多介质协同水射流表面强化喷射装置及方法与流程

1.本发明涉及水射流表面强化技术领域，特别是涉及一种多介质协同水射流表面强化喷射装置及方法。


背景技术：

2.水射流表面强化技术因其在受限空间的可达性高、操作简便、成本低以及绿色环保等优点而备受国内外关注。现有的水射流表面强化技术包括纯水射流强化、空化射流强化、脉冲水射流强化和磨粒水射流强化。
3.纯水射流强化方法是通过水射流喷嘴直接将高压纯水喷射到金属表面，该工艺的射流介质均为水，可以使金属表面产生有益的残余压应力，并提高表层硬度，但是不会使金属表层发生晶粒细化，并且会造成严重的表面侵蚀现象，强化后的表面粗糙度较高。
4.空化射流强化方法是通过淹没在水中的射流喷嘴产生空化现象，该工艺的射流介质也为水，利用水体中空化气泡溃灭产生的能量来强化金属表面，研究表明，空化射流强化可以诱导金属表层产生大量变形孪晶和位错，但是会使表面产生环形侵蚀现象，提高表面粗糙度。
5.脉冲水射流强化方法是借助机械调制器或超声波转换器将连续射流转变为不连续的流体簇，从而以极高的动能冲击金属表面，现有脉冲水射流强化的射流介质为水或者水与固体磨粒的混合体，脉冲水射流强化方法使得在较低的初始射流压强下达到较大的冲击能量，降低了射流装备成本，但是同样造成严重的表面侵蚀。
6.磨粒水射流强化是在纯水射流强化的基础上将射流介质换成水和固体磨粒的混合体以产生更大的冲击能量，研究表明磨粒水射流强化处理后的金属表层发生明显的塑性变形和晶粒细化，引入了更高的残余压应力和显微硬度，然而处理后的金属表面粗糙度相比于未处理的表面依然较高。
7.因此，兼顾提高表面强化效果的同时降低造成的表面粗糙度是水射流表面强化需要解决的关键问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种多介质协同水射流表面强化喷射装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高表面强化效果，同时降低强化后的表面的粗糙度。
9.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
10.本发明提供了一种多介质协同水射流表面强化喷射装置，包括高压水入口管、分流阀和多介质混合连接阀，所述多介质混合连接阀内设置有至少两个相互隔绝的多介质混合腔，所述高压水入口管和每个所述多介质混合腔都一端与所述分流阀连通，每个所述多介质混合腔的另一端均连接有射流管，所述射流管远离所述多介质混合腔的一端设置有射流喷头，每个所述多介质混合腔都连通有至少两个介质入口，每个所述介质入口远离对应的所述多介质混合腔的一端都连接有进料管。
11.优选的，所述多介质混合腔与所述分流阀连通的一端设置有高压水入口，所述高压水入口内设置有宝石喷嘴，所述高压水入口上连通有高压水溢流口，所述高压水溢流口远离所述高压水入口的一端的开口位于所述多介质混合连接阀的外壁上。
12.优选的，所述多介质混合腔上还设置有气压检测口，所述气压检测口上连接有气压传感器。
13.优选的，任意一个所述多介质混合腔上的全部所述介质入口和所述气压检测口都沿高压水的流动方向间隔分布，所述气压检测口较任意一个所述介质入口都更靠近所述分流阀。
14.优选的，每个所述多介质混合腔上设置有两个所述介质入口，两个所述介质入口分别为磨粒介质入口和抛光润滑介质入口，且所述磨粒介质入口较所述抛光润滑介质入口更靠近所述分流阀；在每个所述进料管上都设置有流量调节阀。
15.优选的，所述多介质混合连接阀内设置有两个所述多介质混合腔，所述分流阀为三通分流阀；所述多介质混合腔通过高压分流管与所述分流阀连通。
16.优选的，所述射流管与所述多介质混合腔转动密封连接，在所述射流管上固设有角度调节件和角度刻度盘。
17.优选的，所述角度刻度盘的0
°
