CN116852275A - 一种盲孔类零件强化喷丸的喷枪及其喷丸方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种盲孔类零件强化喷丸的喷枪，包括矛枪、喷头、第一流量阀、旁路连接管、第二流量阀；所述矛枪为中空筒状结构；所述矛枪的下端头和喷头固定连接；所述矛枪的上端头连接丸粒输送装置；且矛枪的上端头处设置第一流量阀；所述矛枪的侧壁上设置旁路连接管；所述旁路连接管与丸粒回收装置连接；所述旁路连接管上设置第二流量阀。本发明还公开了利用上述述喷枪对盲孔类零件强化喷丸的方法。本发明通过控制喷丸喷口流量和盲孔内丸粒积累量之间的关系，从而保证盲孔类零件内壁强化喷丸工作的正常实施和喷丸强度的稳定性。

Description

一种盲孔类零件强化喷丸的喷枪及其喷丸方法
技术领域
本发明属于盲孔类零件内壁强化喷丸领域，尤其是涉及一种盲孔类零件强化喷丸的喷枪及其喷丸方法。
背景技术
喷丸是在高速运动的弹丸流喷射材料表面，反复击打使材料表层发生明显的塑性变形。最终在材料表面造成一层硬化层，可有效提高零部件疲劳寿命和应力腐蚀抗力。
喷丸设备、弹丸介质以及喷丸工艺参数，通过三者恰当搭配，才能实现最佳的强化效果。
针对盲孔类零件内壁进行喷丸时，由于盲孔的限制，导致丸粒不能快速清除，入射丸粒和反射丸粒相互干扰，导致喷丸效率降低。入射的丸流以一定的角度打在空间内壁，然后要预留出反射丸流的空间，使入射流和反射流的干扰要尽量小，喷头到零件喷丸面要有一定的距离，一般在几厘米至十几厘米量级，反射的丸粒与入射丸粒的干扰才更小，动能才能高效，提高喷丸效率。
如果喷丸强化时，零件盲孔底部在上布置，丸粒需要向上喷射，为避免反射流对入射流产生影响，入射流就要有一定的角度。如果盲孔底部在下布置，丸粒是向下喷射，丸粒会很快充满零件内腔，导致喷丸有效时间的缩短。
同时受零件内径的限制，导致喷头直径不能做的很大，从而限制了喷丸效果。对于直径小于30mm的盲孔零件，高效率的喷丸更是一个值得研究的课题。
中国专利申请201710941813.4，名称为“一种喷丸强化大长径比盲孔的喷枪和强化方法”公开了一种适用于喷丸强化航空零件大长径比盲孔的喷枪和强化方法。本发明的喷枪包括内管、外管、枪头、外筒、斜管和连接筒。该专利申请技术的强化步骤是：安装喷枪；喷丸强化。并具体提出了一种适用于喷丸强化航空零件大长径比盲孔的喷枪和强化方法，解决了航空零件大长径比盲孔喷丸易遭弹丸堵塞的难题，满足了航空零件消除疲劳应力集中、提高抗疲劳性能的需要。该技术的缺陷在于：虽然喷头布置有两个管路，一路进行喷丸，另一路利用负压对丸粒进行回收的喷头出现，但受布置限制，丸粒与零件内壁距离过近，只有几到十几毫米，动能传递低，导致喷丸强度低。同时两套管路布置在一个喷头内，更加限制了喷头的直径，有效喷头直径减半，导致此种喷头无法做的更细。同时有效喷头直径减半，丸粒流量减低四分之三，大幅降低了喷丸效率。
鉴于此，急需寻求一种盲孔类零件强化喷丸的喷枪及其喷丸方法。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种盲孔类零件强化喷丸的喷枪；本发明通过控制喷丸喷口流量和盲孔内丸粒积累量之间的关系，从而保证盲孔类零件内壁强化喷丸工作的正常实施和喷丸强度的稳定性。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种利用上述喷枪对盲孔类零件强化喷丸的方法。
为解决上述第一个技术问题，发明采用如下的技术方案：
一种盲孔类零件强化喷丸的喷枪，包括：
矛枪、喷头、第一流量阀、旁路连接管、第二流量阀；
所述矛枪为中空筒状结构；
所述矛枪的下端头和喷头固定连接；
所述矛枪的上端头连接丸粒输送装置；且矛枪的上端头处设置第一流量阀；
