求1所述的射流强化装置，其特征在于，所述射流通道为柔性软管。

9.根据权利要求1所述的射流强化装置，其特征在于，所述升降平台包括装夹平台和与其相连接并推动其动作的气缸，所述气缸与所述控制装置相连。

10.根据权利要求1-9任一项所述的射流强化装置，其特征在于，所述控制装置为计算机或可编程逻辑控制器。

11.一种如权利要求1中所述的射流强化装置的射流强化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：分别对石墨烯和液体进行第一次搅拌；

S2：将搅拌好的石墨烯和液体混合在一起，并进行第二次搅拌；

S3：将搅拌好的石墨烯与液体的混合物通入喷嘴中，所述喷嘴将所述混合物喷向被加工件，以实现射流强化。

12.根据权利要求11所述的射流强化方法，其特征在于，所述石墨烯在所述混合物中的浓度为2.5%-7.5%。

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