一种压力交变浸没式内孔表面强化装置及方法与流程

本发明涉及金属材料的表面处理技术领域，具体涉及一种利用空化技术对工件内孔的表面进行强化处理的装置，尤其适用于对小尺寸的微小孔、细长孔、弯孔等零件内表面进行强化处理。

背景技术：

在航空航天、汽车或国防军工领域要求零件具有耐磨损和高抗疲劳性能，面通过在金属表面引入残余压应力能有效改善材料的抗疲劳与抗磨损性能。目前常用的强化方法主要有弹丸冲击强化、激光冲击强化、超声喷丸以及深轧和辊压等，这些方法能在一些常见形状的零件表面引入残余压应力，但无法应用于微小孔、细长孔、弯孔等零件内表面的强化。然而细长孔或微小孔体积小、强度弱当长期挤压与摩擦后，这类零件更易产生磨损、塑性变形、疲劳断裂等破坏，严重时甚至出现直接扭断的情形，这类孔的内表面强化尤为重要，但由于孔口太细或孔太长喷嘴难以直接进入小孔内部，所以常用的方法难以将孔的内表面均匀的引入残余压应力。cn107488779a提供一种内孔表面的反射式超声喷丸强化装置，该设备利用利用超声振动头引导孔内的喷丸进行振动进而对内孔表面进行强化，但该方法仅局限于孔径较大的零件。

空化现象是流体动力学的一种特殊现象，是水利机械领域长期存在的问题，以往的研究一直集中于如何避免空化产生的危害，但近年来尝试利用空化，并发现将空泡溃灭时产生的局部高压和瞬时高温作用于材料表面可以进行机械加工。其中利用空化进行强化的技术较传统的强化技术有表面粗糙度小、高效、清洁、节能等优点。

技术实现要素：

本发明的目的是将空化利用于微小孔、细长孔、弯孔强化中，提供一种压力交变浸没式的内孔表面强化装置及其强化方法，通过在孔内部产生交变压力，当压力降到饱和蒸汽压产生空化，利用空泡溃灭产生的能量来强化孔内壁。

本发明所述的一种压力交变浸没式内孔表面强化装置采用的技术方案是：底部是注有水的水箱，水箱的上方设有一根水平的传动轴，传动轴的两端分别偏心连接中心轴水平布置的第一传动轮，第二传动轮的边缘轮面处，第一传动轮的中心轴同轴心固定连接第一电动机的输出轴，第二传动轮通过轴承连接固定不动的支架，传动轴上间隙套有圆柱滑块，圆柱滑块的正下方是垂直布置的第二活塞杆和第二气压缸，圆柱滑块铰接第二活塞杆上端，第二活塞杆下端伸在第二气压缸内部且固定连接第二活塞，传动轴铰接第一活塞杆上端，第一活塞杆下端伸在第一气压缸内部且固定连接第一活塞；第一气压缸和第二气压缸的结构相同且面对面地对称布置，第一气压缸和第二气压缸的下段均向下伸在水箱内部，第一气压缸下端通过底座固定连接水箱底部，第二气压缸下端固定连接一水平的螺母，螺母与水平的滚珠丝杠相配合，滚珠丝杠一端通过轴承连接固定连接于水箱底部的滚珠丝杠支架、另一端伸出水箱外且连接第二电动机；第一气压缸、第二气压缸的侧壁上各开有与内部相通的气孔道，两气孔道面对面对称布置，每个气孔道处各固定一个夹具，两个夹具之间是带有工件内孔的工件，工件两端与对应的夹具之间各密封连接一个薄膜，薄膜将工件内孔与气孔道隔开。

本发明所述的一种压力交变浸没式内孔表面强化装置的强化方法采用的技术方案是：先将工件放入水箱中，工件内孔内部灌满水，将工件一端用与第一气压缸相连的夹具夹紧，然后启动第二电动机，带动第二气压缸向对面的第一气压缸方向移动，与第二气压缸相连的夹具将工件的另一端夹紧；最后启动第一电动机，第一传动轮带动传动轴旋转，第一活塞与第二活塞上下移动，对工件内孔的内表面进行强化处理。