所述矛枪的侧壁上设置旁路连接管；且旁路连接管与丸粒回收装置连接；
所述旁路连接管上设置第二流量阀。
为解决上述第二个技术问题，发明采用如下的技术方案：
利用上述喷枪对盲孔类零件强化喷丸的方法，包括以下步骤：
1)打开第一流量阀，关闭第二流量阀，开始正常的强化喷丸工作；
2)待盲孔内堆积的丸粒过多时，影响到强化喷丸效果时，记录当前喷头位置A，关闭第一流量阀，打开第二流量阀，同时控制矛枪的喷头逐步向零件盲孔端移动，通过来自旁路连接管的负压，将盲孔内的丸粒吸出，传送到丸粒回收装置中；
3)待盲孔内影响下一步强化喷丸的丸粒吸出后，关闭第二流量阀；将矛枪的喷头移动至清理丸粒之前的位置A，打开第一流量阀，继续进行强化喷丸工作；
4)交替进行步骤2)和步骤3)，直至盲孔内的喷丸工作全部完成。
作为一种实施方式，步骤2)的具体步骤为：设定盲孔零件待喷丸区域为圆柱体，内径为D；根据喷丸丸粒流量为Q喷、内径D、丸粒密度ρ、喷头移动速度V移和喷丸时间t喷计算出零件内腔的丸粒堆积高度H堆和丸粒堆积速度V堆；计算公式如下：
H堆＝Q喷*4/(π*D2)；
V堆＝H堆/t喷；
设喷头距盲孔底部距离为H底；
如果H底≥H堆+L工,说明丸粒堆积的位置未影响到喷头与待喷丸面的工作距离L工，进行喷丸工作；
如果H底<H堆+L工，说明丸粒堆积的位置影响到喷头与待喷丸面的工作距离L工，则需要进行丸粒清理工作。
作为一种实施方式，步骤2)中，清理丸粒时，喷头需要从现在位置A移动到H堆所在位置B，设所需时间为t降；开然后始清理工作，清理完毕后喷头需要回到位置A，设所需时间为t升；
根据丸粒回收量Q回、丸粒回收流量V回及t降、t升可得到第二流量阀打开的工作时间t2为：
t2＝Q回/V回+t降+t升
根据位置A距盲孔底部距离H底，喷头与喷丸面的工作距离L工、和丸粒堆积速度V堆和喷头移动速度V移，可以计算出下次喷丸允许工作时间t1；
t1＝(H底-L工)/(V堆-V移)。
作为一种实施方式，步骤2)中，如果最开始是从盲孔位置开始喷丸，因为丸粒堆积速度V堆>喷头移动速度V喷，导致无法保证喷头与喷丸面的工作距离L工，此时可以根据喷丸需求，设定一个喷头与喷丸面的最小的工作距离L工min，这样L工与L工min之间有一定的距离作为H堆的缓冲，执行上述喷丸和清理的操作；
如果L工与L工min之间的距离不足以缓冲，或者导致喷丸和丸粒清理时间过短或电磁阀一和电磁阀二开关频率过高，导致工艺性难以实现或经济性差，则距离盲孔L工距离内的强化需要采用其他工艺或喷丸方案来进行；比如将零件盲孔向下布置，丸粒向上进行喷丸等等；
待H底≥L工时，可以按L工距离开始正常喷丸。
作为一种实施方式，所述第一流量阀和第二流量阀的开关可以手动控制，也可由计算机自动控制，且所述第一流量阀和第二流量阀采用电磁流量阀。
上述描述是按喷头向下、盲孔向上，丸粒堆积最快的情况来分析的。
本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。
如无特殊说明，本发明中的各原料均可通过市售购买获得，本发明中所用的设备可采用所属领域中的常规设备或参照所属领域的现有技术进行。
与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：
1)本发明通过控制喷丸喷口流量和盲孔内丸粒积累量之间的关系，从而保证盲孔类零件内壁强化喷丸工作的正常实施和喷丸强度的稳定性；
2)本方明可用于常规的气动喷丸，也可用于湿式喷丸；
3)本发明对现有的喷头和矛枪不需要进行改造，因此可以保证矛枪、喷头及喷丸工艺的技术先进性；
4)本发明是对现有盲孔喷丸强化方式的一种补充；
5)本发明在普通喷枪的基础上同时增加2个流量阀和旁路的丸粒清理回收回路，系统成本低，操作简单，安全性高；可以应用于各类盲孔零部件、空心件，管件上；
