CN114941065A - 一种超声喷丸和水射流复合加工装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声喷丸和水射流复合加工装置及其使用方法，包括移动支架、超声波发生器、超声喷丸枪、撞针、水射流喷头、水管和水射流系统，加工前，将喷丸枪和水射流喷头固定在移动支架上，顺次连接超声波发生器、超声喷丸枪、撞针，撞针底部接近金属表面加工区域。加工时，打开水射流喷头和超声波发生器作用于工件表面，通过移动支架的移动完成对水射流和喷丸对工件的全覆盖加工。本发明可以在空气中进行，适用于工业领域常见结构件，可以大幅提高诸如高强度铝合金等金属的变形能力，改善材料残余压应力分布，具有操作简便，污染小的特点。
Description
技术领域
本发明涉及材料表面形性改造技术领域，特别涉及一种超声喷丸和水射流复合加工装置及其使用方法。
背景技术
超声喷丸技术利用高能量密度的超声波经冲击介质冲击金属材料表面，在金属材料表面产生远大于材料动态屈服强度的巨大冲击力，从而引发材料表面剧烈的塑性变形。材料表面层的微观组织由于这种剧烈的塑性变形而得到极大的碎化，产生密集、均匀且稳定的位错增殖。超声喷丸与传统的喷丸成型技术相比，优势在于可实现较厚板材的成形，能实现工件复杂形状的成形且成形曲率大，操作简便易控制，成形后的材料综合性能较其他喷丸成形好且无污染。
在水射流喷丸硬化中，利用了因流体的速度增大而压力降低，频繁出现的气泡在成长后随着压力恢复而收缩消失时产生的冲击力原理。因此，不需要液体以外的处理材料，在超声喷丸处理后不需要将喷丸分离回收然后清洗的工序。并且，对于具有难以进行喷丸中的冲撞处理的狭小部分的复杂的表面形状，也能够进行喷丸硬化处理。此外，在小球冲撞中，作为喷丸硬化印迹的凹陷根据小球的外部形状而变大、成为整体粗糙的处理面，与此相对，在水射流喷丸硬化中，由于凹陷的口径小且与周围的界限也连续且模糊，因此处理面整体变得光滑。水射流喷丸硬化也用于原子炉压力容器构造物的残留应力改善发明内容。
检索现有的相关专利发现，申请号为201711176298.1公开的一种水射流喷丸硬化方法，利用装置可以能够在比以往小的小型装置中简便地进行水射流喷丸硬化，并且能够利用现有的水中清洗机的水射流喷丸硬化方法。但该装置需要使用特定的清洗液，设备复杂，不易操作，成本较高，难以大规模应用。
发明内容
基于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种超声喷丸和水射流复合加工装置及其使用方法，提高了装置的集成度和加工效率，实现更好的表面处理效果。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种超声喷丸和水射流复合加工装置，包括移动支架、超声波发生器、超声喷丸枪、撞针、水射流喷头、水管和水射流系统，其中：
移动支架，用于固定超声喷丸枪和水射流喷头装置，同时移动进行材料表面处理；
超声波发生器，通过喷丸枪电源线与超声喷丸枪相连，为超声喷丸枪提供高频超声信号；
超声喷丸枪，对工件进行高频冲击，使工件表面剩有残余压应力，超声喷丸系统分布有超声信号控制电路，为超声喷丸枪提供高频超声信号；
所述超声喷丸枪通过水管与水射流系统相连，
撞针，喷丸过程输出端，与材料进行直接碰撞，引起残余应力重新分布并提高金属变形能力；
水射流喷头，喷射出高压水流，对工件表面进行形性改造；
所述超声喷丸枪由换能器、变幅杆、喷丸碰头、喷丸枪外壳、尾部端盖组成，其中，从碰头到喷丸器外壳到尾部端盖，内部结构包含换能器和变幅杆。
优选的，超声喷丸枪的工作频率和功率可自由调节以此控制撞针振幅。
