一种用于轴类零件空化射流强化的装置及方法与流程

本发明涉及轴类零件空化的装置及方法，尤其涉及一种用于轴类零件空化射流强化的装置及方法。

背景技术：

空化现象是流体动力学中一种特殊现象，是水力机械领域长期存在的问题。当液体内局部压力降低至饱和蒸汽压甚至负值时，液体内部和固液的交界上会形成一个空穴，通常称这种现象叫空化。随着研究领域的不断拓展和深入，在水泵和水轮机相继发现了由于空化而引起的空蚀的现象，在高坝的泄水建筑物中也出现了空蚀破坏。对于如何合理利用空化现象来为社会生产服务，一直是科研工作者所关注的问题。

轴作为旋转机构上的核心部件，使用范围十分广泛。轴是整个旋转机构中受力最大和最为复杂的部件，轴的稳定性直接决定整个系统的稳定性。然而，由于长期承受扭矩负荷以及轴承的挤压与摩擦，轴类零件最主要的破坏表现为磨损、塑性变形、疲劳断裂，严重时甚至出现直接扭断的情形，严重威胁机组安全。因此，对轴类零件的表面进行强化处理，提高其耐磨性能以及疲劳寿命具有深远的意义。

空化射流强化是一种利用空泡溃灭时产生的高能量密度冲击波对材料进行表面强化处理的方法，该方法通过高压水射流配合特殊结构的喷嘴诱导产生空化空泡，空泡在材料表面发生溃灭并产生微射流和冲击波，使材料表面晶体结构发生变化并产生较大的残余应力。此方法与激光空化强化法相比的优势在于无需引入外部能量来诱导空化的发生，而相对传统喷丸处理方法具有高效、清洁和节能等优点。然而，现有技术中并没有应用空化射流强化来对材料进行表面强化处理的装置。

技术实现要素：

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种用于轴类零件空化射流强化的装置及方法，通过喷嘴产生空泡，将携带空泡的射流直接作用在轴类零件的表面上进行表面强化，能对轴类金属材料表面进行不同强度的空泡冲击波强化。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种用于轴类零件空化射流强化的装置，包括工件加工系统、高压供水系统、低压供水系统、蓄水池和喷嘴装置；

所述工件加工系统包括驱动装置和加工池，所述驱动装置与二维导轨滑动连接，驱动装置上设有三爪卡盘和三爪卡盘控制手柄，所述三爪卡盘用于夹紧和定位与试件轴；

所述喷嘴装置为t形结构，喷嘴装置的中心轴线上设有通孔，通孔外侧设有环形流道，喷嘴装置的上端设有两侧关于通孔对称的高压水孔，所述高压水孔与环形流道相通；

所述喷嘴装置水平放置，试件轴穿过通孔，通孔与二维导轨保持平行，通孔的两端分别为前喷嘴和后喷嘴，前喷嘴和后喷嘴与试件轴之间均设有口环，喷嘴装置的内壁上设有多个收缩流道层，所述收缩流道层上设有沿圆周均匀分布的多个收缩流道，所述收缩流道的进水口切向夹角α大于出水口切向夹角β，收缩流道与环形流道及通孔相通；

所述加工池位于喷嘴装置的下方，加工池与蓄水池通过管路连接；

所述高压供水系统给高压水孔供水，所述低压供水系统给喷嘴装置上的通孔供水。

优选地，所述高压供水系统包括高压柱塞泵，高压柱塞泵的出水口通过管路分别与高压水孔和蓄水池连接；所述低压供水系统包括离心泵，离心泵通过管路分别与喷嘴装置上的后喷嘴和蓄水池连接。

优选地，所述高压柱塞泵的出水口与蓄水池的连接管路上安装有泄压阀。

优选地，所述高压柱塞泵与高压水孔连接处设有压力表。

优选地，所述收缩流道的进水口切向夹角α为30°～40°、出水口切向夹角β为20°～30°，所述收缩流道的圆周包角γ为40°～45°，所述收缩流道内外圆周的径向壁厚是喷嘴装置外壁的壁厚的0.1～0.5倍，所述收缩流道层沿喷嘴装置轴向等距均匀分布，所述喷嘴装置上含有收缩流道层的试件轴向长度是通孔轴向长度的0.4～0.8倍。

一种使用上述用于轴类零件空化射流强化的装置的方法，包含以下步骤：

步骤一：对试件轴进行预处理。用无水乙醇或丙酮清洗试件轴表面，除去试件轴表面的油污和灰层，使试件轴表面更光洁，防止对空化射流强化过程产生干扰；

步骤二：试件轴的夹紧定位。用三爪卡盘将预处理过的试件轴夹紧，使试件轴穿过喷嘴装置的通孔，并与喷嘴装置同轴。

步骤三：启动低压供水系统中的离心泵，向通孔中注入低压水，使得试件轴的强化段淹没在低压水中；

步骤四：启动高压柱塞泵，将蓄水水池中的水输入到高压水孔，监测压力表的压力值，当压力过高时调节泄压阀；

步骤五：启动驱动装置，驱动试件轴同时进行圆周运动和匀速轴向进给运动，保证表面强化的均匀性和可靠性。

步骤六：关闭所有装置，将经过处理的试件轴取下，干燥处理之后在试件轴表面涂上防锈保护层。

本发明的有益效果：

1)本发明利用喷嘴装置的收缩流道产生空化泡，利用空化泡溃灭时产生局部超高压及高强度冲击波强化轴类零件的表面，相对传统喷丸处理方法具有高效、清洁和节能等优点，而相比激光空化强化本发明避免引入外部能量以达到产生空化效果，同时整个装置系统结构简单，有利于长轴类零件的快速强化；