刻度与所述射流管上的所述射流喷头的出口的轴线方向对齐，且所述射流喷头的出口的轴线方向与所述射流管的轴线垂直；所述角度调节件采用齿轮；两个所述射流喷头的朝向相反，且两个所述角度调节件啮合。
18.本发明还提供一种多介质协同水射流表面强化喷射方法，基于上述的多介质协同水射流表面强化喷射装置，通过高压水入口管和分流阀为每个多介质混合腔通入高压水，通过不同的进料管在每个所述多介质混合腔中通入磨粒介质和抛光润滑介质，每个所述多介质混合腔中的高压水、所述磨粒介质和所述抛光润滑介质混合在一起后，经过射流管末端的射流喷头喷出；利用所述射流喷头喷出的多介质混合水射流喷射待强化工件的表面，以对所述待强化工件进行表面强化。
19.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
20.本发明的多介质协同水射流表面强化喷射装置及方法提高了表面强化效果，同时降低了强化后的表面的粗糙度。本发明的多介质协同水射流表面强化喷射装置及方法采用多介质协调射流，其中水作为高速射流的载体，磨粒作为强化相起到增强冲击动能的作用，抛光润滑介质在射流束持续冲击金属表面起到降低表面粗糙度的作用，能够在提高金属表面强化效果的基础上，降低被强化金属的表面质量，同时提高加工效率和被应用的场景。
21.本发明的多介质协同水射流表面强化喷射装置通过双头对称布置射流喷嘴可最大程度保证双侧射流压强一致；最大程度缩小射流喷嘴之间的距离，以适应薄壁工件的表面强化；利用气压传感器检测多介质混合腔的实时气压状态，便于建立气压与强化效应的关联；通过设置流量调节阀调节固液介质的流量；多介质混合连接阀的多介质混合腔中的气压检测口、固体介质进料口、抛光润滑介质进料口沿射流方向间隔分布，便于多介质混合，并避免固液介质流入过程中的互相干涉；通过集成的角度调节件和刻度盘精确调节双头的喷射角度，一方面便于标定射流角度，另一方面提高了双头喷射装置的应用场景，可应用于薄板两侧面、回转工件内外壁的表面强化。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明多介质协同水射流表面强化喷射装置的结构示意图；
24.图2为本发明多介质协同水射流表面强化喷射装置的侧视图；
25.图3为本发明多介质协同水射流表面强化喷射装置的主视图；
26.图4为图2的a-a剖视图；
27.图5为图3的b-b剖视图；
28.图6为本发明多介质协同水射流表面强化喷射装置中多介质混合连接阀的剖视；
29.图7为图3的c-c剖视图；
30.图8为本发明多介质协同水射流表面强化喷射装置应用于薄板工件的示意图；
31.图9为本发明多介质协同水射流表面强化喷射装置应用于薄板工件第一回转工件外壁的示意图；
32.图10为本发明多介质协同水射流表面强化喷射装置应用于第一回转工件内壁的示意图；
33.其中：1、高压水入口管；2、第一锁紧螺母；3、三通分流阀；4、密封螺母；5、高压水分流管；6、第三锁紧螺母；7、过渡压紧接头；8、磨粒介质进料管；9、磨粒流量调节阀；10、直角接头；11、抛光润滑介质进料管；12、液体流量调节阀；13、多介质混合连接阀；13-1、高压水入口；13-2、高压水溢流口；13-3、气压检测口；13-4、磨粒介质入口；13-5、抛光润滑介质入口；13-6、射流管连接口；13-7、多介质混合腔；14、气压传感器；15、射流管压紧组件；15-1、弹性锁紧套；15-2、第四锁紧螺母；16、角度刻度盘；17、角度调节件；18、射流管；19、射流喷头；20、宝石喷嘴；21、薄板工件；22、第一回转工件；23、第二回转工件。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.本发明的目的是提供一种多介质协同水射流表面强化喷射装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高表面强化效果，同时降低强化后的表面的粗糙度。