优选的，通过超声波发生器为超声喷丸枪提供信号使撞针撞击工件表面。
优选的，移动支架为一个由滚轮、顶板和侧板组装而成的车式结构，其中顶板由侧板支撑，滚轮安装在侧板的底部。
优选的，通过水射流发生装置向工件喷射水流施加的残余压应力进行表面处理。
优选的，水射流处理和超声喷丸处理同时进行。
优选的，所述水射流系统包括：空气压缩机、蓄能器、压力表、浆料罐、水泵、气液增压泵、流量控制器和蓄水池；
所述空气压缩机与气液增压泵相连，所述空气压缩机与气液增压泵相连的路径上还接有蓄能器，所述气液增压泵的一端通过水泵与蓄水池相连，所述气液增压泵的另一端与所述浆料罐的一端连通，所述气液增压泵的另一端与所述浆料罐连通的路径上还连接有压力表，用于监测压力值；所述浆料罐的另一端连接有流量控制器。
一种超声喷丸和水射流复合加工方法，包括如下的几个步骤：
步骤一:将水射流喷头和超声喷丸枪固定在移动支架上，同时将工件放置在工作台上，调整好超声喷丸枪和工件之间的距离；
步骤二:将超声喷丸枪电源线和超声波发生器连接，同时将水射流系统与水射流喷头连接；
步骤三:开启超声波发生器上的开关和水射流喷头的阀门，等待超声喷丸枪末端撞针规律振动以及水流稳定输出时，装置处于正常工作；
步骤四:按一定速度慢慢移动支架，使工件和处理装置之间产生移动，对工件进行加工，形成已加工区域，直到装置全覆盖处理工件表面。
优选的，对工件进行超声喷丸处理时，超声喷丸枪工作频率优选为21kHz左右，功率优选为80W左右，此时振幅大致在9μm左右，对工件的成形效果较好。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明将超声喷丸技术与水射流表面处理技术进行结合。超声波发生器生成超声波电信号传至超声喷丸枪中的换能器，转化为高频机械振动，利用变幅杆放大机械振动传至撞针，进行对工件表面的碰撞处理，实现超声喷丸处理效果。
2.本发明在进行水射流表面处理时，在运动控制系统的控制下，利用气液增压泵，将高压的水流射在工件表面。
3.本发明基于超声喷丸技术与水射流表面处理技术，可对工件表面施加残余压应力并改善表面粗糙度。且超声喷丸加工处理与水射流加工处理操作简便，设计合理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述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为本发明超声喷丸和水射流复合加工装置结构示意图；
图2为本发明超声喷丸和水射流复合加工装置的电路连接示意图；
图3为本发明超声喷丸和水射流复合加工装置加工过程示意图；
图4为本发明中水射流系统的结构示意图；
图中：1为滚轮、2为移动支架、3为工作台、4为工件、5为水射流系统、6为水管、7为水射流喷头、8为喷丸枪、9为撞针、10为喷丸枪电源线、11为超声波发生器；12为高压水流；13为已加工区域；14为空气压缩机、15为蓄能器、16为压力表、17为浆料罐、18为水泵、19为气液增压泵、20为流量控制器、21为蓄水池；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图4，本发明提供一种技术方案：
本实施例中，超声喷丸技术与材料热处理技术相结合，具体装置包括这几部分：移动支架、超声波发生器、超声喷丸枪、撞针、水射流喷头等加工系统；其中1为滚轮、2为移动支架、3为工作台、4为工件、5为水射流系统、6为水管、7为水射流喷头、8为喷丸枪、9为撞针、10为喷丸枪电源线、11为超声波发生器、14为空气压缩机、15为蓄能器、16为压力表、17为浆料罐、18为水泵、19为气液增压泵、20为流量控制器、21为蓄水池。