本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

1、本发明通过驱动薄膜，不断改变待强化工件孔中密封液体体积，在密封液体增大时，密封液体压力会降低至该液体的饱和蒸汽压以下，液体中的空化核析出；在密封液体体积减小时，密封液体压力增大，促使空化核长大并发生集中溃灭，利用空泡溃灭产生的冲击波与微射流对孔内表面进行强化。该装置能有效解决孔内表面难强化的问题，能有效强化这些零件的孔内壁，从而提高零件孔内壁的抗疲劳和耐磨性能。

2、本发明通过采用不同厚度的薄膜，可以保证夹具、工件孔、薄膜的同轴，从而可以加工不同直径的孔，实现了夹具的通用性。

3、由于空泡群溃灭时能产生高温高压，在内壁产生均匀的残余压应力，因此相比于传统方法，本发明强化的表面更光滑，表面粗糙度更低。

4、本发明装置结构简单、成本低，同时节能、环保、高效，使用方法简单快捷。

附图说明

图1为本发明所述的一种压力交变浸没式内孔表面强化装置的结构示意图；

图2为图1中夹具、工件和薄膜的装配结构放大图；

图中：1.第一传动轮；2.第二传动轮；3.传动轴；4.圆柱滑块；5.第一活塞杆；6.第二活塞杆；7.第一气压缸；8.第二气压缸；9.支架；10.水箱；11.第一活塞；12.第二活塞；13.水；14.工件；15.夹具；16.薄膜；17.限位器；18.滚珠丝杠支架；19.螺母；20.滚珠丝杠；21.底座；22.工件内孔；23.第一电动机；24.第二电动机；25.气孔道。

具体实施方式

本发明所述的一种压力交变浸没式内孔表面强化装置，其底部是一个水箱10，水箱10中注有水13。水箱10的上方设有一根水平的传动轴3，传动轴3的两端固定连接于一个传动轮的轮面，传动轮分别是中心轴水平布置的第一传动轮1和第二传动轮2，传动轴3两端与第一传动轮1、第二传动轮2的连接处靠近传动轮的边缘处，使传动轴3两端的中心与第一传动轮1、第二传动轮2的中心不在同一高度，存在偏心距离，即偏心连接。

第一传动轮1的中心轴同轴心地固定连接第一电动机23的输出轴，第一电动机23能驱动第一传动轮1旋转。第二传动轮2通过轴承连接支架9，支架9位于水箱10外部，支架9固定不动。

传动轴3上同轴心地套有圆柱滑块4，圆柱滑块4与传动轴3有间隙地配合，圆柱滑块4能沿传动轴3轴向来回滑动。圆柱滑块4的正下方是第二活塞杆6和第二气压缸8，第二活塞杆6和第二气压缸8均上下垂直布置。圆柱滑块4铰接第二活塞杆6的上端，第二活塞杆6的下端向下伸入第二气压缸8内部且固定连接第二活塞12，第二活塞12在第二气压缸8内与第二气压缸8的内孔壁密封连接，能沿第二气压缸8上下垂直移动。

传动轴3铰接第一活塞杆5的上端，第一活塞杆5的下端向下伸入第一气压缸7内部且固定连接第一活塞11，第一活塞11在第一气压缸7内与第一气压缸7的内孔壁密封连接，能沿第一气压缸7上下垂直移动。第一气压缸7和第一活塞杆5均上下垂直布置。

第一气压缸7和第一活塞杆5靠近第一传动轮1这端，圆柱滑块4、第二活塞杆6和第二气压缸8靠近第二传动轮2这端。第一气压缸7和第二气压缸8的结构相同，但在传动轴3的轴向上面对面地对称布置。第一活塞杆5和第二活塞杆6的结构相同。

第一气压缸7和第二气压缸8的下段均向下伸在水箱10内部。第一气压缸7的下端通过底座21固定连接于水箱10底部。第二气压缸8的下端固定连接一水平的螺母19，螺母19与水箱10底部不接触。螺母19同轴心在套在一根水平的滚珠丝杠20上，滚珠丝杠20与螺母19相配合。滚珠丝杠20一端位于第一气压缸7和第二气压缸8之间，通过轴承连接滚珠丝杠支架18，滚珠丝杠支架18固定连接于水箱10底部，滚珠丝杠20的另一端水平向外伸出在水箱10外部，且另一端同轴心固定连接第二电动机24，第二电动机24驱动滚珠丝杠20旋转。

