CN115213822A - 一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构，其由一个空化水射流喷丸结构和两个以空化水射流喷丸结构的中心轴对称分布的超声空化辅助抛光结构连接组成，空化水射流喷丸结构包括中心轴共线的高压管喷头和低压管喷头，高压管喷头的前段紧密套在低压管喷头内部中心，低压管喷头上开有两个前后贯通的低压通道，高压管喷头的中心开有前后贯通的高压通道，每个超声空化辅助抛光结构的壳体的中心开有前后贯通的壳体通道，壳体通道内的后端处固定设置压电陶瓷片，壳体的前端固定连接水射流喷头，壳体通道中注入带磨粒的抛光液；将非淹没式的空化水射流喷丸结构和超声空化辅助抛光结构相结合，可对大型工件同时进行空化喷丸强化和抛光。
Description
技术领域
本发明涉及超声空化和喷嘴领域，具体涉及非淹没式的超声空化辅助水射流喷嘴结构，适用于对大型工件表面作强化处理。
背景技术
空化水射流产生的原理是用高压泵将水介质增压，然后通过喷嘴将水介质的压力能转换成水射流的动能，以亚声速或超声速喷出，从而形成高速水射流束，将高速水射流束集中在材料上的一点，利用水能可完成对材料的切割、打孔、成形、清洗、表面喷丸强化。空化水射流喷丸技术克服了传统喷丸技术成本高、设备复杂、工件表面粗糙度高以及会对环境造成污染等缺点，在表面强化领域被广泛使用。
空化水射流喷丸可分为淹没式空化水射流喷丸和非淹没式空化水射流喷丸，淹没式空化水射流喷丸需要将待处理的工件淹没在水中，其主要应用于小型零部件的喷丸强化处理领域，而非淹没式空化水射流喷丸不需要将待处理的工件淹没在水中，其特殊的喷嘴结构可形成等同于淹没式空化水射流喷丸的喷丸效果，可用于大型焊接件的喷丸强化处理。
中国专利公开号为CN108296040A的文献中公开了一种人工淹没式的水力空化喷嘴，该喷嘴将经过内喷嘴后形成的高速空化射流射入外喷嘴内腔的低压水中进行空化，虽然提高了水射流空化率，但由于低压入水口设置在侧壁面上，存在喷嘴喷出的射流容易发散、水射流的空化效果不理想等问题。
中国专利公开号为CN114434343A的文献中公开了一种非淹没空化水射流喷嘴结构及强化装置与应用，该装置可形成等同于淹没环境下的空化效应，适用于对大型焊接件在非淹没环境下进行空化射流冲击，但该喷嘴结构未考虑在工件喷丸强化时进一步降低工件表面粗糙度的问题，对工件表面无法抛光，影响加工效果。
发明内容
本发明的目的是为解决现有淹没式水射流喷丸技术对大型工件表面难以进行强化处理以及对大型工件不能实现喷丸强化和抛光同时处理的问题，提出了一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构，实现工件表面的喷丸强化和抛光。
为实现上述目的，本发明一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构采用以下技术方案：其由一个空化水射流喷丸结构和两个以空化水射流喷丸结构的中心轴对称分布的超声空化辅助抛光结构连接组成；
所述的空化水射流喷丸结构包括中心轴共线的高压管喷头和低压管喷头，高压管喷头的后端进口连接高压管线，高压管喷头的前段紧密套在低压管喷头内部中心；低压管喷头上开有两个前后贯通的低压通道，每个低压通道的后端进口各连接一个低压管线；高压管喷头的中心开有前后贯通的高压通道，高压通道的后端进口连接高压管线，低压管喷头的前端喷口在高压管喷头的前端喷口的前方且两者之间留有距离，两个喷口相通；
每个所述的超声空化辅助抛光结构包括壳体、压电陶瓷片和水射流喷头，壳体的外侧壁与低压管喷头的外侧壁固定连接，壳体的中心开有前后贯通的壳体通道，壳体通道内的后端处固定设置与外部电源电连接的圆弧形的压电陶瓷片，压电陶瓷片后侧用壳体密封盖密封壳体通道的后端口；靠近压电陶瓷片的前侧，于壳体侧面上开有与壳体通道相通的抛光液供液口；
壳体的前端固定连接水射流喷头，水射流喷头的中心开有与壳体通道相通的前后贯通的水射流通道；通过抛光液供液口向壳体通道中注入带磨粒的抛光液；高压管喷头、低压管喷头和水射流喷头同时向工件表面喷液。
进一步地，低压管喷头的中心开有前后贯通的台阶孔，台阶孔的后段孔径较大，前段孔径较小，台阶孔的后段上设有螺纹。高压管喷头的前段伸在低压管喷头的台阶孔中与台阶孔后段上的螺纹固定连接。