36.本发明提供了一种多介质协同水射流表面强化喷射装置，包括高压水入口管、分流阀和多介质混合连接阀，所述多介质混合连接阀内设置有至少两个相互隔绝的多介质混合腔，所述高压水入口管和每个所述多介质混合腔都一端与所述分流阀连通，每个所述多介质混合腔的另一端均连接有射流管，所述射流管远离所述多介质混合腔的一端设置有射流喷头，每个所述多介质混合腔都连通有至少两个介质入口，每个所述介质入口远离对应的所述多介质混合腔的一端都连接有进料管。
37.本发明的多介质协同水射流表面强化喷射装置及方法提高了表面强化效果，同时
降低了强化后的表面的粗糙度。
38.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
39.如图1至图10所示：本实施例提供了一种多介质协同水射流表面强化喷射装置，包括高压水入口管1、分流阀3和多介质混合连接阀13，多介质混合连接阀13内设置有两个相互隔绝的多介质混合腔13-7，高压水入口管1和每个多介质混合腔13-7都一端与分流阀3连通，每个多介质混合腔13-7的另一端均连接有射流管18，射流管18远离多介质混合腔13-7的一端设置有射流喷头19，每个多介质混合腔13-7都连通有两个介质入口，每个介质入口远离对应的多介质混合腔13-7的一端都连接有进料管。
40.多介质混合腔13-7通过高压分流管与分流阀3连通。多介质混合腔13-7与分流阀3连通的一端设置有高压水入口13-1，高压水入口13-1内设置有宝石喷嘴20，高压水入口13-1上连通有高压水溢流口13-2，高压水溢流口13-2远离高压水入口13-1的一端的开口位于多介质混合连接阀13的外壁上。
41.多介质混合腔13-7上还设置有气压检测口13-3，气压检测口13-3上连接有气压传感器14。任意一个多介质混合腔13-7上的全部介质入口和气压检测口13-3都沿高压水的流动方向间隔分布，气压检测口13-3较任意一个介质入口都更靠近分流阀3。两个介质入口分别为磨粒介质入口13-4和抛光润滑介质入口13-5，且磨粒介质入口13-4较抛光润滑介质入口13-5更靠近分流阀3；两个进料管分别为磨粒介质进料管8和抛光润滑介质进料管11，在磨粒介质进料管8上设置有磨粒流量调节阀9，在抛光润滑介质进料管11上设置有液体流量调节阀12。
42.射流管18与多介质混合腔13-7转动密封连接，在射流管18上固设有角度调节件17和角度刻度盘16。角度刻度盘16的0
°
刻度与射流管18上的射流喷头19的出口的轴线方向对齐，且射流喷头19的出口的轴线方向与射流管18的轴线垂直；角度调节件17采用齿轮，两个射流喷头19的朝向相反，且两个角度调节件17啮合。
43.在本实施例中，分流阀3采用三通分流阀；高压水入口管1通过第一锁紧螺母2与三通分流阀的入口端螺纹连接，三通分流阀上设置有密封螺母4，高压水分流管5的一端通过第二锁紧螺母与三通分流阀的两出口端螺纹连接，高压水分流管5的另一端通过第三锁紧螺母6与过渡压紧接头7的一端螺纹连接，过渡压紧接头7的另一端与多介质混合连接阀13中的高压水入口13-1螺纹连接，并将宝石喷嘴20压紧在多介质混合连接阀13内。
44.磨粒介质进料管8与磨粒流量调节阀9的一端螺纹连接，磨粒流量调节阀9的另一端通过直角接头10连接到多介质混合连接阀13的磨粒介质入口13-4；抛光润滑介质进料管11与液体流量调节阀12的一端螺纹连接，液体流量调节阀12的另一端通过直角接头10连接到多介质混合连接阀13的抛光润滑介质入口13-5，气压传感器14与多介质混合连接阀13的气压检测口13-3连接。
