CN115386701A

CN115386701A - 一种静电雾化辅助强化研磨加工设备及方法

Info

Publication number: CN115386701A
Application number: CN202211057419.1A
Authority: CN
Inventors: 刘晓初; 危珊; 梁忠伟; 谢鑫成; 陈泽威; 黄珊珊; 何森
Original assignee: Guangzhou University
Current assignee: Guangzhou University
Priority date: 2022-08-31
Filing date: 2022-08-31
Publication date: 2022-11-25
Anticipated expiration: 2042-08-31
Also published as: CN115386701B

Abstract

本发明提供了一种静电雾化辅助强化研磨加工设备及方法，涉及工件表面强化工艺技术领域，包括：高压喷头，用于将钢球喷射到工件表面；研磨液和研磨料，混合注入所述高压喷头内并与所述钢球混合；电源，两极分别与工件和研磨液接通。本发明通过研磨液携带电荷，而研磨液混合包裹研磨粉后又与钢球混合形成附着形态，则当钢球撞击到工件表面时，带电的研磨液与极性相反的工件表面接触，在电场力作用下和研磨粉共同爆裂，一方面加剧雾化效果，使得研磨液和研磨料粒径更小，另一方面造成向工件表面的强力动能冲击，从而使研磨液和研磨料更充分渗入金属材料表面，加剧强化反应。

Description

一种静电雾化辅助强化研磨加工设备及方法

技术领域

本发明涉及工件表面强化工艺技术领域，尤其是涉及一种静电雾化辅助强化研磨加工设备及方法。

背景技术

承受载荷的零件表面常处于最大应力状态，并在不同的介质环境中工作。因此，零件的失效和破坏也大多发生在表面或从表面开始。表面强化是改善机械零件和构件表面性能，提高疲劳强度和耐磨性能的工艺方法。

现有技术中关于工件表面强化的方法和设备众多，例如专利CN103878703B-一种耐磨合金钢工件表面的强化研磨方法，其中公开了利用钢球、研磨粉以及强化研磨液混合并喷射至耐磨合金钢工件表面，对耐磨合金钢工件表面进行机械强化研磨的方法，能够诱导强化研磨改性液与金属材料发生摩擦化学反应，提高工件寿命。但虽然该专利提出了使研磨液与金属材料发生化学反应以进行表面强化的方法，却没有讨论如何使加剧该反应，提高强化效果。

静电雾化是将液滴置于高压静电场中，使其在重力、电场力和表面张力等作用力下，破碎成带电小雾滴。静电雾化具有获得雾滴粒径小、尺寸分布均匀以及沉积效率高等优点，参见([1]张冬冬,苏宇.纳米流体同轴静电雾化切削荷电与加工性能研究[J].现代制造工程,2022(03):1-5+28.)。

如果研磨液与工件表面接触时更分散细微，那就能提高其渗入工件表面并与金属材料之间的反应速度和反应强度，从而有效提高表面强化性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种静电雾化辅助强化研磨加工设备及方法，能够进一步提高研磨液与工件表面的反应效率，提高表面强化效果；

本发明提供一种静电雾化辅助强化研磨加工设备，包括：高压喷头，用于将钢球喷射到工件表面；研磨液和研磨料，混合注入所述高压喷头内并与所述钢球混合；电源，两极分别与工件和研磨液接通。

进一步地，所述高压喷头包括壳体和喷嘴，所述壳体内设有混合室，所述研磨液、所述研磨粉和所述钢球在所述混合室内混合，并由喷嘴喷出。

进一步地，所述壳体内还设有毛细管，所述研磨液通过所述毛细管雾化注入所述混合室内。

进一步地，所述电源的两极分别与工件和毛细管接通。

进一步地，所述钢球通过与所述混合室连通的管落入所述混合室内。

进一步地，所述高压喷头还包括用于提供压力的高压泵。

本发明还提供一种静电雾化辅助强化研磨加工方法，包括如下步骤：S1，工件和研磨液分别接通电源的两极；S2，研磨液与研磨粉混合，使研磨液包裹研磨粉；S3，研磨液包裹研磨粉的混合物与钢球混合，使带电研磨液附着在钢球表面；S4，高压喷头喷射钢球对工件表面进行高频撞击，以进行表面强化。

