一种液压驱动式微型锥孔内表面空化喷丸系统及方法与流程

本发明属于流体空化加工领域，涉及一种空化发生及加工方法，主要适用于圆柱型工件的微型锥孔内表面的喷丸强化。

背景技术：

大量装备及零部件朝着小型化、微型化及轻型化的方向发展，使得零部件的加工尺寸越来越小。其中锥形孔道在一些零部件上为满足一定的功能性要求被广泛使用，对孔道的表面质量有较高的要求，如飞行器的流体输送钛合金管道和重要结构件等，这些钛合金管道主要通过锥孔与锥面配合的方式实现密闭连接，这就要求锥孔不仅具有高的形状精度，而且还要有良好的表面质量才能充分保证连接的高可靠性。

目前使用最为广泛的锥孔强化工艺是热处理和机械喷丸。热处理方法效率比较低，经它处理的表面硬度有着一定的局限性。机械喷丸是利用铁、陶瓷、玻璃、高速钢等材质制成的弹丸，通过持续不断的高速撞击孔内壁，使其表层材料发生一定的塑性形变，表层材料的位错密度增加，晶粒得到细化，形成一定厚度的残余压应力层，有效提高其疲劳强度。但是经机械喷丸处理后的材料表面粗糙度值亦随之剧烈升高，难以达到合格要求。

技术实现要素：

为了克服目前锥孔强化工艺存在的问题，本发明提供一种液压驱动式的微型锥孔内表面空化喷丸系统及其空化喷丸方法，喷丸效率高，质量好，有效提高锥孔内表面的疲劳强度。

本发明一种液压驱动式微型锥孔内表面空化喷丸系统采用的技术方案是：包括工作台，工作台上固定连接两个面对面地对称布置的三面体，每个三面体都由两个垂直面和一个水平面构成，其中一个垂直面与工作台固定连接，水平的连杆两端各通过一个第一轴承支撑在一个三面体的另一个垂直面上，连杆的两端各固定连接一个第一锥齿轮，每个三面体的水平面各通过一个第二轴承连接一个竖直的丝杆下段，每个丝杆的下端部还各固定连接一个第二锥齿轮，每个第二锥齿轮与对应的一个第一锥齿轮相啮合，连杆一端还通过联轴器与电机连接；工作台上固定连接面对面地对称布置的竖直的两个导轨，每个导轨通过滑槽连接滑块，两个滑块上端之间连接一根水平的盖板，每个个滑块的下端各通过螺纹连接对应的一个丝杆；工作台上固定设在盖板正下方的第一油箱，开有微型锥孔的工件竖直放置在第一油箱内底面上，气缸竖直布置于工件的正上方且固定连接于盖板的下方，气缸的正上方设有固定连接于盖板上方的油缸，油缸的内腔中设有上活塞，气缸的内腔中设有下活塞，上活塞和下活塞之间固定连接竖直的活塞杆；油缸上端和下端的侧壁各开有一个油孔，上方的油孔在上活塞的上方，下方的油孔在上活塞的下方，两个油孔都通过油管连接换向阀，换向阀经油泵连接第二油箱；换向阀上设有电磁铁，电磁铁上绕在线圈，线圈串接开关；控制端通过不同的控制线分别连接电动机、开关和油泵。

本发明所述的一种液压驱动式微型锥孔内表面空化喷丸系统的空化喷丸方法采用的技术方案是包括如下步骤：

步骤a：第一油箱中注有油液，工件的锥孔中注满油液，控制端控制电动机正转，气缸和油缸向下运动，当气缸的下端面紧靠工件的上端面时，关闭电动机；

步骤b：控制端控制油泵工作，换向阀左位工作，油液进入油缸的下腔，向上推动上活塞，带动活塞杆和下活塞上移，使油缸上腔的油回到第二油箱中；控制端闭合开关，换向阀至右位工作，油泵同时向油缸上下腔供油，上活塞向下移动；之后控制端断开开关，换向阀回到左位工作，下活塞又向上运动，如此往复地形成空化现象，对锥孔的内表面进行喷丸；

步骤c：喷丸完成后，控制端控制油泵停止供油，控制电动机反转带动气缸、油缸向上运动。

本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

1、本发明是基于一种新型空化发生及加工方法，即通过活塞往复运动，不断改变微型锥孔内密封液体体积。在密封液体体积增大时，密封液体压力会降低至液体饱和蒸汽压以下，形成空化现象；在密封液体体积减少时，密封液体压力增加，促使空化泡溃灭，从而实现利用空化泡溃灭能产生的冲击波和高速微流的作用，对微型锥孔内表面进行喷丸强化。