2)空泡冲击波强化轴类零件比传统喷丸强化效果更加明显，壁面的残余压应力、疲劳寿命明显得到延长，轴的耐磨性得到加强。

附图说明

图1为本发明所述一种用于轴类零件空化射流强化装置的结构示意图。

图2为本发明所述喷嘴装置的轴向剖面示意图。

图3为本发明所述喷嘴装置上的收缩流道层示意图。

其中：

1.高压柱塞泵；2.驱动装置；3.加工池；4.喷嘴装置；5.试件轴；6.蓄水水池；7.压力表；8.泄压阀；9.离心泵，10.口环；11.二维导轨；12.三爪卡盘；13.高压水孔；14.收缩流道；15.通孔；16.环形流道。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的一种用于轴类零件空化射流强化的装置，包括工件加工系统、高压供水系统、低压供水系统、蓄水池6和喷嘴装置4，所述工件加工系统包括驱动装置2和加工池3，所述驱动装置2上设有三爪卡盘12和三爪卡盘控制手柄，所述三爪卡盘12用于夹紧和定位与试件轴5，驱动装置2与二维导轨11滑动连接，所述二维导轨11和驱动装置2可以实现试件轴5同时进行进给运动和旋转运动。

所述喷嘴装置4为t形结构，喷嘴装置4的中心轴线上设有通孔15，通孔15外侧设有环形流道16，喷嘴装置4的上端设有两侧关于通孔15对称的高压水孔13，所述高压水孔13与环形流道16相通。

喷嘴装置4置于支架上，使得通孔15与二维导轨11保持平行，试件轴5穿过通孔15，通孔15的两端分别为前喷嘴和后喷嘴，前喷嘴和后喷嘴与试件轴5之间均设有口环10，所述口环10能够密封住前后喷嘴与轴5之间的一部分空隙。

喷嘴装置4的内壁上设有多个收缩流道层，所述收缩流道层上设有沿圆周均匀分布的多个收缩流道14，所述收缩流道14与环形流道16及通孔15相通。所述收缩流道14的进水口切向夹角α为30°～40°，出水口切向夹角β为20°～30°，所述收缩流道14的圆周包角γ为40°～45°，所述收缩流道14内外圆周的径向壁厚是喷嘴装置4外壁的壁厚的0.1～0.5倍，所述收缩流道层沿喷嘴装置4轴线等距均匀分布，所述喷嘴装置4上含有流道的轴向长度是通孔15轴向长度的0.4～0.8倍。

所述加工池3位于喷嘴装置4的下方用于收集喷嘴装置4上的前后喷嘴处流出的水，加工池3与蓄水池6连接。所述高压供水系统包括高压柱塞泵1，高压柱塞泵1的出水口通过管路分别与高压水孔13和与蓄水池6的连接，高压柱塞泵1与高压水孔13的连接管路上设有泄压阀8，用于防止高压水的压力过高，保证装置的安全可靠。高压柱塞泵1与高压水孔13的连接处安装有压力表7，所述压力表7用于监测喷嘴的进口压力。

所述低压供水系统包括离心泵9，离心泵9通过管路分别与喷嘴装置4上的后喷嘴和蓄水池6连接。

使用本发明所述用于试件轴类零件空化射流强化的装置的方法，包含以下步骤：

步骤一：对试件轴5进行预处理。用无水乙醇或丙酮清洗试件轴5表面，除去试件试件轴5表面的油污和灰层，使试件轴5表面更光洁，防止对空化射流强化过程产生干扰；

步骤二：试件轴5的夹紧定位。用三爪卡盘12将预处理过的试件轴5夹紧，使试件轴5穿过喷嘴装置4的通孔5，并与喷嘴装置4同轴。

步骤三：启动低压供水系统中的离心泵9，向通孔5中注入低压水，使得试件轴5的强化段淹没在低压水中；

步骤四：启动高压柱塞泵1，将蓄水水池6中的水输入到高压水孔13，监测压力表7的压力值，当压力过高时调节泄压阀8；

步骤五：启动驱动装置2，驱动试件轴5同时进行圆周运动和匀速轴向进给运动，保证表面强化的均匀性和可靠性。

步骤六：关闭所有装置，将经过处理的试件轴5取下，干燥处理之后在试件轴5表面涂上防锈保护层。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。