6)本发明对丸粒无特殊要求；可以保证喷丸强度的稳定性；对矛枪或喷头亦无特殊要求，适用于细内径的盲孔零件内壁喷丸，对采用微型矛枪的盲孔类零件内壁强化喷丸的效果更佳。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明
图1为本发明喷枪结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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该特征。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。
作为本发明的一个方面，参见图1所示，本发明提供一种盲孔类零件强化喷丸的喷枪，包括：
矛枪1、喷头2、第一流量阀3、旁路连接管4、第二流量阀5；
所述矛枪1为中空筒状结构；
所述矛枪1的下端头和喷头2固定连接；
所述矛枪1的上端头连接丸粒6输送装置(图中未示出)；且矛枪1的上端头处设置第一流量阀3；
所述矛枪1的侧壁上设有旁路连接管4；且旁路连接管4与丸粒回收装置(图中未示出)连接；
所述旁路连接管4上设有第二流量阀5。
作为本发明的另一个方面，本发明利用上述喷枪进行盲孔类零件强化喷丸方法，包括以下步骤：
1)打开第一流量阀，关闭第二流量阀，开始正常的强化喷丸工作；
2)待盲孔内堆积的丸粒过多时，影响到强化喷丸效果时，记录当前喷头位置A，关闭第一流量阀，打开第二流量阀，同时控制矛枪的喷头逐步向零件盲孔端移动，通过来自旁路连接管的负压，将盲孔内的丸粒吸出，传送到丸粒回收装置中；
3)待盲孔内影响下一步强化喷丸的丸粒吸出后，关闭第二流量阀；将矛枪的喷头移动至清理丸粒之前的位置A，打开第一流量阀，继续进行强化喷丸工作；
4)交替进行步骤2)和步骤3)，直至盲孔内的喷丸工作全部完成。
将矛枪的喷头移动至清理丸粒之前的位置A，关闭第二流量阀，打开第一流量阀，继续进行强化喷丸工作；
4)交替进行步骤2)和步骤3)，直至盲孔内的喷丸工作全部完成。
在某些实施例中，步骤2)的具体步骤为：设定盲孔零件待喷丸区域为圆柱体，内径为D；根据喷丸丸粒流量为Q喷、内径D、丸粒密度ρ、喷头移动速度V移和喷丸时间t喷计算出零件内腔的丸粒堆积高度H堆和丸粒堆积速度V堆；计算公式如下：
H堆＝Q喷*4/(π*D2)；
V堆＝H堆/t喷；
设喷头距盲孔底部距离为H底；
如果H底≥H堆+L工,说明丸粒堆积的位置未影响到喷头与待喷丸面的工作距离L工，进行喷丸工作；
如果H底<H堆+L工，说明丸粒堆积的位置影响到喷头与待喷丸面的工作距离L工，则需要进行丸粒清理工作。
在某些实施例中，步骤2)中，清理丸粒时，喷头需要从现在位置A移动到H堆所在位置B，设所需时间为t降；开然后始清理工作，清理完毕后喷头需要回到位置A，设所需时间为t升；
根据丸粒回收量Q回、丸粒回收流量V回及t降、t升可得到第二流量阀打开的工作时间t2为：
t2＝Q回/V回+t降+t升
根据位置B距盲孔底部距离H底、喷头与喷丸面的工作距离L工，和丸粒堆积速度V堆可以计算出下次喷丸允许工作时间t1；
t1＝(H底-L工)/(V堆-V移)。
在某些实施例中，，步骤2)中，如果最开始是从盲孔位置开始喷丸，因为丸粒堆积速度V堆>喷头移动速度V喷，导致无法保证喷头与喷丸面的工作距离L工，此时可以根据喷丸需求，设定一个喷头与喷丸面的最小的工作距离L工min，这样L工与L工min之间有一定的距离作为H堆的缓冲，执行上述喷丸和清理的操作；
如果L工与L工min之间的距离不足以缓冲，或者导致喷丸和丸粒清理时间过短或电磁阀一和电磁阀二开关频率过高，导致工艺性难以实现或经济性差，则距离盲孔L工距离内的强化需要采用其他工艺或喷丸方案来进行；比如将零件盲孔向下布置，丸粒向上进行喷丸等等；
