CN114196812B - 一种深冷超声喷丸装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深冷超声喷丸装置，包括冷却室、处理室、超声波探头和导温机构；冷却室与导温机构连接，冷却室用于装载冷却液；处理室与导温机构连接，处理室内设有超声波探头；超声波探头用于产生振动的部位对准导温机构，超声波探头用于产生振动的部位用于放置喷丸，超声波探头连接有超声波振子，超声波振子连接有电气接头，超声波振子和电气接头均设于处理室外；导温机构与处理室之间为可拆卸式连接，导温机构与喷丸之间用于放置待加工工件，以将冷却室内的低温传递至待加工工件上；所以此方案将可在冷却室内放置液氮等冷却剂，以形成低温传递至喷丸上，从而实现了喷丸的低温应用，切实解决了现有技术无法实现喷丸低温应用的问题。

Description

一种深冷超声喷丸装置

技术领域

本发明涉及喷丸的技术领域，特别涉及一种深冷超声喷丸装置。

背景技术

喷丸是工业上常用的表面强化技术，能够实现表面纳米化和表层强化，引入残余压应力，显著提升金属零部件的抗疲劳和其他使役性能。喷丸种类包括普通喷丸、超声喷丸和激光喷丸等。

喷丸主要通过细化零部件表层的晶粒来提升强度，众所周知，降低温度能够抑制位错湮灭，从而实现更为显著的表层晶粒细化和表层强化。然而，现有喷丸工艺的工作温度多局限在常温，也有非常少量的高温喷丸操作，尚未见低于-150摄氏度温度下的喷丸操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深冷超声喷丸装置，以解决现有技术无法实现喷丸低温应用的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种深冷超声喷丸装置，包括冷却室、处理室、超声波探头和导温机构；所述冷却室与所述导温机构连接，所述冷却室用于装载冷却液；所述处理室与所述导温机构连接，所述处理室内设有所述超声波探头，所述处理室外设有进气接头和出气接头，所述进气接头和所述出气接头均与所述处理室内部导通，所述进气接头用于供冷却气体输入所述处理室内，所述出气接头用于供所述冷却气体输出至所述处理室外；所述超声波探头用于产生振动的部位对准所述导温机构，所述超声波探头用于产生振动的部位用于放置喷丸，所述超声波探头连接有超声波振子，所述超声波振子连接有电气接头，所述超声波振子和所述电气接头均设于所述处理室外；所述导温机构与所述处理室之间为可拆卸式连接，所述导温机构与所述喷丸之间用于放置待加工工件，所述导温机构用于将所述冷却室内的低温传递至所述待加工工件上。

在其中一个实施例中，所述冷却室邻近所述处理室的端口周侧设有一圈第一外凸缘，所述处理室邻近所述冷却室的端口周侧设有一圈第二外凸缘，所述第一外凸缘与所述第二外凸缘之间为螺钉螺母固定连接；所述导温机构包括橡胶片，所述橡胶片夹持于所述第一外凸缘与所述第二外凸缘之间，所述橡胶片与所述第二外凸缘之间用于夹持板状的所述待加工工件，以使板状的所述待加工工件与所述喷丸相对。

在其中一个实施例中，所述导温机构还包括微孔金属板，所述微孔金属板上设有多个将其贯穿的微孔，所述导温机构用于选择所述橡胶片和所述微孔金属板中的一个夹持于所述第一外凸缘与所述第二外凸缘之间；所述处理室的周壁设有两个相互对准的定位孔，两个所述定位孔均与所述处理室内部导通；在所述微孔金属板中的一个夹持于所述第一外凸缘与所述第二外凸缘之间时，两个所述定位孔用于安装柱状的所述待加工工件，以使柱状的所述待加工工件置于所述微孔金属板与所述喷丸之间。

在其中一个实施例中，所述处理室背离所述导温机构的一端为开口结构，所述处理室背离所述导温机构的一端设有安装法兰，所述安装法兰与所述处理室之间为螺钉螺母固定连接，所述安装法兰用于遮盖封闭所述处理室背离所述导温机构的端口；所述超声波振子用于通过导线穿过所述安装法兰与所述超声波探头连接。

