一种超声振动辅助磨料水射流喷丸强化装置的制作方法

1.本发明涉及一种中小型金属零件表面强化装置，属于磨料水射流技术领域。本发明将超声振动能量引入磨料水射流喷丸强化，能够降低强化表面粗糙度，提高强化效率，改善微观组织结构和残余应力。


背景技术：

2.磨料水射流喷丸是一种柔性冷态金属材料工件表面处理工艺，以高压水作为加速介质，将硬质钝圆磨料粒子作为喷丸粒加速冲击工件表面，引起材料弹塑性变形并引入残余压应力场，从而提高疲劳抗性。相较于普通喷丸，高压水介质可以在工件表面形成液膜减少摩擦，带走热量；还可以提高喷丸聚束性和面形适应性，防止喷丸飞溅以便于回收循环使用和减少污染，符合绿色制造要求。
3.在磨料水射流喷丸强化过程中，丸粒冲击引入表面残余压应力的同时，又会引起表面粗糙度增大，导致局部应力集中，同时会造成少量表面微损伤。因此，如何减少这些不利因素对工件疲劳性能的负面影响，是改善强化效果的重要问题。超声振动辅助加工技术已经广泛应用于工业领域，在加工工具或工件上施加超声振动后，射流在工件表面的冲击流场、材料的变形行为和受力状况均发生显著改变。通过在工件上施加切向超声振动，可以引入附加剪切力消除工件表面凸峰，降低表面粗糙度；还可以降低磨料水射流在工件表面冲击区造成的止滞效应，提高磨料粒子实际冲击动能；另外还可以在工件中产生表面波增强塑性应变，细化表面微观组织结构，提高残余应力，改善强化效果。目前尚未发现利用超声振动来改善磨料水射流喷丸强化效果的装置和工艺设备。


