CN112975581B - 一种射流强化抛光一体化装置及工艺 - Google Patents

一种射流强化抛光一体化装置及工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种射流强化抛光一体化装置及工艺，用于对待加工件进行表面强化，包括：存储器，其内存储有水和磁流体；一级入口，与所述存储器连通；射流腔体，具有射流腔，所述射流腔与所述一级入口连通；至少一个喷嘴，固定在所述射流腔体上，具有相互连通的入射口和出射口，所述入射口与所述射流腔体连通，所述出射口对准待加工件；抛光装置，包括永磁小车和盖板，所述永磁小车位于所述待加工件的下方，所述盖板可分离地放置在所述待加工件的上表面。本发明的射流强化抛光一体化装置及工艺，可在完成待加工件的射流强化后进行抛光，操作简单，便于调整与维护。

Description

一种射流强化抛光一体化装置及工艺
技术领域
本发明涉及材料表面强化领域，更具体地涉及一种射流强化抛光一体化装置及工艺。
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，对发动机涡整体叶盘和榫槽等复杂凹曲面类结构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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种射流强化抛光一体化装置及工艺，以强化发动机涡整体叶盘和榫槽等复杂凹曲面类结构，强化效率高，成本低廉。
本发明一方面提供一种射流强化抛光一体化装置，用于对待加工件进行表面强化，包括：
存储器，其内存储有水和磁流体；
一级入口，与所述存储器连通；
射流腔体，具有射流腔，所述射流腔与所述一级入口连通；
至少一个喷嘴，固定在所述射流腔体上，具有相互连通的入射口和出射口，所述入射口与所述射流腔体连通，所述出射口对准待加工件；
抛光装置，包括永磁小车和盖板，所述永磁小车位于所述待加工件的下方，所述盖板可分离地放置在所述待加工件的上表面。
进一步地，所述射流腔体的内壁上设有至少一个凹坑。
进一步地，所述喷嘴的入射口和出射口之间依次设有相连通的谐振腔、一级喉管、自激振荡腔和二级喉管。
进一步地，所述一级喉管与所述二级喉管的长度比值为3:1。
进一步地，所述喷嘴的出射口为半球形。
进一步地，所述喷嘴有多个，且沿所述射流腔体长度方向均匀设置。
进一步地，所述喷嘴与所述射流腔体转动连接。
本发明另一方面提供一种射流强化抛光一体化工艺，包括：
步骤S1：提供一种如权利要求1-7任一项所述的射流强化抛光一体化装置，将待加工件固定好，并至于喷嘴的出射口下方；
步骤S2：通过高压泵对存储器内的水增压后依次经过一级入口、射流腔体和喷嘴，由喷嘴的出射口射向待加工件，完成对待加工件表面的射流强化；
步骤S3：将存储器内的磁流体通过高压泵加压后依次经过一级入口、射流腔体和喷嘴，由喷嘴的出射口射向已完成强化的待加工件表面；
步骤S4：将盖板覆盖在磁流体上方，永磁小车沿预设进给方向运动，实现待加工件表面的抛光。
进一步地，所述步骤S2中，水射流的压力为50-420MPa。
进一步地，所述步骤S3中，磁流体射流的压力为1-7.5MPa。
本发明的射流强化抛光一体化装置及工艺，可在完成待加工件的射流强化后进行抛光，操作简单，便于调整与维护；通过在射流腔体内设置凹坑、并在喷嘴内设置谐振腔、一级喉管、自激振荡腔和二级喉管，两者的耦合效果可以有效提升射流空化效果，从而提高待加工件表面残余压应力，延长疲劳寿命；通过多喷嘴串联式设置可极大的提高水射流强化效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的射流强化抛光一体化装置的结构示意图；
图2图1中的喷嘴的结构示意图；
图3为本发明另一实施例提供的射流强化抛光一体化工艺的流程图；
图4A-图4C显示了本发明分别采用实验方案1-实验方案3的射流参数强化并抛光后的残余应力图；
图5A-图5C显示了对照组分别采用实验方案1-实验方案3的射流参数强化后的残余应力图；