在其中一个实施例中，所述超声波探头用于产生振动的部位周侧与所述处理室的内周壁抵接。

在其中一个实施例中，所述超声波探头的工作频率为15～25kHz，所述超声波探头的工作振幅为10～100μm。

本发明的有益效果如下：

在应用时，由于所述冷却室用于装载冷却液，所述超声波探头用于产生振动的部位对准所述导温机构，所述超声波探头用于产生振动的部位用于放置喷丸，所述导温机构与所述喷丸之间用于放置待加工工件，所述导温机构用于将所述冷却室内的低温传递至所述待加工工件上，所以将可在冷却室内放置液氮等冷却剂，以形成低温传递至喷丸上，从而实现了喷丸的低温应用，切实解决了现有技术无法实现喷丸低温应用的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的结构示意图；

图2是图1的板状待加工工件处理结构示意图；

图3是图1的柱状待加工工件处理结构示意图；

图4是2024铝合金在常温超声喷丸处理后的效果图一；

图5是2024铝合金在常温超声喷丸处理后的效果图二；

图6是2024铝合金在深冷超声喷丸处理后的效果图一；

图7是2024铝合金在深冷超声喷丸处理后的效果图二；

图8是2024铝合金的性能参数图。

附图标记如下：

10、冷却室；11、第一外凸缘；

20、处理室；21、进气接头；22、出气接头；23、第二外凸缘；24、定位孔；

31、超声波探头；32、超声波振子；33、电气接头；34、数控智能超声波发生器；

40、导温机构；41、橡胶片；42、微孔金属板；

50、喷丸；

60、待加工工件；

70、安装法兰。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种深冷超声喷丸装置，其实施例如图1至图3所示，包括冷却室10、处理室20、超声波探头31和导温机构40；冷却室10与导温机构40连接，冷却室10用于装载冷却液；处理室20与导温机构40连接，处理室20内设有超声波探头31，处理室20外设有进气接头21和出气接头22，进气接头21和出气接头22均与处理室20内部导通，进气接头21用于供冷却气体输入处理室20内，出气接头22用于供冷却气体输出至处理室20外；超声波探头31用于产生振动的部位对准导温机构40，超声波探头31用于产生振动的部位用于放置喷丸50，超声波探头31连接有超声波振子32，超声波振子32连接有电气接头33，超声波振子32和电气接头33均设于处理室20外；导温机构40与处理室20之间为可拆卸式连接，导温机构40与喷丸50之间用于放置待加工工件60，导温机构40用于将冷却室10内的低温传递至待加工工件60上。

在进行应用时，将导温机构40与处理室20拆离，以便于将喷丸50放置于处理室20的超声波探头31上，以及将待加工工件60放置于处理室20内，然后将导温机构40与处理室20重新连接固定，从而使得待加工工件60置于导温机构40与喷丸50之间；然后在冷却室10内注入冷却液，如液氮，液氮产生的低温将会通过导温机构40传递至待加工工件60上，所以此时利用超声波探头31对喷丸50进行高频振动处理，则可实现喷丸50的低温应用，切实解决了现有技术无法实现喷丸50低温应用的问题。

其中，为实现对超声波探头31的控制，可利用数控智能超声波发生器34与电气接头33(如航空接头)连接，然后便可利用数控智能超声波发生器34控制超声波探头31的工作状态，如调节工作频率和工作振幅等，特别的，此实施例优选设置超声波探头31的工作频率为15～25kHz(工作频率以20kHz为最佳)，超声波探头31的工作振幅为10～100μm，喷丸50直径为0.1～4mm，从而确保了深冷超声喷丸装置能够实现较佳的处理效果；而且此时可利用进气接头21输入冷却气体至处理室20内，并利用出气接头22将冷却气体输出至处理室20外，以实现超声波探头31的及时散热。