待H底≥L工时，可以按L工距离开始正常喷丸。
在某些实施例中，所述第一流量阀和第二流量阀的开关可以手动控制，也可由计算机自动控制，且所述第一流量阀和第二流量阀采用电磁流量阀。
上述描述是按喷头向下、盲孔向上，丸粒堆积最快的情况来分析的。
由于不同材料的丸粒密度不同，不同强化工艺要求的丸粒流量不同，以及零件内径直径的不同，导致丸粒在零件内腔中累积的速率均不同。常用的丸粒材质有钢丸、不锈钢丸、铝丸等，还有锌丸、陶瓷丸、玻璃丸、尼龙丸等；钢丸、不锈钢丸密度约7.8kg/cm3，，铝丸密度约2.7kg/cm3，玻璃丸密度约2.5kg/cm3，陶瓷丸密度密度在2.4-2.9kg/cm3，尼龙丸密度在1.04-1.36kg/cm3。
以盲孔零件喷丸布置时，盲孔在最下面，喷头垂直向下喷丸为例，下表1、表2、表3是采用钢丸、铝丸和尼龙丸，在不同喷丸丸粒流量和不同零件内径下，丸粒在零件内部累积的速率V丸。如果工作时喷头移动的速率V喷要大于等于丸粒的累积速率V丸，喷丸可以保证不间断的进行。但绝大部分情况下，喷头移动的速率V喷都小于丸粒的累积速率V丸，所以要喷丸和丸粒清除交替进行，初期交替进行的频率会比较高，但随着喷丸过程的进行，喷头与盲孔底部距离H底会越来越大，交替进行的频率会大幅降低。
表1钢丸在零件内部累累积的速率V丸单位：cm/s
表2铝丸在零件内部累累积的速率
单位：cm/s
表3尼龙在零件内部累累积的速率
单位：cm/s
如果零件喷丸时喷头方向是水平或者向下时，丸粒的堆积量会比喷头向下时减少很多，丸粒甚至沿着零件内壁自动下落，但考虑到零件内部结构的复杂性，本发明主要应用于存在丸粒堆积的场景，对丸粒能够完全自动下落排出的不予讨论。
本发明通过控制对盲孔内的丸粒堆积的管理，从而保证喷丸强度的均匀性和强化喷丸强度；由于对现有的喷头不进行改造，可以保证现有喷头的技术先进性和喷丸工艺的先进性；尤其适用于细小孔径的喷丸。目前微型矛枪的外径最小可以做到0.22mm左右，内径可以做到0.12mm左右；本发明可以保证此类喷枪的正常工作。下表4为目前行业里可以实现的微型矛枪的尺寸。
表4微型矛枪尺寸
单位：英寸
矛枪外径 矛枪内径 矛枪长度
0.087 0.048 3.0
1/10 1/16 2.4
1/8 1/16 7.0
3/16 3/32 7.75
1/4 0.149 11.0
3/8 1/4 8.0-11.0
1/2 3/8 11.0
5/8 7/16 7.0,13.0-15.0
本发明结构简单，只对喷丸矛枪部分进行改造，成本低，效果显著，适用于现有的各种喷头和矛枪；本发明可以运用到航空航天、汽车等各种领域中的空心盲孔件，尤其是直径比较细的盲孔件；可以提高零件的强度和性能，降低材料用量，提高零件的使用寿命。
实施例1
利用上述喷枪进行汽车稳定杆强化喷丸方法，包括以下步骤：
以汽车稳定杆为例，按技术要求，采用钢丸进行喷丸，喷丸流量5kg/min，稳定杆内径30mm，喷头口与零件喷丸点距离为200mm，喷丸工艺要求喷头步进速度100mm/min；可以看出稳定杆丸粒累积量为15mm/s，喷头后退速度为1.6mm/s；可以看出喷丸10s后，喷头后退量为16mm，大于丸粒每秒的累积量15mm，手动控制的话，可以采取喷1s，清理一次的间隔，喷丸10次后，喷头后退量为32mm，可以采取喷丸2s，清理一次的间隔；即每喷丸10次增加喷丸时间1s再清理的方式进行喷丸，如此类推，直至喷丸结束。
如果采用计算机控制，可以采用每喷丸清理一次，每次喷丸增加1.6/15＝0.1s喷丸时间，清理一次的时间间隔，直至喷丸结束。
由于开始喷丸时，喷头离工作面的距离随着喷丸时间的增加而减小，无法保证低喷头口与零件喷丸点距离为200mm，可以根据工艺要求，设定一个最小的工作距离，如本例设为150mm；则手动控制时可以每喷丸15/(200-150)＝0.3s，清理一次丸粒；喷丸10次后可改为如上所述的每1s清理一次；如此交替，直至喷丸结束。