进一步地，步骤S2中，研磨液先经过毛细管雾化后，再与研磨粉混合，电源的两极分别与毛细管和工件接通。

本发明的技术方案通过研磨液携带电荷，而研磨液混合包裹研磨粉后又与钢球混合形成附着形态，则当钢球撞击到工件表面时，带电的研磨液与极性相反的工件表面接触，在电场力作用下和研磨粉共同爆裂，一方面加剧雾化效果，使得研磨液和研磨料粒径更小，另一方面造成向工件表面的强力动能冲击，从而使研磨液和研磨料更充分渗入金属材料表面，加剧强化反应。

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为本发明的研磨加工设备整体结构示意图；

图2为本发明的钢球表面附着研磨液滴示意图；

图3为本发明的研磨加工方法流程图；

附图标记说明：

1-高压喷头、101-壳体、102-喷嘴、103-混合室、104-高压泵、2-钢球、3-工件、4-研磨液、5-研磨料、6-电源、7-毛细管；

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本发明提供一种静电雾化辅助强化研磨加工设备，包括：高压喷头1，用于将钢球2喷射到工件3表面；研磨液4和研磨料5，混合注入高压喷头1内并与钢球2混合；电源6，两极分别与工件3和研磨液4接通。

具体的，本装置中，研磨液4一方面作为发生表面强化反应的原料，另一方面，由于研磨粉不能带电，且附着力不强不能与钢球2附着，所以使用研磨液4混合并包裹研磨粉，再利用研磨液4的张力附着于钢球2表面。在本装置中，由于研磨液4和工件3分别接通电源6(高压电源)两极，所以研磨液4的液滴上附带有与工件3表面极性相反的荷电，喷嘴102/工件3之间形成电场，这使得本装置中研磨液4和研磨粉主要以三种作用与工件3表面反应：

其一，研磨液4液滴以气泡形式附着在钢球2表面，当钢球2撞击到材料表面时液滴破裂，产生较大的压强，研磨液4和研磨粉冲击工件3表面进行强化，强化过程类似喷丸。

其二，荷电液滴表面不稳定易发生次雾化，减小雾化粒径，使得研磨液4更容易渗入材料表面发生强化反应；

其三，撞击后爆裂的液滴轨迹受电场力影响，可以向工件3表面冲击继续进行反应。

另外提出一种具体的研磨液4组分及质量配比为：18％极压添加剂、4％防腐剂、18％渗透剂、4％PH调节剂、13％表面活性剂、4％PH缓冲剂、4％软化剂、35％水。经实验有较好的表现。

实施例2

本实施例2叙述高压喷头1的具体结构及研磨液4的进一步雾化：

高压喷头1包括壳体101和喷嘴102，壳体101内设有混合室103，研磨液4、研磨粉和钢球2在混合室103内混合，并由喷嘴102喷出。壳体101内还设有毛细管7，研磨液4通过毛细管7雾化注入混合室103内。电源6的两极分别与工件3和毛细管7接通。钢球2通过与混合室103连通的管落入混合室103内。高压喷头1还包括用于提供压力的高压泵104。

具体的，混合室103位于壳体101的底部，喷嘴102位于混合室103的出口。在混合室103内，研磨液4和研磨粉混合，并形成研磨液4包裹研磨粉的结构(这可以通过控制研磨液4的量远大于研磨粉的量实现，且研磨粉本身就容易粘连到研磨液4上)，然后携带研磨粉的研磨液4再与钢球2的混合过程中，以液滴的形式附着在钢球2表面。为了进一步减小研磨液4的粒径，先利用毛细管7对研磨液4进行一次雾化，具体研磨液4通过毛细管7进行雾化的方式可以参见实施例4中毛细管7直径与电流之间的公式关系；经过毛细管7后研磨液4被一次雾化为小粒径液滴，当钢球2撞击到工件3表面时，又由于前述实施例1的过程发生二次雾化，成为更小粒径的液滴，从而表面强化效果更好。

实施例3

本实施例3为采用本装置的静电雾化辅助强化研磨加工方法：

本发明还提供一种静电雾化辅助强化研磨加工方法，包括如下步骤：S1，工件3和研磨液4分别接通电源6的两极；S2，研磨液4与研磨粉混合，使研磨液4包裹研磨粉；S3，研磨液4包裹研磨粉的混合物与钢球2混合，使带电研磨液4附着在钢球2表面；S4，高压喷头1喷射钢球2对工件3表面进行高频撞击，以进行表面强化。