进一步地，两个所述的低压通道以低压管喷头的中心对称布置，两个低压通道的中心轴与高压管喷头和低压管喷头的中心轴平行。
进一步地，两个所述的低压通道的后段是直孔段，前段喷口呈锥形，向高压管喷头和低压管喷头的中心轴的前向逐渐收缩。
进一步地，所述的高压通道从后到前依次是高压管喷头直孔段、高压管喷头收缩段、高压管喷头喉管和高压管喷头扩张段，高压管喷头收缩段是后端大前端小的锥状，高压管喷头喉管是直管道，其孔径小于所述的高压管喷头直孔段的孔径，高压管喷头扩张段是后端小前端大的锥状。
进一步地，所述的壳体通道呈向前逐渐收缩的锥状，后端孔径大，前端孔径小，壳体通道的中心轴与高压通道和低压通道的中心轴相平行。
进一步地，所述的水射流通道由后段的水射流喷头喉管和前段的水射流喷头扩张段组成，水射流喷头喉管是一段孔径小于壳体通道前端孔径的直管道，水射流喷头扩张段是后端孔径小，前端孔径大的锥形管道。
进一步地，压电陶瓷片将水射流喷头喷口处作为聚焦焦点的位置，压电陶瓷片的圆弧形半径为10～100mm。
进一步地，抛光液中的磨粒采用氧化铝、氧化钙颗粒或纳米金刚石颗粒中的一种或几种组合抛光液的供给压力为0.5～15Mpa，水射流喷头的喷口处的抛光液的喷射速度为10～100m/s。
高压管喷头和两个低压管线外共同套有环形的连接板，连接板贴合在低压管喷头的后端面上，固定住高压管喷头、低压管喷头以及低压管线。
本发明采用上述方案后具有的有益效果是：
(1)本发明将非淹没式的空化水射流喷丸结构和超声空化辅助抛光结构相结合，可对大型工件同时进行空化喷丸强化和抛光，绿色环保，可节省成本。
(2)本发明所提供的非淹没式的空化水射流喷丸结构可形成等同于淹没环境下的空化效应，利用空化效应可对大型工件表面进行空化喷丸强化，避免了传统机械喷丸强化时会使得工件表面粗糙度增加的问题。
(3)本发明结合磨料水射流抛光和聚焦超声诱导产生空化的原理，在喷丸强化的同时，利用超声空化与磨粒间的协同作用来对工件表面进行抛光，抛光效率更高，抛光效果更好。
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为本发明所述的一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构的剖视图；
图2是图1中空化水射流喷丸结构和工作状态图；
图3是图2中A-A剖视图；
图4是图1中单个超声空化辅助抛光结构和工作状态图。
图中：1.高压管线；2.高压管喷头；3.第一密封垫片；4.连接板；5.低压管线；6.第二密封垫片；7.壳体密封盖；8.压电陶瓷片；9.抛光液管线；10.抛光液供液口；11.壳体；12.第三密封垫片；13.水射流喷头；14.水射流喷头扩张段；15.射流喷头喉管；16.壳体通道；17.工件；18.低压管喷头；19.第四密封垫片；20.高压管喷头扩张段；21.高压管喷头喉管；23.高压管喷头收缩段；25.空化水射流喷丸结构；26.超声空化辅助抛光结构。
具体实施方式
如图1、图2和图4所示，本发明由一个非淹没式的空化水射流喷丸结构25和两个超声空化辅助抛光结构26连接组成，两个超声空化辅助抛光结构26以空化水射流喷丸结构25的中心轴对称分布，通过焊接作用与空化水射流喷丸结构25固定连接在一起组成本发明所述的喷嘴结构。规定空化水射流喷丸结构25和两个超声空化辅助抛光结构26的后端是进口，前端是出口，即喷口。
参见图2、图3所示的空化水射流喷丸结构25，其包括高压管喷头2和低压管喷头18，高压管喷头2和低压管喷头18的中心轴共线，高压管喷头2的后端进口固定套接高压管线1，在高压管线1和高压管喷头2的套接处以第一密封垫片3密封。
高压管喷头2的前段紧密套在低压管喷头18的内部中心，低压管喷头18和高压管喷头2之间通过内外螺纹固定连接，两者接触面之间第四密封垫片19密封。
低压管喷头18的中心开有前后贯通的台阶孔，台阶孔的后段孔径较大，前段孔径较小。台阶孔的后段上设有螺纹。高压管喷头2的前段与所述的台阶孔相匹配，前段伸在低压管喷头18的台阶孔中，与台阶孔后段上的螺纹固定连接。在高压管喷头2与台阶孔的接触端面处用第四密封垫片19密封。高压管喷头2的后段伸出台阶孔外连接高压管线1。