2、本发明中的空化冲击是一种柔性“锤击”，能够得到比传统机械喷丸更好的表面质量，除了更小的表面粗糙度值，材料表面轮廓更加连贯平滑以外，还能够有效降低材料表面的尖锐棱边、微裂纹等有害形变，进一步提高材料的综合性能。

3、本发明具有操作方便、结构简单、效率高等优点，此外，本发明系统的通用性很强，还可对不同形状的盲孔加工，以及同时对具有多个盲孔的工件进行强化加工。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明一种液压驱动式微型锥孔内表面空化喷丸系统的结构示意图；

图2为图1中驱动装置的结构放大图；

图3为图1中液压式活塞运动装置的结构放大示意图；

图中：1.驱动装置；2.四爪卡盘；3.工件；4.第一油箱；5.位置传感器；6.液压式活塞运动装置；7.控制端；8.电动机；9.联轴器；10.第一锥齿轮；11.第二锥齿轮；12.连杆；13.第一轴承；14.三面体；15.第二轴承；16.工作台；17.丝杆；18.滑块；19.导轨；20.盖板；21.位置传感器；22.密封圈；23.气缸；24.油缸；25.上活塞；26.活塞杆；27.下活塞；28.开关；29.电磁铁；30.换向阀；31.油泵；32.第二油箱；33.位置传感器；34.位置传感器；35.排气孔；36.锥孔；37.油孔。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种液压驱动式微型锥孔内表面空化喷丸系统包括驱动装置1、油箱4、四爪卡盘2、液压式活塞运动装置6、位置传感器以及控制端7。

再参见图2，驱动装置1包括工作台16、电动机8、联轴器9、连杆12、第一轴承13、第二轴承15、三面体14、第一锥齿轮10、第二锥齿轮11、丝杆17、导轨19、滑块18以及盖板20。工作台16上固定连接两个三面体14，两个三面体14面对面地对称布置，每个三面体14都由两个垂直面和一个水平面构成，其中一个垂直面通过螺钉与工作台16固定连接，另一个垂直面通过第一轴承13连接水平的连杆12一端，这样连杆12两端各通过第一轴承13支撑在三面体14上。连杆12的两端通过键各同轴心地固定连接一个第一锥齿轮10。每个三面体14的水平面各通过一个第二轴承15连接竖直的丝杆17下段，使丝杆17通过第二轴承15支撑在三面体14上。丝杆17的下端部还通过键同轴心地固定连接第二锥齿轮11，第二锥齿轮11与连杆12上的第一锥齿轮10相啮合。连杆12的一端还通过联轴器9与电机8连接，由电机8带动连杆12转动。第一锥齿轮10和第二锥齿轮11位于三面体14内，两个丝杆17位于连杆12上方，对称竖直放置，两个丝杆17穿过工作台16和第二轴承15。

在工作台16上固定连接竖直的两个导轨19，两个导轨19面对面地对称布置，每个导轨19上开有滑槽，滑槽连接滑块18，滑块18安装在滑槽中，能沿滑槽上下移动。在两个滑块18的上端之间连接一根水平的盖板20，盖板20位于工作台16和丝杆17的上方，盖板20两端与两端的滑块18通过螺栓固定连接。两个滑块18的下端各通过螺纹连接对应的一个丝杆17，与丝杆17通过螺纹配合形成丝杆螺母机构。

如图1所示，在工作台16上固定安装第一油箱4，第一油箱4在盖板20的正下方。第一油箱4内部安装四爪卡盘2，四爪卡盘2固定在第一油箱4内底面上，四爪卡盘2上固定夹着工件3，工件3竖直放置在第一油箱4内底面上，其上开有微型锥孔36，微型锥孔36的直径较小，锥孔36上端的直径≤2.5mm。锥孔36的上端是大端，大端开口朝上，底部不贯通。

液压式活塞运动装置6包括气缸23、密封圈22、上活塞25、下活塞27、活塞杆26、油缸24、开关28、电磁铁29、换向阀30、油泵31以及第二油箱32。所述的气缸23竖直布置于工件3的正上方，气缸23通过螺栓固定连接于盖板20的下方。气缸23的正上方有油缸24，油缸24过螺栓固定连接于盖板20的上方。油缸24的内腔中密封且可上下移动式地连接上活塞25，气缸23的内腔中密封且可上下移动式地连接下活塞27。上活塞25和下活塞27的中间之间固定连接竖直的活塞杆26。活塞杆26穿过油缸24底部，且在连接处与油缸24之间用密封圈密封。