45.射流管18的顶端通过第四锁紧螺母15-2与多介质混合连接阀13螺纹连接，且射流管18与多介质混合连接阀13之间设置有弹性锁紧套15-1，在旋紧第四锁紧螺母15-2时，弹性锁紧套15-1会被射流管18、多介质混合连接阀13和第四锁紧螺母15-2夹紧，从而保证射流管18与多介质混合连接阀13之间的密封性。
46.角度调节件17逐渐分别固定于两射流管18上，角度刻度盘16与角度调节件17组件
螺栓固定连接，并使角度刻度盘16的0
°
刻度对齐射流喷头19出口的轴线方向，角度刻度盘16、角度调节件17组件和射流管18能够一起沿对应的射流管18轴线转动，规定两射流喷头19出口相对时为0
°
，角度刻度盘16可以直接读取射流管18转动的角度，以及两射流喷头19的夹角，如两射流喷头19出口相背时为180
°
；当射流喷头19转动到目标角度后，射流管18通过射流管压紧组件15与多介质混合连接阀13的射流管连接口13-6密封紧连接。
47.对于多介质混合连接阀13，间隔分布的气压检测口13-3、磨粒介质入口13-4、抛光润滑介质入口13-5，并且各口之间呈一定距离，d1大于检测口半径，d2大于检测口半径和磨粒入口半径之和，d3大于磨粒入口半径和液体入口半径之和，可以有效避免气压检测、以及固液介质在进入多介质混合腔13-7过程中相互干涉，便于多介质的充分混合。
48.本发明还提供一种多介质协同水射流表面强化喷射方法，基于上述的多介质协同水射流表面强化喷射装置，通过高压水入口管1和分流阀3为每个多介质混合腔13-7通入高压水，通过不同的进料管在每个多介质混合腔13-7中通入磨粒介质和抛光润滑介质，每个多介质混合腔13-7中的高压水、磨粒介质和抛光润滑介质混合在一起后，经过射流管18末端的射流喷头19喷出；利用射流喷头19喷出的多介质混合水射流喷射待强化工件的表面，以对待强化工件进行表面强化。
49.下面举例说明本实施例的多介质协同水射流表面强化喷射装置的使用：
50.例一：如图8所示，将本实施例的多介质协同水射流表面强化喷射装置应用于薄板工件21的双侧表面强化中，将本实施例的多介质协同水射流表面强化喷射装置可以安装于三轴机床、加工中心或机械臂上，薄板工件21置于两个射流管18的中间，以保证两射流喷嘴的靶距保持一致，并且确保薄板两侧面的受力一致，避免在表面强化过程中薄板因两面受力不均而发生变形，两射流喷嘴相对于薄板工件21相对移动，通过控制射流水压、喷嘴移动速度、磨粒介质流量、抛光润滑介质流量、射流角度可以改变多介质协同射流强化工艺，优化最佳的射流强化参数。
51.例二：如图9所示，将本实施例的多介质协同水射流表面强化喷射装置应用于第一回转工件22的外壁的双侧表面强化中，第一回转工件22可以呈圆筒状或椭圆筒状等；通过调节两射流喷嘴与工件外壁的距离，以及调节两射流喷嘴的角度使得喷射出口轴线对应于工件的轴心。对第一回转工件22外壁的表面强化过程中，第一回转工件22沿自身轴线进行匀速转动，射流喷嘴自下而上或自上而下缓慢移动，以实现第一回转工件22外壁的全覆盖强化。两个喷嘴同时强化外壁，极大提高了表面强化效率和效果。
52.例三：如图10所示，将本实施例的多介质协同水射流表面强化喷射装置应用于第二回转工件23的内壁的双侧表面强化中，第二回转工件23可以呈圆筒状或椭圆筒状等；通过调节两射流喷嘴与工件内壁的距离，以及调节两射流喷嘴的角度使得喷射出口轴线对应于工件的轴心。对第二回转工件23内壁的表面强化过程中，第二回转工件23沿自身轴线进行匀速转动，射流喷嘴自下而上或自上而下缓慢移动，以实现第二回转工件23内壁的全覆盖强化。两个喷嘴同时强化内壁，极大提高了表面强化效率和效果。
53.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对
重要性。
54.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。