低压管喷头18上还设有两个前后贯通的低压通道，每个低压通道的后端各连接一个低压管线5。两个低压通道以低压管喷头18的中心对称布置，两个低压通道在高压管喷头2的外侧，两个低压通道的中心轴与高压管喷头2和低压管喷头18的中心轴平行。两个低压通道的后段是直孔段，前端是出口，即低压管喷头18的喷口，两个低压通道的喷口呈锥形，共同向高压管喷头2和低压管喷头18的中心轴的前向逐渐收缩。
高压管喷头2的中心开有前后贯通的高压通道，该高压通道的后端与高压管线1相通，前端是喷口，与低压管喷头18的喷口相通。低压管喷头18的喷口和高压管喷头2的喷口之间留有一段轴向距离，低压管喷头18的喷口在高压管喷头2的喷口的前方，这样，高压管喷头2的喷口便位于低压管喷头18内部。由高压管喷头2的喷口和低压管喷头18的喷口汇集形成整个空化水射流喷丸结构25的喷口。该空化水射流喷丸结构25的喷口正对着前方的工件17，垂直于工件17的待加工面。
高压管喷头2中心的高压通道从后到前依次是高压管喷头直孔段、高压管喷头收缩段23、高压管喷头喉管21和高压管喷头扩张段20。高压管喷头收缩段23是后端大前端小的锥状，向前收缩。高压管喷头喉管21是直管道，其孔径小于所述的高压管喷头直孔段的孔径。高压管喷头扩张段20是后端小前端大的锥状，其前端便是高压管喷头2的喷口。
在低压管喷头18与低压管线5的连接处用第二密封垫片6密封。高压管喷头2和两个低压管线5外共同套有环形的连接板4，连接板4贴合在低压管喷头18的后端面上，并且固定住高压管喷头2、低压管喷头18以及低压管线5，使三者更加稳固。在连接板4和低压管喷头18的后端面之间用第二密封垫片6密封。
从高压管线1进入高压管喷头2的水形成高压水射流，从两侧的两个低压管线5进入两个低压管喷头18的水形成低压水射流，向前方喷射，一股高压水射流和两股低压水射流在空化水射流喷丸结构25的出口处汇聚形成了混合水射流，如图2中，出口和工件17之间的虚线表示的是混合水射流，混合水射流从出口喷出后可形成水射流空化，该水射流空化效应等同于淹没环境下的水射流空化效应，因此能作用于大型工件表面对工件进行喷丸强化。
参见图4所示的超声空化辅助抛光结构26，以其中一个为例：其包括壳体11、压电陶瓷片8和水射流喷头13等，壳体11的外侧壁与低压管喷头18的外侧壁固定连接在一起。两个壳体11相对于低压管喷头18中心对称布置，壳体11整体位于低压管喷头18的外部侧旁。
壳体11的中心开有前后贯通的壳体通道16，壳体通道16整体呈向前逐渐收缩的锥状，后端孔径大，前端孔径小。壳体通道16的中心轴与高压通道和低压通道的中心轴相平行。壳体通道16内的后端处固定设置圆弧形的压电陶瓷片8，压电陶瓷片8整体呈部分球体结构，球体半径可根据实际需要作调整，球体凹面朝向正前方的喷口。压电陶瓷片8紧贴在壳体通道16内的后端口，通过真空氧离子体键合工艺与壳体11固定。在压电陶瓷片8的后侧，用壳体密封盖7密封盖住壳体通道16的后端口。
在压电陶瓷片8的前侧，且靠近压电陶瓷片8处，于壳体11侧面上开有抛光液供液口10，抛光液供液口10与所述的壳体通道16相通。抛光液供液口10与抛光液管线9相连接，抛光液管线9在壳体1外部。抛光液管线9通过抛光液供液口10向壳体通道16中注入带磨粒的抛光液。
壳体11的前端固定连接水射流喷头13，在两者的连接面处用第三密封垫片12密封。水射流喷头13的中心开有前后贯通的水射流通道，该水射流通道的中心轴与壳体通道16的中心轴共线，并且与壳体通道16相贯通，在壳体通道16的正前方。
所述的水射流通道由后段的水射流喷头喉管15和前段的水射流喷头扩张段14组成，水射流喷头喉管15是一段孔径小于壳体通道16前端孔径的直管道，水射流喷头扩张段14是后端孔径小，前端孔径大的锥形管道，水射流喷头扩张段14的前端出口就是整个超声空化辅助抛光结构26的喷口，该喷口正对着工件17。
圆弧形的压电陶瓷片8的圆心便是超声空化辅助抛光结构26的喷口中心处，压电陶瓷片8将水射流喷头13喷口处作为聚焦焦点的位置，聚焦半径为10～100mm，即压电陶瓷片8的圆弧形半径。压电陶瓷片8与外部电源电连接，接通电源后，压电陶瓷片8进行前后高频振动发射出超声波，超声波的频率为20～40KHz，一方面可推动壳体通道16中的抛光液中的磨粒向工件17运动，另一方面也能诱导发生超声空化，超声空化产生的空化泡初生、发展、溃灭时会发光发热，其释放的巨大能量产生的压力作用于抛光液中的磨粒，可推动磨粒加速从超声空化辅助抛光结构26的喷口喷出，对工件17表面进行抛光。
