一種用于軸類零件空化射流強化的裝置及方法與流程

本發明涉及軸類零件空化的裝置及方法，尤其涉及一種用于軸類零件空化射流強化的裝置及方法。

背景技術：

空化現象是流體動力學中一種特殊現象，是水力機械領域長期存在的問題。當液體內局部壓力降低至飽和蒸汽壓甚至負值時，液體內部和固液的交界上會形成一個空穴，通常稱這種現象叫空化。隨著研究領域的不斷拓展和深入，在水泵和水輪機相繼發現了由于空化而引起的空蝕的現象，在高壩的泄水建筑物中也出現了空蝕破壞。對于如何合理利用空化現象來為社會生產服務，一直是科研工作者所關注的問題。

軸作為旋轉機構上的核心部件，使用范圍十分廣泛。軸是整個旋轉機構中受力最大和最為復雜的部件，軸的穩定性直接決定整個系統的穩定性。然而，由于長期承受扭矩負荷以及軸承的擠壓與摩擦，軸類零件最主要的破壞表現為磨損、塑性變形、疲勞斷裂，嚴重時甚至出現直接扭斷的情形，嚴重威脅機組安全。因此，對軸類零件的表面進行強化處理，提高其耐磨性能以及疲勞壽命具有深遠的意義。

空化射流強化是一種利用空泡潰滅時產生的高能量密度沖擊波對材料進行表面強化處理的方法，該方法通過高壓水射流配合特殊結構的噴嘴誘導產生空化空泡，空泡在材料表面發生潰滅并產生微射流和沖擊波，使材料表面晶體結構發生變化并產生較大的殘余應力。此方法與激光空化強化法相比的優勢在于無需引入外部能量來誘導空化的發生，而相對傳統噴丸處理方法具有高效、清潔和節能等優點。然而，現有技術中并沒有應用空化射流強化來對材料進行表面強化處理的裝置。

技術實現要素：

針對現有技術中存在不足，本發明提供了一種用于軸類零件空化射流強化的裝置及方法，通過噴嘴產生空泡，將攜帶空泡的射流直接作用在軸類零件的表面上進行表面強化，能對軸類金屬材料表面進行不同強度的空泡沖擊波強化。

本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。

一種用于軸類零件空化射流強化的裝置，包括工件加工系統、高壓供水系統、低壓供水系統、蓄水池和噴嘴裝置；

所述工件加工系統包括驅動裝置和加工池，所述驅動裝置與二維導軌滑動連接，驅動裝置上設有三爪卡盤和三爪卡盤控制手柄，所述三爪卡盤用于夾緊和定位與試件軸；

所述噴嘴裝置為t形結構，噴嘴裝置的中心軸線上設有通孔，通孔外側設有環形流道，噴嘴裝置的上端設有兩側關于通孔對稱的高壓水孔，所述高壓水孔與環形流道相通；

所述噴嘴裝置水平放置，試件軸穿過通孔，通孔與二維導軌保持平行，通孔的兩端分別為前噴嘴和后噴嘴，前噴嘴和后噴嘴與試件軸之間均設有口環，噴嘴裝置的內壁上設有多個收縮流道層，所述收縮流道層上設有沿圓周均勻分布的多個收縮流道，所述收縮流道的進水口切向夾角α大于出水口切向夾角β，收縮流道與環形流道及通孔相通；

所述加工池位于噴嘴裝置的下方，加工池與蓄水池通過管路連接；

所述高壓供水系統給高壓水孔供水，所述低壓供水系統給噴嘴裝置上的通孔供水。

優選地，所述高壓供水系統包括高壓柱塞泵，高壓柱塞泵的出水口通過管路分別與高壓水孔和蓄水池連接；所述低壓供水系統包括離心泵，離心泵通過管路分別與噴嘴裝置上的后噴嘴和蓄水池連接。

優選地，所述高壓柱塞泵的出水口與蓄水池的連接管路上安裝有泄壓閥。

優選地，所述高壓柱塞泵與高壓水孔連接處設有壓力表。

優選地，所述收縮流道的進水口切向夾角α為30°～40°、出水口切向夾角β為20°～30°，所述收縮流道的圓周包角γ為40°～45°，所述收縮流道內外圓周的徑向壁厚是噴嘴裝置外壁的壁厚的0.1～0.5倍，所述收縮流道層沿噴嘴裝置軸向等距均勻分布，所述噴嘴裝置上含有收縮流道層的試件軸向長度是通孔軸向長度的0.4～0.8倍。

一種使用上述用于軸類零件空化射流強化的裝置的方法，包含以下步驟：

步驟一：對試件軸進行預處理。用無水乙醇或丙酮清洗試件軸表面，除去試件軸表面的油污和灰層，使試件軸表面更光潔，防止對空化射流強化過程產生干擾；

步驟二：試件軸的夾緊定位。用三爪卡盤將預處理過的試件軸夾緊，使試件軸穿過噴嘴裝置的通孔，并與噴嘴裝置同軸。

步驟三：啟動低壓供水系統中的離心泵，向通孔中注入低壓水，使得試件軸的強化段淹沒在低壓水中；

步驟四：啟動高壓柱塞泵，將蓄水水池中的水輸入到高壓水孔，監測壓力表的壓力值，當壓力過高時調節泄壓閥；

步驟五：啟動驅動裝置，驅動試件軸同時進行圓周運動和勻速軸向進給運動，保證表面強化的均勻性和可靠性。

步驟六：關閉所有裝置，將經過處理的試件軸取下，干燥處理之后在試件軸表面涂上防銹保護層。

本發明的有益效果：

1)本發明利用噴嘴裝置的收縮流道產生空化泡，利用空化泡潰滅時產生局部超高壓及高強度沖擊波強化軸類零件的表面，相對傳統噴丸處理方法具有高效、清潔和節能等優點，而相比激光空化強化本發明避免引入外部能量以達到產生空化效果，同時整個裝置系統結構簡單，有利于長軸類零件的快速強化；