一种超声喷丸和水射流复合加工装置，包括移动支架2、超声波发生器11、超声喷丸枪8、撞针9、水射流喷头7、水管6和水射流系统5，其中：
水射流系统5包括：空气压缩机14、蓄能器15、压力表16、浆料罐17、水泵18、气液增压泵19、流量控制器20和蓄水池21；
空气压缩机14与气液增压泵19相连，空气压缩机14与气液增压泵19相连的路径上还接有蓄能器15，气液增压泵19的一端通过水泵18与蓄水池21相连，气液增压泵19的另一端与浆料罐17的一端连通，气液增压泵19的另一端与浆料罐17连通的路径上还连接有压力表16，用于监测压力值；浆料罐17的另一端连接有流量控制器20。
移动支架2，用于固定超声喷丸枪8和水射流喷头7装置，同时移动进行材料表面处理；移动支架2为一个由滚轮1、顶板和侧板组装而成的车式结构，其中顶板由侧板支撑，滚轮1安装在侧板的底部。
超声波发生器11，通过喷丸枪电源线10与超声喷丸枪8相连，为超声喷丸枪8提供高频超声信号；通过超声波发生器11为超声喷丸枪8提供信号使撞针9撞击工件4表面。
超声喷丸枪8，超声喷丸枪8固定在移动支架2的顶板上，对工件4进行高频冲击，使工件4表面剩有残余压应力，超声喷丸系统分布有超声信号控制电路，为超声喷丸枪8提供高频超声信号；
超声喷丸枪8通过水管6与水射流系统5相连，
撞针9，喷丸过程输出端，与材料进行直接碰撞，引起残余应力重新分布并提高金属变形能力；具体的，超声喷丸枪8的工作频率和功率可自由调节以此控制撞针9振幅。
水射流喷头7，通过水射流发生装置向工件4喷射水流施加的残余压应力进行表面处理，喷射出高压水流12，对工件4表面进行形性改造；
超声喷丸枪8由换能器、变幅杆、喷丸碰头、喷丸枪外壳、尾部端盖组成，其中，从碰头到喷丸器外壳到尾部端盖，内部结构包含换能器和变幅杆。
本实施例中，水射流处理和超声喷丸处理同时进行。
本实施例中，一种超声喷丸和水射流复合加工方法，包括如下的几个步骤：
步骤一:将水射流喷头7和超声喷丸枪8固定在移动支架2上，同时将工件4放置在工作台3上，调整好超声喷丸枪8和工件4之间的距离；
步骤二:将超声喷丸枪8电源线和超声波发生器11连接，同时将水射流系统5与水射流喷头7连接；
步骤三:开启超声波发生器11上的开关和水射流喷头7的阀门，等待超声喷丸枪8末端撞针9规律振动以及水流稳定输出时，装置处于正常工作；
步骤四:按一定速度慢慢移动支架2，使工件4和处理装置之间产生移动，对工件4进行加工，形成已加工区域13，直到装置全覆盖处理工件4表面。
本实施例中，具体的，对工件4进行超声喷丸处理时，超声喷丸枪8工作频率优选为21kHz左右，功率优选为80W左右，此时振幅大致在9μm左右，对工件4的成形效果较好。
具体实施过程如下：将水射流喷头7和超声喷丸8枪固定在移动支架2上，同时将工件4放置在工作台3上，调整好超声喷丸枪8和工件4之间的距离，将超声喷丸枪电源线10和超声波发生器11连接并选择对应的振动模态，输入超声波发生器11输入电源的信号，同时将水射流系统5与水射流喷头7连接。开启超声波发生器11上的开关和水射流喷头7的阀门，待超声喷丸枪8末端撞针9规律振动以及水流稳定输出时，按一定速度慢慢移动支架2，使工件4和装置之间产生位移，直到装置全覆盖处理工件表面，处理过程如附图3所示。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种超声喷丸和水射流复合加工装置，其特征在于，包括移动支架(2)、超声波发生器(11)、超声喷丸枪(8)、撞针(9)、水射流喷头(7)、水管(6)和水射流系统(5)，其中：
移动支架(2)，用于固定超声喷丸枪(8)和水射流喷头(7)装置，同时移动进行材料表面处理；