壳体通道16的锥形结构，可以使水射流喷头13喷出的抛光液中的磨粒运动速度更快，对工件17的抛光效果更佳。由伯努利方程可知，抛光液在流经水射流喷头喉管15处时，压力会降低，抛光液的流速会加快，当压力降低到抛光液的饱和蒸气压时，会在水射流喷头喉管15处产生二次空化，在二次空化的作用下，抛光液中的磨粒会加速从喷口喷出，到达待抛光工件17的表面。
抛光液中的磨粒可采用氧化铝、氧化钙颗粒或纳米金刚石颗粒中的一种或几种组合，从抛光液管线9提供的抛光液的供给压力为0.5～15Mpa。水射流喷头13的喷口处的抛光液的喷射速度为10～100m/s。
本发明采用空化水射流喷丸结构25和超声空化辅助抛光结构26相结合，利用空化效应来对大型工件表面进行喷丸强化和抛光。工作时，将空化水射流喷丸结构25中的高压管喷头2通过高压管线1与储水箱相连，低压管喷头18通过低压管线5也与储水箱相连，且高压管线1和低压管线5上均设置有水泵、流量计和压力计。高压管线1上的水泵为柱塞泵，可形成高压水射流，流经高压管喷头2。低压管线5上的水泵为普通水泵，用以形成低压水射流，流经低压管喷头18。高压水射流在流经高压管喷头喉管21时，由于高压管喷头喉管21处的孔径减小，由伯努利方程可知，高压水射流的流速会加快，同时也会产生压降，当压力降低到水射流的饱和蒸气压时，就会发生空化形成空化泡，空化泡会随着水射流向工件17的表面运动，利用空化泡溃灭时释放的巨大压力可作用于工件17的表面，对工件17进行喷丸强化。此外，高压水射流和低压水射流混合形成混合水射流，混合水射流在喷头喷出时会产生空化水射流，形成等同于淹没环境下的空化射流，空化射流作用于工件17的表面，从而对其进行喷丸强化。传统的机械喷丸在对工件表面进行强化时，在提高工件疲劳寿命的同时会使得工件表面粗糙度增大，而相较于机械喷丸强化，水射流空化喷丸被称为“无接触”喷丸强化，在提高工件疲劳寿命的同时不会使得工件表面粗糙度增大，绿色环保，也不会对环境造成污染。
本发明在对工件17的表面进行喷丸强化的同时作抛光处理，高压管喷头2、低压管喷头18和水射流喷头13同时向工件表面喷液。超声空化辅助抛光结构26结合了聚焦超声和磨粒水射流抛光的原理，压电陶瓷片8将水射流喷头13的出口处作为聚焦焦点的位置，利用压电陶瓷片8发射出的波长较短、频率较高、具有较强的束射性能的超声波诱导产生空化效应。同时，在超声空化辅助抛光结构26中，当抛光液流经水射流喷头喉管15处时也会发生二次空化，超声空化水射流喷头喉管15处二次空化产生的空化泡溃灭时会发光发热，其溃灭时释放的巨大能量产生的压力作用于抛光液中的磨粒，也可推动磨粒加速从喷口喷出对工件表面进行抛光，由于空化效应与磨粒协同作用可大大提高对工件17的表面的抛光效率。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构，其特征是：其由一个空化水射流喷丸结构(25)和两个以空化水射流喷丸结构(25)的中心轴对称分布的超声空化辅助抛光结构(26)连接组成，所述的空化水射流喷丸结构(25)包括中心轴共线的高压管喷头(2)和低压管喷头(18)，高压管喷头(2)的后端进口连接高压管线(1)，高压管喷头(2)的前段紧密套在低压管喷头(18)内部中心；低压管喷头(18)上开有两个前后贯通的低压通道，每个低压通道的后端进口各连接一个低压管线(5)；高压管喷头(2)的中心开有前后贯通的高压通道，高压通道的后端进口连接高压管线(1)，低压管喷头(18)的前端喷口在高压管喷头(2)的前端喷口的前方且两者之间留有距离，两个喷口相通；每个所述的超声空化辅助抛光结构(26)包括壳体(11)、压电陶瓷片(8)和水射流喷头(13)，壳体(11)的外侧壁与低压管喷头(18)的外侧壁固定连接，壳体(11)的中心开有前后贯通的壳体通道(16)，壳体通道(16)内的后端处固定设置与外部电源电连接的圆弧形的压电陶瓷片(8)，压电陶瓷片(8)后侧用壳体密封盖(7)密封壳体通道(16)的后端口；靠近压电陶瓷片(8)的前侧，于壳体(11)侧面上开有与壳体通道(16)相通的抛光液供液口(10)；壳体(11)的前端固定连接水射流喷头(13)，水射流喷头(13)的中心开有与壳体通道(16)相通的前后贯通的水射流通道；通过抛光液供液口(10)向壳体通道(16)中注入带磨粒的抛光液；高压管喷头(2)、低压管喷头(18)和水射流喷头(13)同时向工件表面喷液。
