CN115652050A - 一种超声空化喷丸装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种超声空化喷丸装置及方法，装置包括：框架；空化箱，内部存放有液体，空化箱设置在框架上；升降机构，设置在框架上；超声空化发生组件，与升降机构连接，超声空化发生组件插入液体中，超声空化发生组件用于产生超声波，使液体中产生空化泡；托盘，设置在空化箱内部，且托盘浸没在液体中；超声空化喷丸聚焦组件，设置在空化箱上，超声空化喷丸聚焦组件用于搅动液体，使液体中产生漩涡，对液体中的空化泡进行聚集。本申请利用对液体搅动后在空化箱中形成漩涡，将产生的分散的空化泡聚集在一起，通过调节超声空化发生组件与工件之间的距离，可以实现空化泡溃灭时能量利用率的调节可控化。

Description

一种超声空化喷丸装置及方法

技术领域

本申请涉及机械加工技术领域，特别涉及一种超声空化喷丸装置及方法。

背景技术

随着科技的发展，对材料性能的要求越来越高。喷丸成形工艺具有实用性好、适用范围广、价格低廉等特点，能够显著改善材料表面特性和疲劳性能，常被运用于工件表面的强化。但传统喷丸工艺也存在一定局限性，由于其弹丸能量较高而难以控制，且弹丸直径较大，因而不适用于一些特殊结构的强化，如：V型槽根部、孔的内表面以及航空发动机涡轮叶片叶尖等结构，因此研究一种针对特殊结构的喷丸强化工艺是势在必行的。

空化现象又称气穴现象、空穴现象或空泡现象，是一种由于液体局部发生压降并且压力低至临界数值时，造成其中析出气体空泡或空穴的现象。完整的空化流程包含空泡的形成、发展和最后的溃灭，溃灭时伴随产生了高压冲击波、高速微射流及局部高温热点，其能量高度集中，可在工件表面局部区域产生极高的冲击压力，使其表面发生塑性变形。

超声空化是以超声波为能量激励源，以液体为介质时激发的一种声空化现象。近年来，对超声空化的应用主要集中于超声清洗、超声医疗、声化学、均化、乳化以及超声诊断等领域，而对材料表面工艺强化领域应用却基本空白。由于超声空化产生的空化泡溃灭时常产生一定能量的冲击波，因此可将该能量用于传统喷丸无法强化的特殊结构。然而超声空化所产生的空化泡分散不具有普遍规律性，且声致空化泡生命周期短、溃灭速度快，无法达到能量集中利用的效果，使得空化泡溃灭能量利用率变低，因而需要提供一种提高空化泡溃灭能量利用率的超声空化喷丸装置及方法。

发明内容

本申请实施例提供了一种超声空化喷丸装置及方法，用以解决现有技术中超声空化产生的空化泡能量利用率低的问题。

一方面，本申请实施例提供了一种超声空化喷丸装置，包括：

框架；

空化箱，内部存放有液体，空化箱设置在框架上；

升降机构，设置在框架上，且升降机构位于空化箱上方；

超声空化发生组件，与升降机构连接，且超声空化发生组件插入液体中，超声空化发生组件用于产生超声波，使液体中产生空化泡；

托盘，设置在空化箱内部，且托盘浸没在液体中；

超声空化喷丸聚焦组件，设置在空化箱上，超声空化喷丸聚焦组件用于搅动液体，使液体中产生漩涡，对液体中的空化泡进行聚集。

另一方面，本申请实施例还提供了一种超声空化喷丸方法，包括：

将托盘放置在空化箱的液体中；

启动超声空化发生组件，使液体中产生空化泡；

调节升降机构，改变超声空化发生组件在液体中的位置；

启动超声空化喷丸聚焦组件，搅动液体，使液体中产生漩涡，对液体中的空化泡进行聚集。

本申请中的一种超声空化喷丸装置及方法，具有以下优点：

1、实现了在液体中产生空化泡，并且将空化泡溃灭时伴随产生的能量作用于工件表面特殊区域，产生极高的冲击压力，使其表面发生塑性变形，晶粒细化产生有利于提高疲劳性能的残余应力。

2、利用步进电机带动旋转圆盘波轮转动，进一步在空化箱中形成漩涡，将产生的分散的空化泡形成汇聚，通过调节超声空化发生装置与工件之间的距离，继而实现空化泡溃灭时能量利用率的调节可控化。

3、与普通超声空化装置相比，本申请的装置可实现聚焦，节省了人力和时间的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的一种超声空化喷丸装置的主视图；