图6A-图6C显示了本发明分别采用实验方案1-实验方案3的射流参数强化并抛光后的表面形貌；
图7A-图7C显示了对照组分别采用实验方案1-实验方案3的射流参数强化后的表面形貌。
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所示，本发明实施例提供一种射流强化抛光一体化装置，用于对待加工件11进行表面强化，包括存储器1、一级入口2、射流腔体3、喷嘴100和抛光装置，存储器1内存储有水和磁流体，射流腔体3为一柱形腔体，沿轴向具有射流腔31，一级入口2的两端分别与存储器1和射流腔31连通，喷嘴100固定在射流腔体3上，喷嘴100具有入射口5和出射口10，入射口5与射流腔31连通，出射口10对准待加工件11，存储器1内的水经过高压泵加压后可依次通过一级入口2、射流腔31，从入射口5进入喷嘴100，并通过出射口10射向待加工件11的表面，从而对待加工件11进行射流强化，射流腔体31内壁上可设置至少一个凹坑4，高压水流经凹坑4时会产生冲击反馈，从而实现自激振荡，经过自激振荡后再进入喷嘴100，这样可以使水的空化效率更高，强化效果更好。抛光装置包括永磁小车12和盖板13，永磁小车位于待加工件11下方，盖板13则可分离地放置在待加工件11的上表面，当进行射流强化时，盖板13不放置在待加工件11上，当射流强化完成后，存储器1的磁流体经过高压泵加压后可依次通过一级入口2、射流腔31，从入射口5进入喷嘴100，并通过出射口10射向待加工件11的表面，然后再将盖板13放置在待加工件11的上表面，盖住磁流体，永磁小车13则可沿预设进给方向运动，从而实现待加工件表面的抛光，永磁小车13内可设置磁控系统，由磁控系统控制永磁小车13的行动，从而实现自动抛光。
喷嘴100可以设置为一个或多个，当设置为多个时，可采用串联式设置，即多个喷嘴100沿射流腔体3的轴向均匀设置，由多个喷嘴100同时对待加工件11喷射水射流，这样可以提升射流强化的效率。
喷嘴100可与射流腔体3转动连接，例如，通过转轴与射流腔体3连接，使喷嘴100可以自由旋转，从而精确控制射流的喷射位置和入射角度。
如图2所示，喷嘴100的入射口5和出射口10之间设置有依次沿轴向相连通的谐振腔6、一级喉管7、自激振荡腔8和二级喉管9，谐振腔6为直径渐缩的喇叭状，高压水通过该喇叭状结构时，可以实现谐振，自激振荡腔8具有V型壁面，通过该V型壁面，高压水会产生涡旋振动，实现自激振荡，一级喉管7与二级喉管9均为细长通道，其中一级喉管7主要实现初步增压，二级喉管9主要实现空化率的提升，两者的长度比为3:1，这样可以使空化效果最好。进入喷嘴100的高压水依次通过谐振腔6、一级喉管7、自激振荡腔8和二级喉管9，可以实现两次振荡和两次收缩，从而有效提升射流空化效果，然后通过出射口10射出，对待加工件11进行强化，提高其表面残余压应力，延长疲劳寿命。
出射口10可以为半球形，这样的好处是减少射流冲击工件表面的辐射区域面积，使强化效果更好。
本发明实施例提供的射流强化抛光一体化装置，可在完成待加工件11的射流强化后进行抛光，操作简单，便于调整与维护；通过在射流腔体31内设置凹坑4、并在喷嘴100内设置谐振腔6、一级喉管7、自激振荡腔8和二级喉管9，两者的耦合效果可以有效提升射流空化效果，从而提高待加工件11表面残余压应力，延长疲劳寿命；通过多喷嘴串联式设置可极大的提高水射流强化效率。
实施例二
如图3所示，本实施例提供一种射流强化抛光一体化工艺，包括：
步骤S1：提供一种如实施例一中所述的射流强化抛光一体化装置，将待加工件固定好，并至于喷嘴的出射口下方。
步骤S2：通过高压泵对存储器内的水增压后依次经过一级入口、射流腔体和喷嘴，由喷嘴的出射口射向待加工件，完成对待加工件表面的射流强化。
水射流的压力可设置为50-420MPa，通过射流腔体内表面的凹坑对高压水射流进行自激振荡，然后分别进入喷嘴的入射口、谐振腔、一级喉管、自激振荡腔和二级喉管，然后经过半球形出射口，射向待加工件表面，达到提高残余压应力和疲劳寿命的目的。
步骤S3：将存储器内的磁流体通过高压泵加压后依次经过一级入口、射流腔体和喷嘴，由喷嘴的出射口射向已完成强化的待加工件表面。