为更好反映深冷超声喷丸装置的处理效果，此实施例将50mm直径的2024铝合金T4态铸锭切割成3mm厚的薄片，经320#～1000#砂纸研磨后，分别在常温下和液氮下进行超声喷丸处理。

此时设定超声波发生器功率为80％，频率为19.9KHz，处理时间8min50s，将处理后的样品电火花线切割；将切割后的样品用环氧树脂镶样，经320#～1000#～2000#砂纸研磨后用0.5um氧化铝抛光液抛光处理，再对截面进行组织观察和硬度测试。

如图4、图5和图8所示，在常温下进行超声喷丸操作后，2024铝合金硬度曲线呈现相同的变化趋势，先增大后减小，其中室温喷丸在100um左右达到硬度最大值，约210Hv，距表层500um处硬化效果消失。

如图6至图8所示，在深冷温度下进行超声喷丸操作后，2024铝合金在200um左右达到硬度最大值，约为240Hv距表层600um处硬化效果消失。

综上所述：在经深冷温度下的液氮喷丸处理后，2024铝合金硬度最大值较常温喷丸增加30Hv，增幅14％；硬化层增厚100um，增幅20％。因此深冷温度下液氮喷丸的表面强化效果更为显著。

如图1和图2所示，冷却室10邻近处理室20的端口周侧设有一圈第一外凸缘11，处理室20邻近冷却室10的端口周侧设有一圈第二外凸缘23，第一外凸缘11与第二外凸缘23之间为螺钉螺母固定连接；导温机构40包括橡胶片41，橡胶片41夹持于第一外凸缘11与第二外凸缘23之间，橡胶片41与第二外凸缘23之间用于夹持板状的待加工工件60，以使板状的待加工工件60与喷丸50相对。

在采用此设置方式后，即第一外凸缘11和第二外凸缘23上设有多个呈周向布置的穿孔，所以利用螺钉穿过各个穿孔并拧上螺母后，则可实现冷却室10与处理室20的连接固定；而需要固定板状的待加工工件60时，只需拆除螺钉螺母，并利用第一外凸缘11和第二外凸缘23对橡胶片41和待加工工件60的周缘进行夹持，最后重新装上螺钉螺母即可。

在图2所示的方向中，待加工工件60与橡胶片41的下表面紧密贴合，橡胶片41置于冷却室10的下方，橡胶片41实现了对冷却室10下方端口的封堵，所以在冷却室10内装载液氮后，液氮将能与冷却室10直接接触，橡胶片41能够直接获取低温传递至待加工工件60上。

如图1和图3所示，导温机构40还包括微孔金属板42，微孔金属板42上设有多个将其贯穿的微孔，导温机构40用于选择橡胶片41和微孔金属板42中的一个夹持于第一外凸缘11与第二外凸缘23之间；处理室20的周壁设有两个相互对准的定位孔24，两个定位孔24均与处理室20内部导通；在微孔金属板42中的一个夹持于第一外凸缘11与第二外凸缘23之间时，两个定位孔24用于安装柱状的待加工工件60，以使柱状的待加工工件60置于微孔金属板42与喷丸50之间。

在采用此设置方式后，若需要对柱状的待加工工件60进行加工，则可利用第一外凸缘11和第二外凸缘23对微孔金属板42的周缘进行夹持固定，然后利用柱状的待加工工件60穿过两个定位孔24，所以当冷却室10内注入液氮后，液氮便可穿过微孔金属板42上的多个微孔，以喷洒至待加工工件60的表明，从而直接将低温传递至待加工工件60上，从而满足了对不同形状工件加工的需求。

需要指出，在采用此设置方式后，使用者可以根据需求实现对柱状和板状工件的处理，但在对板状工件进行加工时，应将两个定位孔24利用其他器件进行封堵，避免出现泄漏问题。

如图1所示，处理室20背离导温机构40的一端为开口结构，处理室20背离导温机构40的一端设有安装法兰70，安装法兰70与处理室20之间为螺钉螺母固定连接，安装法兰70用于遮盖封闭处理室20背离导温机构40的端口；超声波振子32用于通过导线穿过安装法兰70与超声波探头31连接。