图2为本申请实施例提供的一种超声空化喷丸装置的侧视图；

图3为本申请实施例提供的一种超声空化喷丸装置的俯视图；

图4为本申请实施例提供的一种超声空化喷丸装置的轴侧图；

图5为本申请实施例提供的框架的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的升降机构的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的超声空化发生组件和超声空化冷却组件的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的托盘的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的超声空化喷丸聚焦组件的结构示意图。

附图标号说明：1-框架，2-升降机构，3-超声空化发生组件，4-超声空化冷却组件，5-托盘，6-超声空化喷丸聚焦组件，1-1-第一立柱，1-2-第一连接板，1-3-第一滑块挡板，1-4-第二连接板，1-5-第三连接板，1-6-第二滑块挡板，1-7-第四连接板，1-8-第二立柱，1-9-第三立柱，1-10-第四立柱，1-11-空化箱，1-12-第三滑块挡板，2-1-第一驱动单元，2-2-丝杆，2-3-第一滑块，2-4-第二滑块，2-5-导向杆，3-1-超声空化发生单元，3-2-固定杆，4-1-气体导管，4-2-空气压缩机，5-1-放置盘，5-2-工件，6-1-第一紧扣单元，6-2-转轴，6-3-旋转圆盘波轮，6-4-第二紧扣单元，6-5-第二驱动单元。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

图1-9为本申请实施例提供的一种超声空化喷丸装置的结构示意图。本申请实施例提供了一种超声空化喷丸装置，包括：

框架1；

空化箱1-11，内部存放有液体，空化箱1-11设置在框架1上；

升降机构2，设置在框架1上，且升降机构2位于空化箱1-11上方；

超声空化发生组件3，与升降机构2连接，且超声空化发生组件3插入液体中，超声空化发生组件3用于产生超声波，使液体中产生空化泡；

托盘5，设置在空化箱1-11内部，且托盘5浸没在液体中；

超声空化喷丸聚焦组件6，设置在空化箱1-11上，超声空化喷丸聚焦组件6用于搅动液体，使液体中产生漩涡，对液体中的空化泡进行聚集。

示例性地，托盘5包括放置盘5-1和放置在放置盘5-1上的工件5-2，而且根据工件5-2的不同，可以定制不同的放置盘5-1。在本申请的实施例中，超声空化发生组件3正对放置盘5-1的中心，因此工件5-2优选放置在放置盘5-1的中心位置。

本申请提供的一种超声空化喷丸装置，启动超声空化发生组件3后在液体中可以产生空化泡，空化泡溃灭时伴随产生的能量能够作用于工件5-2表面的特殊区域，对工件5-2表面施加极高的冲击压力，使其表面发生塑性变形。同时，利用超声空化喷丸聚焦组件6在空化箱1-11中形成漩涡，将产生的分散的空化泡聚齐起来，通过调节升降机构改变超声空化发生组件3与工件5-2之间的距离，继而提高空化泡溃灭时能量的利用率，实现工件5-2表面强化处理程度可控化。

在一种可能的实施例中，框架1包括多个立柱和与立柱数量相同的连接板，多个立柱相互平行设置，连接板连接在相邻的两个立柱之间。

示例性地，本申请中的立柱和连接板的数量均为四个，四个立柱分别为第一立柱1-1、第二立柱1-8、第三立柱1-9和第四立柱1-10，四个连接板分别为第一连接板1-2、第二连接板1-4、第三连接板1-5和第四连接板1-7。

其中，第一立柱1-1、第二立柱1-8、第三立柱1-9和第四立柱1-10均可采用铝合金型材制成，且四个立柱均竖直放置，形成立方体结构。第一连接板1-2、第二连接板1-4、第三连接板1-5和第四连接板1-7均可采用钢化玻璃板，且分别位于立方体结构的四面，四个连接板均竖直放置并与四个立柱相互粘接，四个立柱和四个连接板粘接在一起形成横截面为正方形的棱柱。

在一种可能的实施例中，升降机构2包括：丝杆2-2，转动设置在框架1上；第一驱动单元2-1，设置在框架1上，丝杆2-2的一端与第一驱动单元2-1的转动端连接；导向杆2-5固定设置在框架1上，且导向杆2-5和丝杆2-2平行；第一滑块2-3，螺接在丝杆2-2上；第二滑块2-4，滑动设置在导向杆2-5上；超声空化发生组件3连接在第一滑块2-3和第二滑块2-4之间。

示例性地，框架1上还设置有：第一滑块挡板1-3，第一驱动单元2-1的主体设置在第一滑块挡板1-3上；第二滑块挡板1-6，导向杆2-5固定设置在第二滑块挡板1-6上；第三滑块挡板1-12，与第一滑块挡板1-3正对，丝杆2-2的末端转动设置在第三滑块挡板1-12上。