若由计算机控制，则首次至第10次喷丸，可每喷丸0.3s清理一次，第11次开始每次增加0.1s喷丸强化时间，再清理1次；如此交替，直至喷丸结束。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种盲孔类零件强化喷丸的喷枪，其特征在于，包括：
矛枪、喷头、第一流量阀、旁路连接管、第二流量阀；
所述矛枪为中空筒状结构；
所述矛枪的下端头和喷头固定连接；
所述矛枪的上端头连接丸粒输送装置；且矛枪的上端头处设置第一流量阀；
所述矛枪的侧壁上设置旁路连接管；且旁路连接管与丸粒回收装置连接；
所述旁路连接管上设置第二流量阀。
2.利用权利要求1所述喷枪对盲孔类零件强化喷丸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)打开第一流量阀，关闭第二流量阀，开始正常的强化喷丸工作；
2)待盲孔内堆积的丸粒过多时，影响到强化喷丸效果时，记录当前喷头位置A，关闭第一流量阀，打开第二流量阀，同时控制矛枪的喷头逐步向零件盲孔端移动，通过来自旁路连接管的负压，将盲孔内的丸粒吸出，传送到丸粒回收装置中；
3)待盲孔内影响下一步强化喷丸的丸粒吸出后，关闭第二流量阀；，将矛枪的喷头移动至清理丸粒之前的位置A,打开第一流量阀，继续进行强化喷丸工作；
4)交替进行步骤2)和步骤3)，直至盲孔内的喷丸工作全部完成。
3.根据权利要求2所述对盲孔类零件强化喷丸的方法，其特征在于：步骤2)的具体步骤为：设定盲孔零件待喷丸区域为圆柱体，内径为D；根据喷丸丸粒流量为Q喷、内径D、丸粒密度ρ、喷头移动速度V移和喷丸时间t喷，计算出零件内腔的丸粒堆积高度H堆和丸粒堆积速度V堆；计算公式如下：
H堆＝Q喷*4/(π*D2)；
V堆＝H堆/t喷；
设喷头距盲孔底部距离为H底；
如果H底≥H堆+L工,说明丸粒堆积的位置未影响到喷头与待喷丸面的工作距离L工，进行喷丸工作；
如果H底<H堆+L工，说明丸粒堆积的位置影响到喷头与待喷丸面的工作距离L工，则需要进行丸粒清理工作。
4.根据权利要求3所述对盲孔类零件强化喷丸的方法，其特征在于：步骤2)中，清理丸粒时，喷头需要从现在位置A移动到H堆所在位置B，设所需时间为t降；开然后始清理工作，清理完毕后喷头需要回到位置A，设所需时间为t升；
根据丸粒回收量Q回、丸粒回收流量V回及t降、t升可得到第二流量阀打开的工作时间t2为：
t2＝Q回/V回+t降+t升
根据位置A距盲孔底部距离H底，喷头与喷丸面的工作距离L工、和丸粒堆积速度V堆和喷头移动速度V移，计算出下次喷丸允许工作时间t1；
t1＝(H底-L工)/(V堆-V移)。
5.根据权利要求4所述对盲孔类零件强化喷丸的方法，其特征在于：步骤2)中，如果最开始是从盲孔位置开始喷丸，因为丸粒堆积速度V堆>喷头移动速度V喷，导致无法保证喷头与喷丸面的工作距离L工，此时可以根据喷丸需求，设定一个喷头与喷丸面的最小的工作距离L工min，这样L工与L工min之间有一定的距离作为H堆的缓冲，执行上述喷丸和清理的操作；
如果L工与L工min之间的距离不足以缓冲，或者导致喷丸和丸粒清理时间过短或第一流量阀和第二流量阀开关频率过高，导致工艺性难以实现或经济性差，则距离盲孔L工距离内的强化需要采用其他工艺或喷丸方案来进行；比如将零件盲孔向下布置，丸粒向上进行喷丸等等；
待H底≥L工时，可以按L工距离开始正常喷丸。
6.根据权利要求2所述对盲孔类零件强化喷丸的方法，其特征在于：所述第一流量阀和第二流量阀的开关可以手动控制，也可由计算机自动控制，所述第一流量阀和第二流量阀采用电磁流量阀。
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