2.根据权利要求1所述的一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构，其特征是：低压管喷头(18)的中心开有前后贯通的台阶孔，台阶孔的后段孔径较大，前段孔径较小，台阶孔的后段上设有螺纹，高压管喷头(2)的前段伸在低压管喷头(18)的台阶孔中与台阶孔后段上的螺纹固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构，其特征是：两个所述的低压通道以低压管喷头(18)的中心对称布置，两个低压通道的中心轴与高压管喷头(2)和低压管喷头(18)的中心轴平行。
4.根据权利要求1所述的一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构，其特征是：两个所述的低压通道的后段是直孔段，前段喷口呈锥形，向高压管喷头(2)和低压管喷头(18)的中心轴的前向逐渐收缩。
5.根据权利要求1所述的一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构，其特征是：所述的高压通道从后到前依次是高压管喷头直孔段、高压管喷头收缩段(23)、高压管喷头喉管(21)和高压管喷头扩张段(20)，高压管喷头收缩段(23)是后端大前端小的锥状，高压管喷头喉管(21)是直管道，其孔径小于所述的高压管喷头直孔段的孔径，高压管喷头扩张段(20)是后端小前端大的锥状。
6.根据权利要求1所述的一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构，其特征是：高压管喷头(2)和两个低压管线(5)外共同套有环形的连接板(4)，连接板(4)贴合在低压管喷头(18)的后端面上，固定住高压管喷头(2)、低压管喷头(18)以及低压管线(5)。
7.根据权利要求1所述的一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构，其特征是：所述的壳体通道(16)呈向前逐渐收缩的锥状，后端孔径大，前端孔径小，壳体通道(16)的中心轴与高压通道和低压通道的中心轴相平行。
8.根据权利要求1所述的一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构，其特征是：所述的水射流通道由后段的水射流喷头喉管(15)和前段的水射流喷头扩张段(14)组成，水射流喷头喉管(15)是一段孔径小于壳体通道(16)前端孔径的直管道，水射流喷头扩张段(14)是后端孔径小，前端孔径大的锥形管道。
9.根据权利要求1所述的一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构，其特征是：压电陶瓷片(8)将水射流喷头(13)喷口处作为聚焦焦点的位置，压电陶瓷片(8)的圆弧形半径为10～100mm。
10.根据权利要求1所述的一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构，其特征是：抛光液中的磨粒采用氧化铝、氧化钙颗粒或纳米金刚石颗粒中的一种或几种组合抛光液的供给压力为0.5～15Mpa，水射流喷头(13)的喷口处的抛光液的喷射速度为10～100m/s。
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| CN202210961025.2A CN115213822B (zh) | 2022-08-11 | 一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构 |
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