在滚珠丝杠支架18的上端安装限位器17，用于限制第二气压缸8向第一气压缸7移动的位置。

在第一气压缸7和第二气压缸8下段之间安装待强化的工件14，工件14带有工件内孔22，工件内孔22水平放置，工件内孔22两端贯通。在第一气压缸7、第二气压缸8的侧壁上各开有与第一气压缸7、第二气压缸8内部相通的气孔道25，两气孔道25面对面对称布置，两气孔道25具有相同的水平中心轴。在每个气孔道25处各固定焊接一个夹具15，两个夹具15之间固定连接工件14，即工件14的两端各通过一个夹具15固定连接在第一气压缸7、第二气压缸8的侧壁气孔道25处。工件内孔22的中心轴与两气孔道25的中心轴共线。

在工件14两端与对应的夹具15之间固定各固定一个薄膜16，薄膜16将工件内孔22与气孔道25隔开。薄膜16的中心轴与工件内孔22、两气孔道25的中心轴共线。

如图2所示，在与工件14、薄膜16连接处的夹具15设计为圆锥孔。薄膜16呈圆台状，其最大外径为d1，与工件14的外径d1相同，最大外径处的端面与工件14的端面贴合。薄膜16的最小外径为d2，与气孔道25的内径d2相同，最小外径处的端面与夹具15贴合。气孔道25的内径d2小于工件内孔22的内径。薄膜16的轴向厚度是h1，其中的最小外径处的轴向厚度是h2，h2小于h1。

薄膜16粘在夹具15圆锥孔上，薄膜16与夹具15、工件14之间均密封，使气孔道25和工件内孔22之间不相通。工件14放置在两个薄膜16之间，工件14、薄膜16、夹具15三者同轴。

薄膜16的材料为氯丁橡胶，通过选择不同厚度的薄膜，可保证不同内径的工件内孔22与薄膜16、夹具15的同轴度要求，实现夹具15的通用性。

本发明一种压力交变浸没式微孔内表面空化强化装置工作时，将水箱10中放满水13，控制水温15℃-20℃，该水温条件下能产生较大强度的空化。把工件14放入水箱10中，此时工件内孔22内部灌满了水13，将工件14放在两夹具15之间，并将工件14一端用与第一气压缸7相连的这个夹具15夹紧，然后启动第二电动机24工作，第二电动机24带动滚珠丝杠20旋转，滚珠丝杠20带动螺母19水平移动，螺母19带动第二气压缸8向对面的第一气压缸7方向移动，同时，上方的圆柱滑块4跟着第二气压缸8沿传动轴3同步移动。当移动到限位器17限定的止停位置时，第二电动机24停止工作，此时，与第二气压缸8相连接的另一个夹具15将工件14的另一端夹紧。

当工件14夹紧后，启动第一电动机23，带动第一传动轮1旋转，第一传动轮1带动传动轴3旋转，传动轴3同时带动第一活塞11与第二活塞12上下工作。当第一活塞11与第二活塞12向上移动时，第一气压缸7与第二气压缸8内的气体变得稀薄，压强下降，薄膜16向气孔道25方向扩张，工件内孔22内部的液体13压强下降，当压强下降到饱和蒸汽压时，液体中的空化核析出并不断长大。当第一活塞11与第二活塞12向下压时，第一气压缸7与第二气压缸8内的气体压缩，气压缸内的压强变大，挤压薄膜16，使薄膜16向工件内孔22方向延伸，此时工件内孔22内的液体压强上升，挤压空泡使空泡群集中溃灭。如此压力交变式的地使每个空化核经历初生、发育、溃灭的过程，当大量空泡溃灭时会产生约4×10⁴-6×10⁴mpa的高压冲击波、100m/s-400m/s的高速微射流以及5000±200k的局部高温，对工件内孔22的内表面进行强化处理。