第一驱动单元2-1可以采用步进电机，丝杆2-2竖直放置，其上端固定在第一驱动单元2-1的转动端，即转轴，丝杆2-2的下端通过轴承转动设置在第三滑块挡板1-12上。第一滑块2-3上设置有与丝杆2-2相配合的螺纹，使第一滑块2-3能够沿着丝杆2-2上下移动。导向杆2-5竖直放置，其上端可以通过轴承转动设置或固定设置在第二滑块挡板1-6上，下端悬空。第二滑块2-4上设置有导向槽，导向杆2-5穿过导向槽，使第二滑块2-4能够沿着导向杆2-5上下移动。第一驱动单元2-1转动时带动丝杆2-2旋转，使第一滑块2-3与第二滑块2-4之间相连接的超声空化发生组件3上下移动。为提高第一驱动单元2-1对超声空化发生组件3高度的调节精度，需要使丝杆2-2上螺纹的螺距较小，而且在调节过程中，超声空化发生组件3和工件5-2之间的距离最大为30mm。

在本申请的实施例中，三个滑块挡板中的两个位于型材框架顶部，分别为第一滑块挡板1-3和第二滑块挡板1-6，第一滑块挡板1-3和第二滑块挡板1-6分别放置在框架1的对角侧，并与立柱和连接板固定连接。第三滑块挡板1-12位于第一滑块挡板1-3的正下方，且二者存在一定距离，第三滑块挡板1-12也固定连接于立柱和连接板。

在一种可能的实施例中，超声空化发生组件3包括：超声空化发生单元3-1，插入液体中；固定杆3-2，第一滑块2-3和第二滑块2-4分别通过一个固定杆3-2与超声空化发生单元3-1连接。

示例性地，超声空化发生单元3-1为柱状结构，其下端为平整的圆形辐射面，该辐射面伸入存在液体的空化箱1-11，产生空化泡和空泡云。连接杆3-2连接第一滑块2-3和第二滑块2-4，且两个连接杆3-2均沿框架1的对角线水平放置。

在一种可能的实施例中，超声空化喷丸聚焦组件6包括：旋转圆盘波轮6-3，位于空化箱1-11的内底部；第二驱动单元6-5，设置在空化箱1-11的外底部，旋转圆盘波轮6-3底部设置有转轴6-2，转轴6-2穿过空化箱1-11的底面并与第二驱动单元6-5的转动端连接。

示例性地，空化箱1-11也可以采用四个箱板粘连而成，箱板则也可以采用钢化玻璃板，箱板的上端与一块连接板相连接，下端连接在一起后形成圆筒，且四个箱板连接在一起形成倒棱台结构的空化箱1-11。

空化箱1-11底部的圆筒中可以设置与箱板同材质的底板，也可以设置与箱板为不同材质的密封圈，无论采用底板还是密封圈，转轴6-2穿过后均需要确保空化箱1-11中的液体不会泄露。

在一种可能的实施例中，转轴6-2位于空化箱1-11外部的一端连接有第一紧扣单元6-1，第二驱动单元6-5的转动端连接有第二紧扣单元6-4，第一紧扣单元6-1和第二紧扣单元6-4紧扣连接在一起。

示例性地，第一紧扣装置6-1和第二紧扣装置6-4均可以具有凸起和凹陷结构，且第一紧扣装置6-1上的凸起需要和第二紧扣装置6-4上的凹陷匹配，第二驱动单元6-5也可以采用步进电机。转轴6-2的底端可以与第一紧扣装置6-1固定连接，第二紧扣装置6-4的上端与第一紧扣装置6-1紧扣连接在一起，下端固定在第二驱动单元6-5的转动端，即转轴上，通过第二驱动单元6-5可以带动旋转圆盘波轮6-3转动，使液体中的空化泡聚集在一起。

在一种可能的实施例中，框架1上还设置有超声空化冷却组件4，超声空化冷却组件4包括：空气压缩机4-2；气体导管4-1，连接在超声空化发生组件3和空气压缩机4-2之间。

示例性地，空气压缩机4-2用于冷却超声空化发生单元3-1，防止过热烧坏超声空化发生单元3-1。

本申请还提供了一种超声空化喷丸方法，该方法包括：

将托盘5放置在空化箱1-11的液体中；

启动超声空化发生组件3，使液体中产生空化泡；

调节升降机构2，改变超声空化发生组件3在液体中的位置；

启动超声空化喷丸聚焦组件6，搅动液体，使液体中产生漩涡，对液体中的空化泡进行聚集。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种超声空化喷丸装置，其特征在于，包括：