油缸24上端和下端的侧壁各开有一个油孔37，油孔37与油缸24的内腔相通。上方的油孔37在上活塞25的上方，下方的油孔37在上活塞25的下方。上、下两个油孔37都通过油管连接换向阀30，换向阀30经油管连接油泵31，油泵31连接第二油箱32。在换向阀30上设有电磁铁29，电磁铁29上绕在线圈，线圈串接开关28，线圈通电，电磁铁29吸合，使换向阀30从左位工作切换至右位工作。

气缸23的上端侧壁上开有排气孔35，排气孔35在下活塞27的上方，排气孔35将气缸23的内腔与外界大气连通，使气缸23的内腔能向外排出气体。

在气缸23的下端面上固定嵌有密封圈22，当气缸23的下端面紧密贴合在工件3上端面时，密封圈22密封工件3的锥孔36，使锥孔36与位于下活塞27下方的气缸23内腔之间形成一个密封腔室。

气缸23、油缸24、上活塞25、下活塞27、活塞杆26以及工件3的锥孔36的竖直中心轴共线。

如图1-3所示，在其中一个导轨19上端安装位置传感器21，靠近工件3上端安装位置传感器5，位置传感器21、位置传感器5分别用于检测液压式活塞运动装置6中气缸23所处的上、下位置。两个位置传感器21、5的反馈信号均通过信号线传输到控制端7。

在靠近气缸23的上端处安装位置传感器33，靠近气缸23的下端处安装位置传感器34。位置传感器33、34分别用于检测下活塞27所处的上、下位置。两个位置传感器33、34均通过信号线连接到控制端7。

控制端7通过不同的控制线分别连接电动机8、开关28和油泵31，控制电动机8、开关28和油泵31的动作。

如图1-3，本发明所述的微型锥孔内表面空化喷丸系统工作时，首先在第一油箱4中注有油液，油液的高度高于工件3的高度。将工件3装夹在四爪卡盘2上，此时工件3的锥孔36中注满油液。控制端7发出信号打开电动机8，电动机8正转，带动连杆12、第一锥齿轮10、第二锥齿轮11、丝杆17、滑块18依次动作，滑块18向下运动，从而带动固定连接在盖板20上的气缸23、油缸24整体向下运动，运动至第一油箱4的油液中时，气缸23的下腔室也注有油液。当气缸23的下端面紧靠工件3的上端面时，位置传感器5反馈信号，控制端7接受信号关闭电动机8。此时，密封腔室中注满油液。

然后，控制端7发出信号控制油泵31工作，向油缸24内供油。此时开关28断开，换向阀30左位工作，油液进入油缸24的下腔，即油液进入上活塞25的下方，向上推动上活塞25，带动活塞杆26和下活塞27上移，使油缸24上腔的油回到第二油箱32中。当下活塞27到达位置传感器33的感应区时，位置传感器33向控制端7发出信号，控制端7闭合开关28，电磁铁29上线圈通电，推动换向阀30至右位工作，油泵31同时向油缸24上下腔供油。由于下腔的活塞杆26占去了上活塞25受压面积的一部分，比上腔的上活塞25受压面积小，上活塞25向上的推力就小于向下的推力，因而上活塞25向下移动，下腔的油与油泵31的油汇合在一起都流向上腔。这样，上腔的流量除了油泵31供的油，还多了从下腔回来的油，流量大，上活塞25移动的速度就快，因此比上活塞25上移快。当上活塞25向下移动带动活塞杆26、下活塞27向下运动至下活塞27到达位置传感器34的感应区时，位置传感器34向控制端7发出信号，控制端7断开开关28，换向阀30回到左位工作，此时下活塞27又向上运动。如此往复地运动，往复运动的频率为hz，不断改变密封腔室中油液的体积，在密封的液体体积增大时，液体压力会降低至液体饱和蒸汽压以下，形成空化现象；在密封液体体积减少时，密封液体压力增加，促使空化泡溃灭，从而实现利用空化泡溃灭能产生的冲击波和高速微流的作用，对工件3的锥孔36的内表面进行喷丸。

喷丸完成后，下活塞27回到初始位置，位置传感器34向控制端7发出信号，控制端7控制油泵31停止供油。之后，控制端7打开电动机8，电动机8反转带动气缸23、油缸24向上运动，当滑块18靠近位置传感器21时，控制端7关闭电动机8，取出工件3。