上述步骤的具体原理及目的自前述实施例中已经叙述，不再赘述。

实施例4

本实施例4叙述本装置静电雾化中的相关要求：

步骤S2中，研磨液4先经过毛细管7雾化后，再与研磨粉混合，电源6的两极分别与毛细管7和工件3接通。毛细管7直径与其通电电流满足下列公式：

式中：d为毛细管7直径；I为通电电流；ε_r为流体相对介电常数；ε₀为真空介电常数；f(ε_r)为实验室环境的相关函数；σ为液滴表面张力(N/m)；K为导电率(S/m)。

具体的，该公式中，液滴通过毛细管7被一次雾化，雾化的效果跟毛细管7的直径，通电电流以及液滴的表面张力有关，不同的液体可以通过调节不同的电流以控制器雾化粒径。例如上式中，电流增大，毛细管7的流体体积流量增大，导致液滴的直径变大，雾化效果降低。

液滴所带电荷量满足下列公式：

式中：Qc为液滴携带的电荷量；ε₀为真空介电常数；σ为液滴表面张力(N/m)；R为液滴半径(m)。

具体的，经实验总结，当液滴所带电荷量满足上述公式时，液滴荷电所造成的不稳定状态，使得液滴到达工件3表面时爆裂效果最均匀，此时冲击效果最好。

本发明提高表面强化效果的具体原理：

毛细管7和工件3分别接通电源6两极，研磨液4首先经过毛细管7一次雾化，产生粒径微小的液滴并同时荷电，然后液滴与研磨料5混合形成包裹混合物，再与钢球2混合，使液滴携带研磨料5附着在钢球2表面，由于液滴上有与工件3表面极性相反的荷电，喷嘴102/工件3之间形成电场，当钢球2由喷嘴102喷出并撞击向工件3表面时：其一研磨液4液滴以气泡形式附着在钢球2表面，当钢球2撞击到材料表面时液滴破裂，产生较大的压强，研磨液4和研磨粉冲击工件3表面进行强化，强化过程类似喷丸。其二，荷电液滴表面不稳定易发生次雾化，减小雾化粒径，使得研磨液4更容易渗入材料表面发生强化反应；其三，撞击后爆裂的液滴轨迹受电场力影响，可以向工件3表面冲击继续进行反应。从而有效提高工件3表面强化效果。

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

1.一种静电雾化辅助强化研磨加工设备，其特征在于，包括：

高压喷头，用于将钢球喷射到工件表面；

研磨液和研磨料，混合注入所述高压喷头内并与所述钢球混合；

电源，两极分别与工件和研磨液接通。

2.根据权利要求1所述的静电雾化辅助强化研磨加工设备，其特征在于，所述高压喷头包括壳体和喷嘴，所述壳体内设有混合室，所述研磨液、所述研磨粉和所述钢球在所述混合室内混合，并由喷嘴喷出。

3.根据权利要求2所述的静电雾化辅助强化研磨加工设备，其特征在于，所述壳体内还设有毛细管，所述研磨液通过所述毛细管雾化注入所述混合室内。

4.根据权利要求3所述的静电雾化辅助强化研磨加工设备，其特征在于，所述电源的两极分别与工件和毛细管接通。

5.根据权利要求2所述的静电雾化辅助强化研磨加工设备，其特征在于，所述钢球通过与所述混合室连通的管落入所述混合室内。

6.根据权利要求2所述的静电雾化辅助强化研磨加工设备，其特征在于，所述高压喷头还包括用于提供压力的高压泵。

7.一种静电雾化辅助强化研磨加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，工件和研磨液分别接通电源的两极；

S2，研磨液与研磨粉混合，使研磨液包裹研磨粉；

S3，研磨液包裹研磨粉的混合物与钢球混合，使带电研磨液附着在钢球表面；

S4，高压喷头喷射钢球对工件表面进行高频撞击，以进行表面强化。

8.根据权利要求7所述的静电雾化辅助强化研磨加工方法，其特征在于，步骤S2中，研磨液先经过毛细管雾化后，再与研磨粉混合，电源的两极分别与毛细管和工件接通。