技术实现要素：

4.针对磨料水射流喷丸加工存在的问题，本发明提出了一种超声振动辅助磨料水射流喷丸强化装置，能够降低强化表面粗糙度，提高强化效率，改善微观组织结构和残余应力，适用于中小型金属零件表面强化处理。
5.本发明为达到上述目的采取的技术方案为：一种超声振动辅助磨料水射流喷丸强化装置，包括超声振动工作台、超声发生器、水射流发生装置、磨料供给装置、运动机构和回收水槽。
6.所述超声振动工作台主要包括换能器、变幅杆、前端夹具和支架，超声发生器与换能器连接，换能器与变幅杆通过螺纹连接，变幅杆前端安装夹具，换能器和变幅杆安装在支架上。
7.进一步地，所述超声发生器将工频交流电信号转化为超声频信号并进行信号放大，传输给柱形夹心式压电陶瓷换能器，换能器将电信号转换为机械振动；然后通过变幅杆将换能器输出端振幅放大，变幅杆长度为1倍半波长，主体形状为圆锥形；最后经由夹具将振动传递给工件。
8.进一步地，变幅杆与换能器通过螺纹连接，接触表面进行研磨加工保证精度，并需
要涂上硅油减少超声波传递过程中的能量损失。变幅杆位移节面位置加工出法兰盘，连同换能器一起固定在支架上。通过超声发生器自带电路模块可以实现频率自动跟踪补偿和分档调整输出功率。
9.所述水射流发生装置主要包括过滤器、增压器、蓄能器和喷嘴，过滤器安装在增压器进水口处，增压器出水口通过输水管道连接蓄能器，蓄能器出水口和喷嘴之间通过输水管道连接。
10.进一步地，增压器负责提供稳定水压，最高压力为200 mpa，工作时压力可在0~70 mpa范围内调节。增压器流出的压力水进入蓄能器进一步稳压，然后输送至喷嘴。
11.进一步地，与喷嘴相连的管路中安装有压力传感器，当水射流压力出现波动时，可以通过压力表监测从而调整增压器压力。
[0012] 所述磨料供给装置主要包括气源、调压阀和磨料仓，气源产生0.1 mpa~0.5 mpa的气体压力，通过输气管道将气体送入磨料仓下方，使得料仓中磨料发生流化。气体压力可通过调压阀调整。料仓上方磨料出口与喷嘴磨料入口相连，利用通水时磨料入口处的负压吸入流化磨料，从而实现磨料与高速水流的混合，形成磨料水射流。
[0013] 所述运动机构包括横向溜板、垂直溜板、水平溜板、立柱、横梁和底座。横向溜板安装在横梁上，实现y方向运动；垂直溜板及其导轨安装在横向溜板上，实现z方向运动；水平溜板安装在底座上，实现x方向运动。x、y、z三个方向运动均采用步进电机驱动，可以实现三坐标联动，最大行程分别为150 mm, 150 mm 和 700 mm，运动精度为0.02 mm。
[0014]
进一步地，喷嘴安装在垂直溜板上，可绕x轴进行0
‑
90
°
的角度调整，以改变磨料水射流冲击角度；超声振动工作台安装在水平溜板上。底座下方装有水槽，用于回收磨料和水。
[0015]
本发明具有如下有益效果：1. 超声振动工作台施加给工件的切向振动有利于表面凸峰在磨料水射流冲击过程中平整化，从而降低粗糙度。粗糙度降低会减少工件表面应力集中，有效抑制微裂纹产生，提高工件抗疲劳性能。
[0016]
2. 由于振动造成的剪切作用，工件表面的水射流冲击区止滞压力降低，磨料粒子因为受到止滞效应而消耗的能量减少，因此强化效率会有所提高。
[0017]
3. 超声振动产生的表面波与磨料粒子造成的冲击波协同作用，使工件表面塑性应变增强，可以进一步提高残余压应力，改善喷丸强化效果。
附图说明
[0018]
图1为本发明所述超声振动辅助磨料水射流喷丸强化装置的结构示意图，图2为超声振动工作台示意图。
[0019]
图中，1
‑
超声发生器，2
‑
换能器，2a
‑
换能器接线端，2b
‑
夹心式压电陶瓷片，3
‑
变幅杆，3a
‑
安装法兰，4
‑
工作台支架，5
‑
前端夹具，6
‑
水源，7
‑
过滤器，8
‑
增压器，9
‑
蓄能器，10
‑
压力表，11
‑
喷嘴，12
‑
气源，13
‑
调压阀，14
‑
磨料仓，15
‑
转盘，16
‑
垂直溜板，17
‑
横向溜板，18
‑
水平溜板，19
‑
回收水槽。
具体实施方式
[0020]
结合附图说明本发明具体实施方式。本发明提供实施例中的超声振动辅助磨料水射流喷丸强化装置，包括超声振动工作台、超声发生器1、水射流发生装置、磨料供给装置、运动机构和回收水槽19。超声振动工作台前端夹具5设置在水射流发生装置喷嘴下方，喷嘴11安装在运动机构垂直溜板16上。所述超声振动工作台安装在运动机构水平方向溜板18上，所述运动机构整体设置于回收水槽19上方。
[0021]
所述超声振动工作台主要包括换能器2、变幅杆3、前端夹具5和支架4，所述超声发生器1与换能器接线端2a连接，将高频电信号传递给压电陶瓷片2b，换能器2与变幅杆3通过螺纹连接，变幅杆3前端安装夹具5，变幅杆位移节面位置加工出法兰盘3a，连同换能器一起固定在支架4上。通过超声发生器1自带电路模块可以实现频率自动跟踪补偿和分档调整输出功率。
[0022]
所述水射流发生装置主要包括水源6、过滤器7、增压器8、蓄能器9、压力表10和喷嘴11，过滤器7安装在增压器8进水口处，增压器8出水口通过输水管道连接蓄能器9，蓄能器出水口和喷嘴11之间通过输水管道连接。所述增压器8流出的压力水进入蓄能器9进一步稳压，然后输送至喷嘴11。与喷嘴相连的管路中安装有压力传感器，当水射流压力出现波动时，可以通过压力表10监测从而调整增压器压力。
[0023]
所述磨料供给装置主要包括气源12、调压阀13和磨料仓14，气源12通过输气管道将气体送入磨料仓14下方，气体压力可通过调压阀13调整，使得料仓中磨料发生流化，料仓上方磨料出口与喷嘴11磨料入口相连，利用通水时磨料入口处的负压吸入流化磨料。
[0024]
所述运动机构包括横向溜板17、垂直溜板16、水平溜板18、立柱、横梁和底座。横向溜板17安装在横梁上，实现y方向运动；垂直溜板16及其导轨安装在横向溜板17上，实现z方向运动；水平溜板18安装在底座上，实现x方向运动。所述喷嘴11安装在垂直溜板16上，可通过转盘15绕x轴进行0
‑
90
°
的角度调整，以改变磨料水射流冲击角度；所述超声振动工作台安装在水平溜板18上。底座下方装有水槽19，用于回收磨料和水。
[0025]
开始工作前，将工件安装在超声振动工作台前端夹具5上，通过运动机构调整喷嘴11初始位置使之对准待强化工件并保证所需射流靶距。工作时，开启超声发生器1将工频交流电信号转化为超声频信号并进行信号放大，传输给柱形夹心式压电陶瓷换能器2，换能器2将电信号转换为机械振动，然后通过变幅杆3将换能器输出端振幅放大，最后经由夹具5将振动传递给工件。从水射流发生装置中的水箱6将水输送至增压泵8前端的过滤器7，滤清后送入增压泵8进行增压，再经过蓄能器9进一步消除脉动稳压，然后通过输水管道送入喷嘴11，形成高速水射流。磨料供给装置中气源12通过输气管道将压力气体送入磨料仓14下方，使得料仓14中磨料发生流化，从上方磨料出口送出，再通过管道送入喷嘴11磨料入口，与高速水射流混合形成磨料水射流喷出，最终实现超声振动辅助磨料水射流喷丸强化工件。在实际工作过程中，通过控制步进电机对x、y、z方向溜板进行无级调控，实现三个方向进给运动，带动安装在垂直溜板16上的喷嘴11调整喷射位置，还可通过转盘15调整喷嘴喷射角度。通过超声发生器1可以实现频率自动跟踪补偿和分档调整输出功率。冲击过后的磨料和水落入回收水槽19中，在加工完成后进行过滤、干燥等回收处理。