超声波发生器(11)，通过喷丸枪电源线(10)与超声喷丸枪(8)相连，为超声喷丸枪(8)提供高频超声信号；
超声喷丸枪(8)，对工件(4)进行高频冲击，使工件(4)表面剩有残余压应力，超声喷丸系统分布有超声信号控制电路，为超声喷丸枪(8)提供高频超声信号；
所述超声喷丸枪(8)通过水管(6)与水射流系统(5)相连，
撞针(9)，喷丸过程输出端，与材料进行直接碰撞，引起残余应力重新分布并提高金属变形能力；
水射流喷头(7)，喷射出高压水流(12)，对工件(4)表面进行形性改造；
所述超声喷丸枪(8)由换能器、变幅杆、喷丸碰头、喷丸枪外壳、尾部端盖组成，其中，从碰头到喷丸器外壳到尾部端盖，内部结构包含换能器和变幅杆。
2.根据权利要求1所述的一种超声喷丸和水射流复合加工装置，其特征在于：超声喷丸枪(8)的工作频率和功率可自由调节以此控制撞针(9)振幅。
3.根据权利要求1所述的一种超声喷丸和水射流复合加工装置，其特征在于：通过超声波发生器(11)为超声喷丸枪(8)提供信号使撞针(9)撞击工件(4)表面。
4.根据权利要求1所述的一种超声喷丸和水射流复合加工装置，其特征在于：移动支架(2)为一个由滚轮(1)、顶板和侧板组装而成的车式结构，其中顶板由侧板支撑，滚轮(1)安装在侧板的底部。
5.根据权利要求1所述的一种超声喷丸和水射流复合加工装置，其特征在于：通过水射流发生装置向工件(4)喷射水流施加的残余压应力进行表面处理。
6.根据权利要求1所述的一种超声喷丸和水射流复合加工装置，其特征在于：水射流处理和超声喷丸处理同时进行。
7.根据权利要求1所述的一种超声喷丸和水射流复合加工装置，其特征在于，所述水射流系统(5)包括：空气压缩机(14)、蓄能器(15)、压力表(16)、浆料罐(17)、水泵(18)、气液增压泵(19)、流量控制器(20)和蓄水池(21)；
所述空气压缩机(14)与气液增压泵(19)相连，所述空气压缩机(14)与气液增压泵(19)相连的路径上还接有蓄能器(15)，所述气液增压泵(19)的一端通过水泵(18)与蓄水池(21)相连，所述气液增压泵(19)的另一端与所述浆料罐(17)的一端连通，所述气液增压泵(19)的另一端与所述浆料罐(17)连通的路径上还连接有压力表(16)，用于监测压力值；所述浆料罐(17)的另一端连接有流量控制器(20)。
8.一种超声喷丸和水射流复合加工方法，适应于权利要求1-6所述的一种超声喷丸和水射流复合加工装置，其特征在于，包括如下的几个步骤：
步骤一:将水射流喷头(7)和超声喷丸枪(8)固定在移动支架(2)上，同时将工件(4)放置在工作台(3)上，调整好超声喷丸枪(8)和工件(4)之间的距离；
步骤二:将超声喷丸枪(8)电源线和超声波发生器(11)连接，同时将水射流系统(5)与水射流喷头(7)连接；
步骤三:开启超声波发生器(11)上的开关和水射流喷头(7)的阀门，等待超声喷丸枪(8)末端撞针(9)规律振动以及水流稳定输出时，装置处于正常工作；
步骤四:按一定速度慢慢移动支架(2)，使工件(4)和处理装置之间产生移动，对工件(4)进行加工，形成已加工区域(13)，直到装置全覆盖处理工件(4)表面。
9.根据权利要求8所述的一种超声喷丸和水射流复合加工方法，其特征在于，对工件(4)进行超声喷丸处理时，超声喷丸枪(8)工作频率优选为21kHz左右，功率优选为80W左右，此时振幅大致在9μm左右，对工件(4)的成形效果较好。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20220826 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |