强度增强的空化喷嘴的制作方法

1.本发明涉及用于空化喷丸的设备，以及强度增强的空化喷嘴。


背景技术：

2.航空航天和相关行业中使用的部件的关键表面的表面完整性增强和光滑对于增加其耐腐蚀性和耐微动疲劳性、改善疲劳寿命并允许使用新的增材制造技术是至关重要的。诸如空化喷丸(cp)和空化研磨表面抛光(casf)的空化工艺可以比先前的表面处理方法更便宜、更安全、更快，并且具有更低的环境影响。可以使用便宜的水和惰性磨料来代替昂贵且潜在危险的喷射介质、化学清洁剂、酸或高功率激光束。
3.空化工艺利用由金属表面上的空化气泡坍塌产生的冲击压力来诱导有益的压缩残余应力和/或激励研磨颗粒以在冲击时去除材料。一种常见的工艺配置包括将经处理的部件浸没在流体贮存器中。另一种配置包括将高速射流包封在低速流体射流中。由于低速流和高速流的同心性，这种配置被称为共流。
4.为了减少处理时间并改善实际应用的工艺能力，空化强度增加的喷嘴将是有益的。


技术实现要素：

5.本公开提供了与空化喷丸相关的系统、设备和方法。在一些示例中，一种用于空化喷丸的装置可以包括流体源、管道和便携式喷嘴组件。所述管道可以包括近端部分和远端部分，所述近端部分连接到所述流体源，所述远端部分连接到所述便携式喷嘴组件。所述便携式喷嘴组件可以包括内喷嘴和外喷嘴，所述内喷嘴被配置为引导第一高压流体流，所述外喷嘴被配置为同心地围绕第一流引导第二低压流体流。所述内喷嘴可以包括空化嵌件，所述空化嵌件具有内通道，所述内通道在横截面面积上具有至少两个减小部。
6.在一些示例中，一种空化喷丸喷嘴可以包括圆柱形管和风琴管空化器，所述风琴管空化器在所述管的远端处，被配置为输送高压流体的空化射流。所述空化器的内通道可以包括近侧区段、中间区段和远侧区段。所述近侧区段可以具有第一内径，所述中间区段可以具有第二内径，并且所述远侧区段可以具有第三内径。所述第一内径可以大于所述第二内径，并且所述第二内径可以大于所述第三内径。
7.在一些示例中，一种空化喷丸喷嘴可以包括圆柱形管和风琴管空化器，所述风琴管空化器在所述管的远端处，被配置为输送高压流体的空化射流。所述空化器的内通道可以包括出口区段，所述出口区段从近侧开口会聚到较小的远侧开口。
8.特征、功能和优点可以在本公开的各种示例中独立地实现，或可以在其他示例中进行组合，参考以下描述和附图可以看到其另外的细节。
附图说明
9.图1是根据本公开的方面的图示性空化喷丸系统的方框图。
10.图2是图示性便携式空化喷丸系统的示意图。
11.图3是根据本公开的方面的图示性共流喷嘴组件的剖视图。
12.图4是图3的喷嘴组件的分解剖视图。
13.图5是在没有空化嵌件的情况下的图3的喷嘴组件的顶端部分的细节剖视图。
14.图6是图3的喷嘴组件的均匀化板的轴向视图。
15.图7是图3的喷嘴组件的定心环的等距视图。
16.图8是图3的喷嘴组件的第一示例性空化嵌件的示意图。
17.图9是图3的喷嘴组件的第二示例性空化嵌件的示意图。
18.图10是图3的喷嘴组件的第三示例性空化嵌件的示意图。
19.图11是图3的喷嘴组件的第四示例性空化嵌件的示意图。
20.图12是图3的空化嵌件的空化嵌件的第一图示性出口的示意性细节视图。
21.图13是图3的空化嵌件的空化嵌件的第二图示性出口的示意性细节视图。
22.图14是图3的空化嵌件的空化嵌件的第三图示性出口的示意性细节视图。
23.图15是描绘根据本教导的用于空化喷丸的图示性方法的步骤的流程图。
具体实施方式
24.在下面描述了并且在相关附图中示出了空化强度增强的空化喷嘴组件以及相关的系统和方法的各个方面和示例。除非另有规定，否则根据本发明教导的喷嘴组件和/或其各个部件可以但并非必需地包含本文中所描述的、示出的和/或包含的结构、部件、功能和/或变型中的至少一个。此外，除非明确排除，否则本文中结合本发明教导所描述的、图示的和/或所包含的过程步骤、结构、部件、功能和/或变型可以被包括在其他类似的装置和方法中，包括在所公开的示例之间可互换。各个示例的以下描述本质上仅仅是图示性的，而绝非意图限制本公开、本公开的应用或用途。另外，如下面描述的示例提供的优点本质上是图示性的，并且不是所有的示例都提供相同的优点或相同程度的优点。
25.该详细描述包括以下小节，如下所示：(1)概述；(2)示例、部件和备选方案；(3)图示性组合和附加示例；(4)优点、特征和益处；和(5)结论。示例、部件和备选方案小节进一步分为a子节和b子节，每个子节被相应地标记。
26.概述
27.通常，强度增强的空化喷嘴可以包括内通道，该内通道具有被配置为改变排出的流体射流的流动动力学的几何结构。例如，内通道可以包括共振腔室，该共振腔室被配置为加强射流中的波动。对于另一个示例，内通道可以具有锥形出口，该锥形出口被配置为增加射流的出口速度。可以选择或调整内通道几何结构(诸如共振腔室长度或锥角)的尺寸，以优化得到的空化强度的增加。内通道几何结构可以增加空化强度，而不需要增加流速。
28.强度增强的空化喷嘴可以是空化喷丸系统中使用的喷嘴组件的一部分。在一些示例中，该系统可以包括液体环境(诸如填充有水的箱)，并且喷嘴可以被配置用于在这种静态水柱中使用。在一些示例中，该系统可以被设计用于在空气环境中的手持或其他使用，并且喷嘴组件可以包括外喷嘴，以引导与由空化喷嘴排出的流体射流同心的外流体射流。这种喷嘴组件可以被称为共流喷嘴或共流喷嘴组件。
29.图1是示例性空化喷丸系统100的方框图，空化喷丸系统100包括称为空化器110的
强度增强的空化喷嘴的示例。空化器也可以称为空化喷嘴和/或空化嵌件。空化器110是喷嘴组件112的一部分。流体源114通过管道116向喷嘴组件供应流体。管道116的近端部分118连接到流体源114，并且管道的远端部分120连接到喷嘴组件112。管道116可以包括高压软管以及任何其他适当的流体和/或电连接。
30.流体源114通过管道116将高压流体输送到喷嘴组件112。流体源可以包括高压流体泵和流体供应装置，例如水箱或与市政供水装置的连接。根据所选择的一种或多种处理方法，流体源还可以包括一个或多个附加的泵和/或流体类型。例如，流体源可以包括被配置用于低压操作的泵，和/或可以包括研磨浆料的供应，用于与共流空化喷嘴一起使用和/或用于研磨表面抛光。
31.来自流体源114的高压流体可以作为空化射流从喷嘴组件112的空化器110分配朝向工件表面和/或到处理区域中。空化射流可以与流体环境相互作用以形成空化气泡。在一些示例中，空化气泡可以激起悬浮在流体环境中的研磨颗粒。由此可以对工件进行喷丸和表面抛光。
32.在一些示例中，喷嘴组件112可以包括外喷嘴122。在这样的示例中，流体源114还可以将低压流体输送到喷嘴组件112，该低压流体可以由外喷嘴122分配以形成用于形成空化气泡的流体环境。在一些示例中，喷嘴组件112可以浸没在流体环境中，诸如填充有水或研磨浆料的箱。
33.任何期望的流体都可以用于空化。水可以是优选的，作为安全且易于使用的便宜流体。所使用的流体的特性(诸如粘度)可以影响空化气泡的坍塌力，并且可以选择流体以改善冲击，或降低期望冲击水平所需的压力。还可以根据所使用的研磨材料的性质和/或为了实现研磨浆料的期望性质来选择流体。
34.空化器110可以包括会聚出口124和共振腔室126中的任一个或两者。在这样的示例中，空化器可以分别被描述为会聚空化器或风琴管空化器。每个强度特征可以改变由空化器110分配的空化射流的流动动力学，从而增加由喷嘴组件112产生的空化的强度。会聚出口124可以通过减小紧邻空化器的出口孔的空化器110的内镗孔的截面的横截面面积来形成。会聚出口可以由内镗孔的倾斜内壁限定。共振腔室126可以形成在空化器中的圆柱形内镗孔的横截面面积的第一和第二减小部之间。共振腔室也可以被称为空化器110的风琴管几何结构。
35.示例、部件和备选方案
36.以下小节描述了示例性空化喷嘴组件以及相关系统和/或方法的选定方面。这些小节中的示例旨在用于图示，并且不应被解释为限制本公开的整个范围。每个小节可以包括一个或更多个不同的示例，和/或上下文的或相关的信息、功能和/或结构。
37.a.图示性共流喷嘴组件
38.如图2
‑
14所示，该小节描述了图示性共流空化喷嘴组件200，共流空化喷嘴组件200包括模块化强度增强的空化喷嘴嵌件300，其可以被称为空化嵌件。空化喷嘴嵌件300是强度增强的空化喷嘴的示例，并且共流空化喷嘴组件200是喷嘴组件的示例，如上所述。
39.图2是总体上以210指示的包括喷嘴组件200的图示性便携式水空化喷丸(pwcp)系统的示意图。喷嘴组件指向处理表面214，处理表面214可以是工件的表面和/或可以被描述为工作部位。两个柔性管道216、218将加压水供应到喷嘴组件，其中每个管道在远端处连接
到喷嘴组件。箱220将水供应到两个泵，第一泵222连接到管道116的近端，并且第二泵224连接到管道218的近端。第一泵222将水加压到第一压力，并且第二泵224将水加压到第二较低压力。
40.喷嘴组件200排出处于第一压力的第一水流226和处于第二压力的第二水流228。两个流同心地排出，使得流组合以产生空化气泡云。操作者可以根据包括但不限于估计的空化强度、喷嘴几何结构、处理表面214的材料和/或期望的处理的因素将喷嘴组件200维持在距处理表面214所选择的间隔距离处。例如，间隔距离可以近似等于所产生的空化气泡云的长度的两倍。
41.喷嘴组件200的共流配置可以促进系统210的更宽范围的应用。在没有由对浸没经处理的部件的需要强加的尺寸限制或其他约束的情况下，便携式系统可以在现场用于修复的喷丸、用于最终组件的处理、和/或用于诸如飞机蒙皮区段的大规模部件上。
42.喷嘴组件200是手动操作的，并且被设计用于手持使用。更具体地，喷嘴组件的个体部件和总体设计被配置为使尺寸和重量最小化，如下面参考图3
‑
7进一步描述的。在本示例中，喷嘴组件重3磅(lbs)。优选地，喷嘴组件可以具有大约5lbs或更小的重量，以在一致的控制灵活性和最小的肌肉疲劳的情况下促进延长的手动使用。
43.喷嘴组件进一步包括致动器234和反馈机构232。致动器234被配置用于手动操纵，例如致动器可以包括机械触发器。反馈机构232被配置为指示由喷嘴组件作用的工作部位(在本示例中为处理表面214)处的表面改性的相对程度。例如，反馈机构可以包括显示器，该显示器示出针对预选处理区域的计算的处理持续时间的彩色图，和/或示出来自位于处理表面上的冲击传感器的读数。在一些示例中，喷嘴组件可以进一步包括传感器、人类可读指示器和/或用于系统参数(诸如水温和压力)的控件。
44.在一些示例中，喷嘴组件200可以被设计用于与自动化系统集成，和/或可以由cnc机器人臂操作。在这样的示例中，喷嘴组件可以包括适当的特征，诸如远程触发器、螺纹或与机器人臂附件互补的其他紧固特征、和/或嵌入式可编程逻辑控制器。
45.传感器集群230浸没在箱220的水中以监测水的相关参数。例如，集群可以包括用于温度、压力、液位、粘度、盐度、碳酸盐含量、金属含量和/或氧含量的传感器。在一些示例中，系统210可以进一步包括在管道216、218和/或喷嘴组件200中的传感器，诸如一个或多个压力计和/或流量计。来自传感器集群230的数据可以通过箱的外表面上的视觉指示器显示。数据还可以输出到电子控制器，或通过视觉、听觉或其他方式通信给操作者。
46.在一些示例中，系统210可以进一步包括用于优化输送到喷嘴组件200的流动的相关性质的部件或设备。示例包括过滤器、阀、温度控件和脉动阻尼器。
47.可以根据期望的空化强度以及喷嘴组件200的尺寸和几何结构来选择系统210的第一和第二压力、流量和速度/以及水温，如下面进一步讨论的。在本示例中，系统210被配置用于机加工、车削、切割、磨削、研磨抛光和/或增材制造的金属零件(诸如铝、耐腐蚀钢(cres)、超合金和/或钛的飞机部件)的水空化喷丸。通过管道216从泵222输送到喷嘴组件的流动维持在大约25兆帕(mpa)和150米每秒(m/s)。通过管道218从泵224输送到喷嘴组件的流动维持在约0.1mpa和10m/s。由每个泵供应的水为约30摄氏度。
48.通常，可以使用任何有效的压力、流速和/或温度。在使用除水之外的流体的示例中，适当的值也可以改变。优选地，可以使用接近室温的操作温度，以避免需要显著的加热
或冷却。对于许多应用，约5和35mpa之间的第一压力和足以产生均匀流动的任何第二压力可以是有效的。流速可能受到泵容量和喷嘴尺寸限制。优选地，流速和喷嘴尺寸都可以最小化，以允许使用较便宜的较低容量的泵。
49.如图3的剖视图所示，喷嘴组件200包括内喷嘴236和外喷嘴238，内喷嘴236和外喷嘴238分别限定内流动通道240和外流动通道242。可以选择喷嘴组件200的尺寸以使重量最小化，同时维持期望的空化强度。在本示例中，喷嘴组件的总长度为约45厘米(cm)。优选地，对于金属的手持喷丸，喷嘴组件可以在大约15和60cm之间。其他尺寸可以适合于其他应用。
50.类似地，可以选择喷嘴材料以使重量最小化，同时提供足够的强度以耐受水压并抵抗来自空化的损坏。在本示例中，除了黄铜配件和弹性体o形环密封件之外，喷嘴组件部件还包括铝合金和不锈钢。可以使用任何足够轻且坚固的一种或多种材料。喷嘴和/或喷嘴部件可以通过任何有效的方式制造，包括但不限于增材制造、车削、铸造和机加工。
51.喷嘴组件200可以被描述为具有中心轴线202，内喷嘴236和外喷嘴238两者是围绕中心轴线202同心的。外流动通道242和内流动通道240被配置为输送适合于产生空化气泡云的同心均匀流体流。由内流动通道240产生的流可以被描述为空化射流，并且以比由外流动通道242产生的周围流更高的压力输送。流体沿箭头241指示的方向流过内流动通道和外流动通道。
52.内喷嘴236包括高压入口244、内管246、内顶端部分248和模块化空化喷嘴嵌件250。高压入口连接到管道216(图2)和内管246的第一端。内管246的第二端由内顶端部分248接收，并且螺纹接合内顶端部分。空化嵌件250由内顶端部分248完全接收，并且固定在内管的第二端和内顶端部分之间的适当位置。
53.外喷嘴238包括四个低压入口252、入口歧管254、外管256、顶端连接器258和外顶端部分260。低压入口252关于中心轴线202对称地布置，并且可以被描述为定位在正方形的顶点处。在图3和4中描绘了四个入口中的两个。每个入口252连接到入口歧管254，入口歧管254螺纹固定到外管256的第一端。顶端连接器258螺纹接合外管256的第二端，并且外顶端部分通过螺钉紧固到顶端连接器，以将外顶端部分260附接到外管。
54.图4是喷嘴组件200的分解剖视图，更详细地示出了内喷嘴236和外喷嘴238的部件。如图所示，入口歧管254包括近侧区段262和远侧区段264。近侧区段包括凹陷部以接收高压入口244和低压入口252，并且远侧区段包括收缩部以紧密地接收外管256。近侧区段262和远侧区段264旋拧在一起以限定密封歧管，以从低压入口252收集水以便连通到外管256。
55.内顶端部分248还包括近侧区段266和远侧区段268。近侧区段包括楔形形状，并且邻接远侧区段的平坦近端以在外流动通道242中提供光滑表面。两个区段一起有助于内顶端部分248和内管246之间的牢固连接和密封，同时最小化对外流动通道的冲击。
56.喷嘴组件200可以分成如图4所示的部件和区段，或可以分成更多或更少的零件。如本示例中描绘的划分可以允许低成本的构造，并且便于拆卸以便进行清洁、零件替换或模块化空化嵌件的更换，如下面进一步讨论的。
57.外喷嘴238与内喷嘴236是同心的，并且内喷嘴延伸通过外喷嘴。为了维持精确的同心度，喷嘴组件200包括定心环270。在一些示例中，为了稳定的目的，可以使用一个或多个附加的定心环。
58.如图3所示，定心环270设置在入口歧管254的凹陷部中，并且接触入口歧管和内管246两者，以维持内喷嘴和外喷嘴之间的相对定位。在图7中描绘了定心环270的等距视图，示出了中心孔272和两个弓形流动孔274。中心孔被定尺寸为紧密地接收内管，并且外周边表面276被配置为倚着入口歧管的凹陷部配合。定心环是圆形的，以对应于内喷嘴和外喷嘴的圆柱形管。流动孔274被配置为允许通过定心环270的最大流动，而不对环的强度产生不利影响。
59.再次参考图3和图4，喷嘴组件200进一步包括穿孔板280，以改善通过外流动通道242的流动的均匀性。穿孔板紧挨着设置在定心环270的下游，并且类似地接收在入口歧管254的凹陷部中。因此，板可以被设置为去除由歧管中的混合引起的湍流和不均匀性，并沿着外管256向下输送平滑的流动。在图6中描绘了穿孔板280的轴向视图，示出了中心孔282和多个较小的圆形流动孔284。中心孔被定尺寸为紧密地接收内管，并且外周边边缘286被配置为倚着入口歧管的凹陷部配合。流动孔284被布置有用于对称流动的径向对称性。
60.如图5所示，外顶端部分260会聚到远侧出口开口285。外顶端部分的内壁287以两台阶的方式向内倾斜，第一台阶相对于中心轴线202以大约30度倾斜，并且第二台阶相对于中心轴线以大约15度倾斜。也就是说，内壁287的最远侧或出口部分与中心轴线202形成大约15度的倾斜角度289。优选地，角度289可以在大约5度和45度之间。
61.随着外顶端部分260会聚，外流动通道242的横截面面积减小。外流动通道在外顶端部分处的横截面是环形的，如在内壁287和内顶端部分248之间所限定的。外流动通道的横截面面积与外顶端部分260的内径288的平方和内顶端部分248的外径的平方之间的差成比例。
62.在本示例中，在出口开口285处，外顶端部分260的内径288为约25毫米(mm)，内顶端部分248的外径为约12mm，并且外流动通道242的横截面面积为约380mm2。通常，外顶端部分260的尺寸可以与总体喷嘴尺寸成比例。更大的出口面积和更大的流量可以增加空化强度。然而，更大的流量可能需要使用更大体积的水和具有更大容量的泵，从而增加了设备和处理成本。因此，利用喷嘴几何结构和有限的流动来实现期望的空化强度会是优选的。因此，内径288可以优选地小于约50mm。
63.再次参考图3，在喷嘴组件200的操作期间，高压水从高压入口244行进通过内流动通道240，通过内管246，并从空化嵌件250中出来。内流动通道主要由圆柱形内管246限定，具有大致圆形的横截面形状。高压流动通过空化嵌件250转换成空化射流。低压水从低压入口252行进通过外流动通道242，通过入口歧管254、定心环270、穿孔板280和外管256，然后从外顶端部分260中出来。外流动通道242限定在外管256和内管246之间，然后在外顶端部分260和内顶端部分248之间，具有大致环形的形状。
64.在本示例中，喷嘴组件200进一步包括多个强度增强的空化喷嘴嵌件300，如图8
‑
14所示并在下面进一步描述的。在图3和4中，所描绘的空化嵌件250包括本领域已知的空化喷嘴几何结构，特别是具有到圆柱形出口的单个收缩部的圆柱形镗孔。空化嵌件250可以被描述为未激起或未增强的嵌件。喷嘴嵌件300每个包括增强空化强度的几何结构，并且可以优选地用于未激起的空化嵌件250上面。
65.通常，喷嘴组件200可以与单个空化嵌件设计一起使用，可以与多个空化嵌件设计一起使用，和/或可以包括多个可互换的空化嵌件。使用嵌件而不是整体内喷嘴可以降低替
换由于长期暴露于空化而损坏的部件的成本，并且便于根据需要改变喷嘴几何结构以针对特定的喷丸应用调整喷嘴组件200。
66.每个嵌件250、300包括与内顶端部分248互补的匹配的外部几何结构。更具体地，每个嵌件包括在近端处具有肩部304的圆柱形外壁302，如图8
‑
11所示。内通道306从具有圆形入口开口308的平坦近侧表面延伸到具有较小圆形出口开口310的平坦远侧表面。入口开口和出口开口之间的内通道306的几何结构以及出口开口310的尺寸在多个嵌件之间改变，而入口开口308在每个嵌件中具有相同的尺寸。
67.如通过图3中的未激发的嵌件250的示例图示的，每个嵌件被定尺寸为紧密地接收并密封在内顶端部分248的远侧区段268中。嵌件的肩部304被捕获在内管246和内顶端部分的向内突出部之间。内管抵靠嵌件的近侧表面，以保持嵌件相对于喷嘴组件200固定。内管246可以从内顶端部分248拧下，以允许替换或更换嵌件。
68.图8
‑
14描绘了具有被配置为增强空化强度的几何结构的空化嵌件300的示例。对应的附图标记用于指示在两个或更多个嵌件设计之间共用的元件。还应当注意，所描述和描绘的内通道306的几何结构也可以用于其他喷嘴设计(例如具有整体内部喷嘴的共流喷嘴、或静止水柱中的单流空化喷嘴)，以类似地增强空化强度。
69.图8描绘了强度增强的空化喷嘴嵌件300的第一示例，具有风琴管几何结构的共振嵌件400。共振嵌件的内通道306包括三个区段：入口区段412、中间区段414和出口区段416。中间区段可以被称为风琴管区段。每个区段都是圆柱形的，并且区段都是同轴的。入口区段412具有直径418，风琴管区段414具有直径420，并且出口区段416具有直径422。出口区段416的直径422也是出口开口310的直径。直径418大于直径420，直径420进而大于直径422。也就是说，内通道顺序地具有更小的直径。
70.共振嵌件400还可以被描述为在横截面面积上具有两个收缩部或减小部，直径的变化在所述收缩部或减小部中发生，从而形成风琴管几何结构。也就是说，风琴管区段414可以限定在两个收缩部之间。在喷嘴出口处发生的压力振荡可以通过来自上游收缩部的反射来加强。这种加强可以被称为被动激发和/或自共振。
71.可以选择直径418、420和422，使得当水行进通过内喷嘴时，存在共振嵌件400的内部通道的横截面面积的连续两次较大减小。换句话说，直径可以选择为是充分不同的，以便在共振嵌件400中产生风琴管效应。在本示例中，直径418是直径420的尺寸的两倍以上，并且直径420是直径422的尺寸的四倍以上。在一些示例中，可以选择其他相对直径以优化风琴管效应和/或空化强度。
72.风琴管区段414可以被描述为共振腔室和/或共振室。风琴管区段具有可以根据期望的共振模式和/或其他共振性质选择的长度424。更具体地，可以根据期望的驻波的波长来选择长度424。在本示例中，共振嵌件400被配置用于具有四倍长度424的驻波的第一共振模式。
73.共振嵌件400也可以根据strouhal数来描述。风琴管区段414的长度424可以确定共振嵌件的脉动频率。strouhal数进而可以取决于脉动频率、出口区段416的直径422和空化射流的速度。对于所选择的几何，可能存在临界频率，在该临界频率下，由于将大规模湍流运动组织成空化涡环，空化强度最大。在本示例中，共振嵌件400具有0.28的strouhal数。在一些示例中，共振嵌件可以具有在大约0.2和0.6之间的strouhal数。
74.在本示例中，直径418为约10mm，直径420为约4mm，并且直径422为约1mm。对于如上所述的喷嘴组件200的这样的尺寸和配置，长度424可以在大约5mm和15mm之间。如图8所示，长度424为约7.5mm，并且风琴管区段414的脉动频率为约50千赫兹。
75.在未激起的空化嵌件250的单收缩部几何结构与共振嵌件400的本示例之间的比较测试中，经过在铝合金带上以最佳间隔距离的多次通过，共振嵌件表现出质量损失和带曲率两者的约60％的增加和材料中的增加的更深压缩残余应力。脉冲压力测量的分析表明，增强的强度是由较高频率的强空化事件引起的。
76.图9描绘了强度增强的空化喷嘴嵌件300的第二示例，也具有风琴管几何的双腔室共振嵌件500。双腔室共振嵌件的内通道306包括四个区段：入口区段512、第一风琴管区段514、第二风琴管区段515和出口区段516。每个区段都是圆柱形的，并且区段都是同轴的。入口区段512具有直径518，第一风琴管区段514具有直径520，第二风琴管区段515具有直径521，并且出口区段516具有直径522。直径518大于直径520，直径520大于直径521，直径521进而大于直径522。
77.共振嵌件500也可以被描述为在横截面面积上具有三个收缩部或减小部，直径的变化在所述收缩部或减小部中发生，从而形成风琴管几何结构。也就是说，每个风琴管区段514、515可以限定在两个收缩部之间。在喷嘴出口处发生的压力振荡可以通过来自上游收缩部的反射来加强，类似于共振嵌件400。
78.可以选择直径520、521，使得每个收缩部构成共振嵌件500的内部通道的横截面面积的大的减小部，使得每个风琴管区段514、515用作共振腔室。第一风琴管区段514具有长度524，并且第二风琴管区段515具有长度525。可以根据期望的驻波的波长、共振模式和/或strouhal数来选择每个长度。
79.包括额外的风琴管区段可以增加空化强度，其中选择相对直径和长度以实现有效共振。通常，共振嵌件可以包括任何数量的风琴管区段和/或共振腔室。额外的风琴管区段可能需要入口开口308与出口开口310之间的较大比，以便实现区段之间的横截面面积的足够大的减小，并且因此需要较大的嵌件和/或内喷嘴。因此，优选的共振嵌件可以包括产生有效共振的最大数量的风琴管区段，其可利用所选择的制造方法和空化嵌件尺寸来实现。
80.图10描绘了强度增强的空化喷嘴嵌件300的第三示例，具有直径减小的出口的会聚嵌件600。会聚嵌件的内通道306包括两个区段：入口区段612和出口区段616。两个区段是同轴的。入口区段612是具有恒定直径618的圆柱形，而出口区段616从第一或入口直径622会聚到第二或出口直径623。出口直径623也是出口开口310的直径。
81.会聚嵌件600还可以被描述为在横截面面积上具有两个收缩部或减小部，其中随着内通道从入口直径622变窄到出口直径623，在从入口区段612到出口区段616以及在出口区段616中发生直径的变化。
82.出口区段616的会聚几何结构可以增加由会聚嵌件600产生的空化射流的速度，从而增加由共流喷嘴组件产生的内流和外流之间的速度差。这种增加的速度差可以增强同轴流动的空化作用，并且导致高强度空化事件的更高发生。
83.与在发散燃料喷射喷嘴中观察到的增加的空化不同，会聚嵌件600的几何结构可能不是通过由流动分离产生的嵌件内部的压降产生的。相反，由于流动之间的剪切作用，空化开始的增加可能发生在出口开口310处或外侧。这种分布对于空化喷丸可能是有利的，从
而避免对会聚嵌件600的损坏并改善工作表面处的空化效果。通过增加所产生的空化射流与周围静态液体之间的剪切作用，可以在浸没的单流喷嘴中利用会聚的出口几何结构来实现类似的效果。
84.如图10中描绘的，会聚嵌件600的出口区段616是圆锥形的。出口区段也可以被描述为截锥形。出口区段616在图12中更详细地进行描绘，并且包括线性倾斜的内壁626。内壁从入口区段612连续倾斜到出口310，与嵌件的中心轴线301形成角度628。当会聚嵌件600如图3所示的那样安装在喷嘴组件200中时，中心轴线301与喷嘴组件的中心轴线202重合，并且内壁626与中心轴线202形成角度628。
85.再次参考图12，在所描绘的示例中，角度628为约8度。入口直径622为约910微米(μm)，并且出口直径623为约845μm。出口区段616沿着区段的整个长度在垂直于中心轴线301的横截面上是圆形的。出口在横截面面积上减小约15％。通常，横截面面积的较大减小会导致较大的空化强度，但也会增加能量损失。因此，会期望增加强度和维持功率之间的平衡。大约13％和20％之间的横截面面积减小可以是优选的。在诸如出口区段616的截锥形出口中，这种减小可以通过大约1和15度之间的角度628来实现。超过45度，能量损失可能超过对空化强度的任何益处。
86.在未激发的空化嵌件250的零锥度出口设计(图3、4)和如图12中描绘的具有出口616的会聚嵌件之间的比较测试中，经过在铝合金带上以最佳间隔距离的多次通过，共振嵌件表现出质量损失的约20％增加和带曲率的65％增加。记录了高强度空化事件的约30％更高频率。
87.会聚嵌件600的出口区段的横截面面积的减小也可以通过其他形状来实现。图13和14描绘了这种形状的两个示例，每个示例具有非线性地会聚的内壁。在图13中描绘的示例中，会聚嵌件600包括弯曲的出口区段630。弯曲的出口区段包括近似抛物线形的内壁632，类似于de
‑
laval喷嘴或con
‑
di喷嘴的会聚区段的形状。与锥形出口区段616(图12)相比，弯曲的出口区段630具有更大的入口直径622和横截面面积的更大减小。这种减小与曲率相结合可以提供水流的更大加速，但在手持式共流喷嘴组件的本示例所需的微米尺寸下制造起来会是更困难的且昂贵的。
88.在图14中描绘的示例中，会聚喷嘴600包括台阶状出口区段634。台阶状出口区段包括三个区域，第一圆柱形区域、第二锥形区域和第三圆柱形区域。锥形区域的内壁636与中心轴线301形成角度638。角度638大于锥形出口区段616的角度628(图12)，但是台阶状出口634具有与锥形区段相同的入口直径622和减小的横截面面积。台阶状几何结构(诸如出口区段634的台阶状几何结构)可以有助于实现对水流的更微妙或复杂的改变。可以使用线性和/或弯曲区域的任何有效组合来实现期望的流动动力学。区域之间的过渡可以是台阶状的、斜坡状的或光滑流线型的。
89.图11描绘了强度增强的空化喷嘴嵌件300的第四示例，具有风琴管几何结构和直径减小的出口的组合嵌件700。组合嵌件的内通道306包括三个区段：入口区段712、风琴管区段714和出口区段716。入口区段和风琴管区段均是圆柱形的，并且所有区段都是同轴的。入口区段712具有直径718，风琴管区段714具有直径720，并且出口区段716从入口直径722会聚到出口直径723。风琴管区段714还具有可以根据期望的驻波的波长选择的长度724。
90.直径718大于直径720，直径720大于直径722，直径722进而大于直径723。组合嵌件
700也可被描述为在横截面面积上具有三个收缩部或减小部，其中随着内通道从入口直径622变窄到出口直径623，在从入口区段712到风琴管区段714、从风琴管区段到出口区段616以及在出口区段中发生直径的变化。
91.组合嵌件700可以对共振嵌件400(图8)和会聚嵌件600(图10)两者的水流产生空化强度增强效果。在喷嘴出口处发生的压力振荡可以通过来自上游收缩部的反射来增强，并且出口区段的会聚几何结构可以增加所产生的空化射流的速度。在一些示例中，组合嵌件700可以包括如图9中描绘的额外的共振腔室和/或如图13和14中描绘的非线性出口几何结构。
92.b.图示性方法
93.本小节描述了用于空化喷丸的图示性方法800的步骤；参见图15。上述空化喷嘴的方面可以用于下述方法步骤中。在适当的情况下，可以参考可以在执行每个步骤时使用的部件和系统。这些参考用于图示，并不旨在限制执行该方法的任何特定步骤的可能方式。
94.图15是图示在图示性方法中执行的步骤的流程图，并且可以不列举该方法的完整过程或所有步骤。尽管下面描述并在图15中描绘了方法800的个体步骤，但是步骤不一定都被执行，并且在一些情况下，可以同时执行或以与所示的顺序不同的顺序执行。
95.在步骤810处，该方法包括将高压流体供应到喷嘴。喷嘴可以是共流空化喷丸喷嘴或浸没在箱或其他固定流体柱中的单流空化喷丸喷嘴。诸如水的高压流体可以通过泵以所选择的压力、流速和/或温度供应到喷嘴。喷嘴可以由自动化系统和/或由操作者定位在距待处理的工件表面的所选择的间隔距离处。工件可以包括需要在一个或多个表面上进行喷丸的任何一个或多个零件和/或材料。
96.方法800的步骤812包括引导高压流体流通过具有空化增强几何结构的喷嘴的远侧结构。喷嘴可以包括从喷嘴的近端或上游端延伸到喷嘴的最远端或下游端的内通道或镗孔。内通道可以引导供应的高压流体通过喷嘴。
97.喷嘴的远侧结构可以设置在喷嘴的下游端处，并且空化增强几何结构可以包括内通道的横截面面积的收缩部或减小部。远侧结构可以包括整体喷嘴的必要部分，可以包括单独的喷嘴顶端部分，和/或可以包括模块化的可互换嵌件。该结构可以被描述为空化器、空化喷嘴和/或空化嵌件。
98.步骤812的可选子步骤814包括利用共振腔室加强高压流体流中的波动。共振腔室也可以被描述为风琴管腔室和/或风琴管几何结构，并且可以被限定在喷嘴的远侧结构中的内通道的两个收缩部之间。换句话说，远侧结构可以包括喷嘴的内通道的横截面面积的两个连续的大的减小部。结构的内径可以选择为是充分不同的，以产生风琴管效应。可以根据期望的共振模式和/或其他共振性质来选择共振腔的长度。更具体地，可以根据期望的驻波的波长来选择长度。在喷嘴的出口处发生的压力振荡可以通过来自上游收缩部的反射来加强。
99.步骤812的可选子步骤816包括利用会聚出口增加流速。会聚出口可以包括限定在远侧结构中的喷嘴的内通道的最远侧部分。会聚出口可以从出口的上游端处的第一直径变窄到出口的下游端处的第二直径。在一些示例中，出口的直径可以从第一直径线性地减小到第二直径，例如以截锥形形状。在一些示例中，出口可以从第一直径单调地但非线性地减小到第二直径，例如以抛物线形状。会聚出口可以增加通过内通道从出口的上游端到出口
的下游端的流体流的速度。
100.步骤818包括从喷嘴排出空化流体射流。空化射流可以与诸如低压流体的周围同轴流或流体的静态柱的流体环境相互作用，以形成空化气泡的涡流云。空化气泡的坍塌可以对工件进行喷丸。当自动化系统和/或操作者使在喷嘴对工件的表面上进行扫略时，可以在整个喷丸处理期间重复该方法的步骤810
‑
818。
101.图示性组合和附加示例
102.本小节描述了强度增强的空化喷嘴以及相关的系统和方法的附加方面和特征，这些方面和特征非限制性地呈现为一系列段落，为了清晰和高效，其中一些段落或全区段落可以用字母数字指示。这些段落中的每一个可以以任何合适的方式与一个或更多个其他段落和/或与本技术中其他部分的公开内容(包括在交叉引用中以引用方式并入的材料)组合。以下段落中的一些明确涉及并且进一步限制其他段落，从而非限制地提供一些合适组合的示例。
103.a0.一种用于空化喷丸的设备，其包括：
104.流体源，
105.管道，所述管道具有近端部分和远端部分，所述近端部分连接到所述流体源，以及
106.便携式喷嘴组件，所述便携式喷嘴组件连接到所述管道的远端，所述喷嘴组件包括：
107.内喷嘴，所述内喷嘴包括空化嵌件并且被配置为引导第一高压流体流，以及
108.外喷嘴，所述外喷嘴被配置为引导同心地围绕所述第一流的第二低压流体流，
109.其中所述空化嵌件具有内通道，所述内通道在横截面面积上具有至少两个减小部。
110.a1.根据a0所述的设备，进一步包括多个可互换的空化嵌件，其中所述喷嘴组件被配置为允许利用所述多个可互换的空化嵌件中的另一个空化嵌件替换所述内喷嘴的所述空化嵌件。
111.a2.根据a0或a1所述的设备，其中所述空化嵌件具有风琴管几何结构。
112.a3.根据a2所述的设备，其中所述空化嵌件的所述内通道是圆柱形的并且具有近侧区段、中间区段和远侧区段，所述近侧区段具有第一内径，所述中间区段具有第二内径，并且所述远侧区段具有第三内径，所述第一内径大于所述第二内径，并且所述第二内径大于所述第三内径。
113.a4.根据a0
‑
a3中任一项所述的设备，其中所述空化嵌件的内通道包括近侧区段和远侧区段，所述远侧区段从第一直径会聚到第二较小直径。
114.a5.根据a4所述的设备，其中所述内通道的所述远侧区段由内壁限定，所述内壁与所述喷嘴组件的中心轴线形成约1和15度之间的角度。
115.a6.根据a0
‑
a5中任一项所述的设备，其中所述便携式喷嘴组件的重量小于5lbs。
116.a7.根据a0
‑
a6中任一项所述的设备，其中通过具有小于约50mm的直径的孔从所述外喷嘴输送所述第二流。
117.a8.根据a0
‑
a7中任一项所述的设备，其中从所述外喷嘴的会聚顶端部分输送所述第二流。
118.a9.根据a8所述的设备，其中所述会聚顶端部分具有内壁，所述内壁与所述喷嘴组
件的中心轴线形成约15和30度之间的角度。
119.a10.根据a0
‑
a9中任一项所述的设备，进一步包括反馈机构，所述反馈机构被配置为指示由所述喷嘴组件作用在其上的工作部位处的表面改性的相对程度。
120.a11.根据a0
‑
a10中任一项所述的设备，其中所述喷嘴组件具有被配置用于手动操纵的致动器。
121.a12.根据a0
‑
a11中任一项所述的设备，其中所述喷嘴组件包括环结构，所述环结构设置在所述外喷嘴中，环绕所述内喷嘴，并且被配置为在允许流体流过所述外喷嘴的同时维持所述内喷嘴与所述外喷嘴同轴对准。
122.a13.根据a0
‑
a12中任一项所述的设备，其中所述喷嘴组件包括具有多个圆孔的环形板，所述环形板设置在所述外喷嘴中，环绕所述内喷嘴，并且被配置为使通过所述外喷嘴的流体流均匀化。
123.b0.一种空化喷丸喷嘴，包括：
124.圆柱形管，以及
125.风琴管空化器，所述风琴管空化器在所述圆柱形管的远端处，被配置为输送高压流体的空化射流，
126.其中所述空化器的内通道具有近侧区段、中间区段和远侧区段，所述近侧区段具有第一内径，所述中间区段具有第二内径，并且所述远侧区段具有第三内径，所述第一内径大于所述第二内径，并且所述第二内径大于所述第三内径。
127.b1.根据b0所述的喷嘴，其中所述第一内径是所述第二内径的尺寸的至少两倍。
128.b2.根据b0或b1所述的喷嘴，其中所述第二内径是所述第三内径的尺寸的至少四倍。
129.b3.根据b0
‑
b2中任一项所述的喷嘴，其中所述中间区段具有在5
‑
15mm之间的长度。
130.b4.根据b0
‑
b3中任一项所述的喷嘴，其中所述中间区段具有在5
‑
10mm之间的长度。
131.b5.根据b0
‑
b4中任一项所述的喷嘴，其中所述第三区段的内径小于约1mm。
132.b6.根据b0
‑
b5中任一项所述的喷嘴，其中所述风琴管空化器被配置为产生具有在0.2至0.6之间的strouhal数的空化射流。
133.b7.根据b0
‑
b6中任一项所述的喷嘴，其中所述风琴管空化器被配置为产生具有大约0.28的strouhal数的空化射流。
134.b8.根据b0
‑
b7中任一项所述的喷嘴，进一步包括喷嘴组件，所述喷嘴组件被配置为通过所述空化喷丸喷嘴输送第一流体流，并且通过外喷嘴输送同心地围绕所述第一流体流的第二流体流，所述第一流体流以比所述第二流体流更高的压力输送。
135.c0.一种空化喷丸喷嘴，包括：
136.圆柱形管，以及
137.会聚空化器，所述会聚空化器在所述圆柱形管的远端处，被配置为输送高压流体的空化射流，
138.其中所述空化器的内通道具有出口区段，所述出口区段从近侧开口会聚到较小的远侧开口。
139.c1.根据c0所述的喷嘴，其中所述远侧开口的横截面面积比所述近侧开口的横截面面积小在约10％和30％之间。
140.c2.根据c0或c1所述的喷嘴，其中所述出口区段由所述会聚空化器的内壁限定，所述内壁与所述喷嘴的中心轴线形成至少约8度的角度。
141.c3.根据c0
‑
c2中任一项所述的喷嘴，其中所述出口区段是截锥形的。
142.c4.根据c0
‑
c3中任一项所述的喷嘴，其中所述出口区段由所述会聚空化器的内壁限定，所述内壁从所述近侧开口非线性地会聚到所述远侧开口。
143.c5.根据c0
‑
c4中任一项所述的喷嘴，进一步包括喷嘴组件，所述喷嘴组件被配置为通过所述空化喷丸喷嘴输送第一流体流，并且通过外喷嘴输送同心地围绕所述第一流体流的第二流体流，所述第一流体流以比所述第二流体流更高的压力输送。
144.d0.一种用于空化喷丸的设备，包括：
145.流体源，
146.管道，所述管道具有近端部分和远端部分，所述近端部分连接到所述流体源，
147.便携式喷嘴组件，所述便携式喷嘴组件连接到所述管道的远端，其中所述喷嘴组件包括具有风琴管几何结构的空化喷嘴。
148.d1.根据d0所述的设备，其中所述空化喷嘴具有内通道，所述内通道具有近侧区段、中间区段和远侧区段，所述近侧区段具有第一内径，所述中间区段具有第二内径，并且所述远侧区段具有第三内径，所述第一内径大于所述第二内径，并且所述第二内径大于所述第三内径。
149.d2.根据d0或d1所述的设备，其中所述喷嘴组件被配置为通过所述空化喷嘴输送第一流体流，并且输送同心地围绕所述第一流体流的第二流体流，所述第一流体流以比所述第二流体流更高的压力输送。
150.d3.根据d2所述的设备，通过具有至少约20mm的直径的孔从所述外喷组件嘴输送所述第二流。
151.d4.根据d2或d3所述的设备，其中通过所述喷嘴组件的漏斗形顶端部分从所述喷嘴组件输送所述第二流。
152.d5.根据d4所述的设备，其中漏斗形顶端部分具有与第一流体流的流动方向的中心轴线形成大约30度的角度的外壁。
153.e0.一种空化喷丸喷嘴组件，包括：
154.外管，所述外管被配置为以第一流体压力引导第一流体流，
155.内管，所述内管与所述外管同心，并且被配置为以第二流体压力引导第二流体流，所述第二流体压力高于所述第一流体压力，以及
156.风琴管喷嘴，所述风琴管喷嘴在所述内管的出口处，
157.其中所述第一流体流和所述第二流体流组合以产生空化气泡云。
158.f0.一种空化喷丸共流喷嘴组件，包括：
159.外管，所述外管被配置为引导低压流体流，以及
160.内管，所述内管包括：
161.入口，所述入口被配置为接收高压流体流，
162.第一收缩部，所述第一收缩部在所述内管的内通道的直径中，
163.第二收缩部，所述第二收缩部在所述内通道的直径中，
164.出口，所述出口被配置为输送流体的空化射流，
165.其中在直径中的所述第一收缩部和所述第二收缩部形成邻近所述内管的所述出口的共振腔室。
166.g0.一种便携式空化喷丸系统，包括：
167.高压流体源，以及
168.共流喷嘴组件，所述共流喷嘴组件具有共振腔室，所述共振腔室被配置为加强所述高压流体的射流中的波动，
169.其中所述共振腔室被限定在所述共流喷嘴组件的内管的横截面面积的第一减小部与所述内管的横截面面积的第二减小部之间。
170.h0.一种空化喷丸的方法，包括：
171.排出与低压流体射流同心并被低压流体射流包围的空化流体射流，以及
172.在工作表面处形成空化气泡云，
173.其中排出所述空化流体射流包括引导高压流体流通过风琴管喷嘴以加强所述流体流中的波动。
174.优点、特征和益处
175.本文中描述的喷嘴组件的不同示例提供了优于用于空化喷丸的已知方案的若干优点。例如，本文中描述的图示性示例表现出改善的空化强度和更高频率的强空化事件。
176.另外，并且除了其他益处之外，本文中描述的图示性示例需要更小的泵和更少的水流。
177.另外，并且除了其他益处之外，本文中描述的图示性示例比现有的共流喷嘴更小且更轻。
178.另外，并且除了其他益处之外，本文中描述的图示性示例经历比未激励的喷嘴几何更少的磨损并且更持久。
179.另外，并且除了其他益处之外，本文中描述的图示性示例适合于延长的手持使用。
180.另外，并且除了其他益处之外，本文中描述的图示性示例是模块化的，以允许适应于特定的喷丸应用。
181.没有已知的系统或装置能够执行这些功能，特别是在来自有限水流的高空化强度的情况下。因此，本文中描述的图示性示例对便携式空化喷丸系统是特别有用的。然而，并非本文中描述的所有示例都提供相同的优点或相同程度的优点。
182.结论
183.以上所阐述的公开内容可涵盖具有独立实用性的多个不同示例。虽然这些中的每一个都已经以其优选形式公开，但是在本文所公开和例示的其具体示例不应以限制的意义来理解，因为许多变化是可能的。就本公开中使用章节标题的范围来说，此类标题仅用于组织目的。本公开的主题包括本文公开的各种元件、特征、功能和/或性能的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。所附权利要求特别指出被视为新颖和非显而易见的某些组合和子组合。特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合可在要求该申请或相关申请的优先权的申请中来要求保护。无论在范围上比原始权利要求更宽、更窄、等同或不同，此类权利要求也被视为被包括在本公开的主题内。