在图示方向中，安装法兰70上设有多个呈周向布置的穿孔，所以利用螺钉穿过各个穿孔并拧上螺母后，则可实现安装法兰70与处理室20的连接固定，以此对处理室20的下端口进行了封堵；类似的，只需将螺钉螺母拧松，则可实现安装法兰70与处理室20的拆卸分离，从而便于超声波探头31的装卸。

如图2和图3所示，超声波探头31用于产生振动的部位周侧与处理室20的内周壁抵接。

在采用此设置方式后，超声波探头31用于产生振动的部位大致呈圆柱状，所以在超声波探头31用于产生振动的部位与处理室20内壁抵接后，超声波探头31便将处理室20内部分隔为上下两个互不相通的两个区域，上方区域用于喷丸50的处理操作，下方区域与进气接头21和出气接头22接通，以实现超声波探头31的散热，并防止了泄漏现象出现。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种深冷超声喷丸装置，其特征在于，

包括冷却室、处理室、超声波探头和导温机构；

所述冷却室与所述导温机构连接，所述冷却室用于装载冷却液；

所述处理室与所述导温机构连接，所述处理室内设有所述超声波探头，所述处理室外设有进气接头和出气接头，所述进气接头和所述出气接头均与所述处理室内部导通，所述进气接头用于供冷却气体输入所述处理室内，所述出气接头用于供所述冷却气体输出至所述处理室外；

所述超声波探头用于产生振动的部位对准所述导温机构，所述超声波探头用于产生振动的部位用于放置喷丸，所述超声波探头连接有超声波振子，所述超声波振子连接有电气接头，所述超声波振子和所述电气接头均设于所述处理室外；

所述导温机构与所述处理室之间为可拆卸式连接，所述导温机构与所述喷丸之间用于放置待加工工件，所述导温机构用于将所述冷却室内的低温传递至所述待加工工件上；

所述冷却室邻近所述处理室的端口周侧设有一圈第一外凸缘，所述处理室邻近所述冷却室的端口周侧设有一圈第二外凸缘，所述第一外凸缘与所述第二外凸缘之间为螺钉螺母固定连接；

所述导温机构包括橡胶片，所述橡胶片夹持于所述第一外凸缘与所述第二外凸缘之间，所述橡胶片与所述第二外凸缘之间用于夹持板状的所述待加工工件，以使板状的所述待加工工件与所述喷丸相对；

所述导温机构还包括微孔金属板，所述微孔金属板上设有多个将其贯穿的微孔，所述导温机构用于选择所述橡胶片和所述微孔金属板中的一个夹持于所述第一外凸缘与所述第二外凸缘之间；

所述处理室的周壁设有两个相互对准的定位孔，两个所述定位孔均与所述处理室内部导通；

当所述微孔金属板夹持于所述第一外凸缘与所述第二外凸缘之间时，两个所述定位孔用于安装柱状的所述待加工工件，以使柱状的所述待加工工件置于所述微孔金属板与所述喷丸之间；

所述定位孔为可利用器件进行封堵的结构。

2.根据权利要求1所述的深冷超声喷丸装置，其特征在于，

所述处理室背离所述导温机构的一端为开口结构，所述处理室背离所述导温机构的一端设有安装法兰，所述安装法兰与所述处理室之间为螺钉螺母固定连接，所述安装法兰用于遮盖封闭所述处理室背离所述导温机构的端口；

所述超声波振子用于通过导线穿过所述安装法兰与所述超声波探头连接。

3.根据权利要求1所述的深冷超声喷丸装置，其特征在于，所述超声波探头用于产生振动的部位周侧与所述处理室的内周壁抵接。

4.根据权利要求1所述的深冷超声喷丸装置，其特征在于，所述超声波探头的工作频率为15～25kHz，所述超声波探头的工作振幅为10～100μm。