2)空泡沖擊波強化軸類零件比傳統噴丸強化效果更加明顯，壁面的殘余壓應力、疲勞壽命明顯得到延長，軸的耐磨性得到加強。

附圖說明

圖1為本發明所述一種用于軸類零件空化射流強化裝置的結構示意圖。

圖2為本發明所述噴嘴裝置的軸向剖面示意圖。

圖3為本發明所述噴嘴裝置上的收縮流道層示意圖。

其中：

1.高壓柱塞泵；2.驅動裝置；3.加工池；4.噴嘴裝置；5.試件軸；6.蓄水水池；7.壓力表；8.泄壓閥；9.離心泵，10.口環；11.二維導軌；12.三爪卡盤；13.高壓水孔；14.收縮流道；15.通孔；16.環形流道。

具體實施方式

下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護范圍并不限于此。

如圖1所示，本發明所述的一種用于軸類零件空化射流強化的裝置，包括工件加工系統、高壓供水系統、低壓供水系統、蓄水池6和噴嘴裝置4，所述工件加工系統包括驅動裝置2和加工池3，所述驅動裝置2上設有三爪卡盤12和三爪卡盤控制手柄，所述三爪卡盤12用于夾緊和定位與試件軸5，驅動裝置2與二維導軌11滑動連接，所述二維導軌11和驅動裝置2可以實現試件軸5同時進行進給運動和旋轉運動。

所述噴嘴裝置4為t形結構，噴嘴裝置4的中心軸線上設有通孔15，通孔15外側設有環形流道16，噴嘴裝置4的上端設有兩側關于通孔15對稱的高壓水孔13，所述高壓水孔13與環形流道16相通。

噴嘴裝置4置于支架上，使得通孔15與二維導軌11保持平行，試件軸5穿過通孔15，通孔15的兩端分別為前噴嘴和后噴嘴，前噴嘴和后噴嘴與試件軸5之間均設有口環10，所述口環10能夠密封住前后噴嘴與軸5之間的一部分空隙。

噴嘴裝置4的內壁上設有多個收縮流道層，所述收縮流道層上設有沿圓周均勻分布的多個收縮流道14，所述收縮流道14與環形流道16及通孔15相通。所述收縮流道14的進水口切向夾角α為30°～40°，出水口切向夾角β為20°～30°，所述收縮流道14的圓周包角γ為40°～45°，所述收縮流道14內外圓周的徑向壁厚是噴嘴裝置4外壁的壁厚的0.1～0.5倍，所述收縮流道層沿噴嘴裝置4軸線等距均勻分布，所述噴嘴裝置4上含有流道的軸向長度是通孔15軸向長度的0.4～0.8倍。

所述加工池3位于噴嘴裝置4的下方用于收集噴嘴裝置4上的前后噴嘴處流出的水，加工池3與蓄水池6連接。所述高壓供水系統包括高壓柱塞泵1，高壓柱塞泵1的出水口通過管路分別與高壓水孔13和與蓄水池6的連接，高壓柱塞泵1與高壓水孔13的連接管路上設有泄壓閥8，用于防止高壓水的壓力過高，保證裝置的安全可靠。高壓柱塞泵1與高壓水孔13的連接處安裝有壓力表7，所述壓力表7用于監測噴嘴的進口壓力。

所述低壓供水系統包括離心泵9，離心泵9通過管路分別與噴嘴裝置4上的后噴嘴和蓄水池6連接。

使用本發明所述用于試件軸類零件空化射流強化的裝置的方法，包含以下步驟：

步驟一：對試件軸5進行預處理。用無水乙醇或丙酮清洗試件軸5表面，除去試件試件軸5表面的油污和灰層，使試件軸5表面更光潔，防止對空化射流強化過程產生干擾；

步驟二：試件軸5的夾緊定位。用三爪卡盤12將預處理過的試件軸5夾緊，使試件軸5穿過噴嘴裝置4的通孔5，并與噴嘴裝置4同軸。

步驟三：啟動低壓供水系統中的離心泵9，向通孔5中注入低壓水，使得試件軸5的強化段淹沒在低壓水中；

步驟四：啟動高壓柱塞泵1，將蓄水水池6中的水輸入到高壓水孔13，監測壓力表7的壓力值，當壓力過高時調節泄壓閥8；

步驟五：啟動驅動裝置2，驅動試件軸5同時進行圓周運動和勻速軸向進給運動，保證表面強化的均勻性和可靠性。

步驟六：關閉所有裝置，將經過處理的試件軸5取下，干燥處理之后在試件軸5表面涂上防銹保護層。

所述實施例為本發明的優選的實施方式，但本發明并不限于上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發明的保護范圍。