磁流体射流的压力可设置为1-7.5MPa，优选为4.5MPa。
步骤S4：将盖板覆盖在磁流体上方，永磁小车沿预设进给方向运动，实现待加工件表面的抛光。
永磁小车的运动可由磁控系统控制，例如，先将预设进给方向输入至磁控系统，然后由其控制永磁小车的运动，从而实现抛光的自动化。
本实施例提供的射流强化抛光一体化工艺，通过对待加工件依次进行射流强化和抛光，可提高表面残余压应力和表面质量，从而提升其疲劳寿命。
下面将以7075铝合金为研究对象，采用本发明的射流强化抛光一体化工艺对其表面进行强化抛光，根据不同的射流参数，制定多组实验方案，如表1所示，为了证明本发明的效果，选择不进行抛光的7075铝合金作为对照组进行对比，对照组的射流强化参数与本发明的一致。
表1水射流强化实验方案
Figure BDA0002941625650000051
图4A-图4C显示了本发明分别采用实验方案1-实验方案3的射流参数强化并抛光后的残余应力图，图5A-图5C显示了对照组分别采用实验方案1-实验方案3的射流参数强化后的残余应力图，从图中可以看出，在同一方案的水射流参数下，本发明进行抛光后的铝合金表层残余压应力值和残余层深都与对照组未进行抛光的铝合金基本一致，说明本发明的射流强化抛光一体化工艺并未出现抛光带来的残余应力释放。
图6A-图6C显示了本发明分别采用实验方案1-实验方案3的射流参数强化并抛光后的表面形貌，图7A-图7C显示了对照组分别采用实验方案1-实验方案3的射流参数强化后的表面形貌，从图中可以看出，本发明的表面形貌平整程度远高于对照组，说明本发明的射流强化抛光一体化工艺可以很好的实现精密器件的强化与抛光，提升其表面质量。
综上所述，本发明的射流强化抛光一体化工艺在提升表面残余压应力的同时，还可以使表面质量得到较大的提升，从而提高疲劳寿命。
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 (8)

1.一种射流强化抛光一体化装置，用于对待加工件进行表面强化，其特征在于，包括：
存储器，其内存储有水和磁流体；
一级入口，与所述存储器连通；
射流腔体，具有射流腔，所述射流腔与所述一级入口连通，所述射流腔体的内壁上设有至少一个凹坑；
至少一个喷嘴，固定在所述射流腔体上，具有相互连通的入射口和出射口，所述入射口与所述射流腔体连通，所述出射口对准待加工件，所述喷嘴的入射口和出射口之间依次设有相连通的谐振腔、一级喉管、自激振荡腔和二级喉管；
抛光装置，包括永磁小车和盖板，所述永磁小车位于所述待加工件的下方，所述盖板可分离地放置在所述待加工件的上表面。
2.根据权利要求1所述的射流强化抛光一体化装置，其特征在于，所述一级喉管与所述二级喉管的长度比值为3:1。
3.根据权利要求1所述的射流强化抛光一体化装置，其特征在于，所述喷嘴的出射口为半球形。
4.根据权利要求1所述的射流强化抛光一体化装置，其特征在于，所述喷嘴有多个，且沿所述射流腔体长度方向均匀设置。
5.根据权利要求1所述的射流强化抛光一体化装置，其特征在于，所述喷嘴与所述射流腔体转动连接。
6.一种射流强化抛光一体化工艺，其特征在于，包括：
步骤S1：提供一种如权利要求1-5任一项所述的射流强化抛光一体化装置，将待加工件固定好，并至于喷嘴的出射口下方；
步骤S2：通过高压泵对存储器内的水增压后依次经过一级入口、射流腔体和喷嘴，由喷嘴的出射口射向待加工件，完成对待加工件表面的射流强化；
步骤S3：将存储器内的磁流体通过高压泵加压后依次经过一级入口、射流腔体和喷嘴，由喷嘴的出射口射向已完成强化的待加工件表面；
步骤S4：将盖板覆盖在磁流体上方，永磁小车沿预设进给方向运动，实现待加工件表面的抛光。
7.根据权利要求6所述的射流强化抛光一体化工艺，其特征在于，所述步骤S2中，水射流的压力为50-420MPa。
8.根据权利要求7所述的射流强化抛光一体化工艺，其特征在于，所述步骤S3中，磁流体射流的压力为1-7.5MPa。
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