框架(1)；

空化箱(1-11)，内部存放有液体，所述空化箱(1-11)设置在所述框架(1)上；

升降机构(2)，设置在所述框架(1)上，且所述升降机构(2)位于所述空化箱(1-11)上方；

超声空化发生组件(3)，与所述升降机构(2)连接，且所述超声空化发生组件(3)插入所述液体中，所述超声空化发生组件(3)用于产生超声波，使所述液体中产生空化泡；

托盘(5)，设置在所述空化箱(1-11)内部，且所述托盘(5)浸没在所述液体中；

超声空化喷丸聚焦组件(6)，设置在所述空化箱(1-11)上，所述超声空化喷丸聚焦组件(6)用于搅动所述液体，使所述液体中产生漩涡，对所述液体中的空化泡进行聚集。

2.根据权利要求1所述的一种超声空化喷丸装置，其特征在于，所述升降机构(2)包括：

丝杆(2-2)，转动设置在所述框架(1)上；

第一驱动单元(2-1)，设置在所述框架(1)上，所述丝杆(2-2)的一端与所述第一驱动单元(2-1)的转动端连接；

导向杆(2-5)固定设置在所述框架(1)上，且所述导向杆(2-5)和丝杆(2-2)平行；

第一滑块(2-3)，螺接在所述丝杆(2-2)上；

第二滑块(2-4)，滑动设置在所述导向杆(2-5)上；

所述超声空化发生组件(3)连接在所述第一滑块(2-3)和第二滑块(2-4)之间。

3.根据权利要求2所述的一种超声空化喷丸装置，其特征在于，所述超声空化发生组件(3)包括：

超声空化发生单元(3-1)，插入所述液体中；

固定杆(3-2)，所述第一滑块(2-3)和第二滑块(2-4)分别通过一个所述固定杆(3-2)与所述超声空化发生单元(3-1)连接。

4.根据权利要求2所述的一种超声空化喷丸装置，其特征在于，所述框架(1)上还设置有：

第一滑块挡板(1-3)，所述第一驱动单元(2-1)的主体设置在所述第一滑块挡板(1-3)上；

第二滑块挡板(1-6)，所述导向杆(2-5)固定设置在所述第二滑块挡板(1-6)上；

第三滑块挡板(1-12)，与所述第一滑块挡板(1-3)正对，所述丝杆(2-2)的末端转动设置在所述第三滑块挡板(1-12)上。

5.根据权利要求1所述的一种超声空化喷丸装置，其特征在于，所述超声空化喷丸聚焦组件(6)包括：

旋转圆盘波轮(6-3)，位于所述空化箱(1-11)的内底部；

第二驱动单元(6-5)，设置在所述空化箱(1-11)的外底部，所述旋转圆盘波轮(6-3)底部设置有转轴(6-2)，所述转轴(6-2)穿过所述空化箱(1-11)的底面并与所述第二驱动单元(6-5)的转动端连接。

6.根据权利要求5所述的一种超声空化喷丸装置，其特征在于，所述转轴(6-2)位于所述空化箱(1-11)外部的一端连接有第一紧扣单元(6-1)，所述第二驱动单元(6-5)的转动端连接有第二紧扣单元(6-4)，所述第一紧扣单元(6-1)和第二紧扣单元(6-4)紧扣连接在一起。

7.根据权利要求1所述的一种超声空化喷丸装置，其特征在于，所述框架(1)上还设置有超声空化冷却组件(4)，所述超声空化冷却组件(4)包括：

空气压缩机(4-2)；

气体导管(4-1)，连接在所述超声空化发生组件(3)和空气压缩机(4-2)之间。

8.根据权利要求1所述的一种超声空化喷丸装置，其特征在于，所述框架(1)包括多个立柱和与所述立柱数量相同的连接板，多个所述立柱相互平行设置，所述连接板连接在相邻的两个所述立柱之间。

9.根据权利要求8所述的一种超声空化喷丸装置，其特征在于，所述立柱使用铝合金型材制成，所述连接板为钢化玻璃板。

10.一种权利要求1-9任一项所述的超声空化喷丸装置的喷丸方法，其特征在于，包括：

将托盘(5)放置在空化箱(1-11)的液体中；

启动超声空化发生组件(3)，使所述液体中产生空化泡；

调节升降机构(2)，改变所述超声空化发生组件(3)在所述液体中的位置；

启动超声空化喷丸聚焦组件(6)，搅动所述液体，使所述液体中产生漩涡，对所述液体中的空化泡进行聚集。

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