本發(fā)明涉及軸類(lèi)零件空化的裝置及方法，尤其涉及一種用于軸類(lèi)零件空化射流強(qiáng)化的裝置及方法。

背景技術(shù)：

空化現(xiàn)象是流體動(dòng)力學(xué)中一種特殊現(xiàn)象，是水力機(jī)械領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。當(dāng)液體內(nèi)局部壓力降低至飽和蒸汽壓甚至負(fù)值時(shí)，液體內(nèi)部和固液的交界上會(huì)形成一個(gè)空穴，通常稱(chēng)這種現(xiàn)象叫空化。隨著研究領(lǐng)域的不斷拓展和深入，在水泵和水輪機(jī)相繼發(fā)現(xiàn)了由于空化而引起的空蝕的現(xiàn)象，在高壩的泄水建筑物中也出現(xiàn)了空蝕破壞。對(duì)于如何合理利用空化現(xiàn)象來(lái)為社會(huì)生產(chǎn)服務(wù)，一直是科研工作者所關(guān)注的問(wèn)題。

軸作為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的核心部件，使用范圍十分廣泛。軸是整個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中受力最大和最為復(fù)雜的部件，軸的穩(wěn)定性直接決定整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而，由于長(zhǎng)期承受扭矩負(fù)荷以及軸承的擠壓與摩擦，軸類(lèi)零件最主要的破壞表現(xiàn)為磨損、塑性變形、疲勞斷裂，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)直接扭斷的情形，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全。因此，對(duì)軸類(lèi)零件的表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，提高其耐磨性能以及疲勞壽命具有深遠(yuǎn)的意義。

空化射流強(qiáng)化是一種利用空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高能量密度沖擊波對(duì)材料進(jìn)行表面強(qiáng)化處理的方法，該方法通過(guò)高壓水射流配合特殊結(jié)構(gòu)的噴嘴誘導(dǎo)產(chǎn)生空化空泡，空泡在材料表面發(fā)生潰滅并產(chǎn)生微射流和沖擊波，使材料表面晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化并產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。此方法與激光空化強(qiáng)化法相比的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需引入外部能量來(lái)誘導(dǎo)空化的發(fā)生，而相對(duì)傳統(tǒng)噴丸處理方法具有高效、清潔和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。然而，現(xiàn)有技術(shù)中并沒(méi)有應(yīng)用空化射流強(qiáng)化來(lái)對(duì)材料進(jìn)行表面強(qiáng)化處理的裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，本發(fā)明提供了一種用于軸類(lèi)零件空化射流強(qiáng)化的裝置及方法，通過(guò)噴嘴產(chǎn)生空泡，將攜帶空泡的射流直接作用在軸類(lèi)零件的表面上進(jìn)行表面強(qiáng)化，能對(duì)軸類(lèi)金屬材料表面進(jìn)行不同強(qiáng)度的空泡沖擊波強(qiáng)化。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。

一種用于軸類(lèi)零件空化射流強(qiáng)化的裝置，包括工件加工系統(tǒng)、高壓供水系統(tǒng)、低壓供水系統(tǒng)、蓄水池和噴嘴裝置；

所述工件加工系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)裝置和加工池，所述驅(qū)動(dòng)裝置與二維導(dǎo)軌滑動(dòng)連接，驅(qū)動(dòng)裝置上設(shè)有三爪卡盤(pán)和三爪卡盤(pán)控制手柄，所述三爪卡盤(pán)用于夾緊和定位與試件軸；

所述噴嘴裝置為t形結(jié)構(gòu)，噴嘴裝置的中心軸線(xiàn)上設(shè)有通孔，通孔外側(cè)設(shè)有環(huán)形流道，噴嘴裝置的上端設(shè)有兩側(cè)關(guān)于通孔對(duì)稱(chēng)的高壓水孔，所述高壓水孔與環(huán)形流道相通；

所述噴嘴裝置水平放置，試件軸穿過(guò)通孔，通孔與二維導(dǎo)軌保持平行，通孔的兩端分別為前噴嘴和后噴嘴，前噴嘴和后噴嘴與試件軸之間均設(shè)有口環(huán)，噴嘴裝置的內(nèi)壁上設(shè)有多個(gè)收縮流道層，所述收縮流道層上設(shè)有沿圓周均勻分布的多個(gè)收縮流道，所述收縮流道的進(jìn)水口切向夾角α大于出水口切向夾角β，收縮流道與環(huán)形流道及通孔相通；

所述加工池位于噴嘴裝置的下方，加工池與蓄水池通過(guò)管路連接；

所述高壓供水系統(tǒng)給高壓水孔供水，所述低壓供水系統(tǒng)給噴嘴裝置上的通孔供水。

優(yōu)選地，所述高壓供水系統(tǒng)包括高壓柱塞泵，高壓柱塞泵的出水口通過(guò)管路分別與高壓水孔和蓄水池連接；所述低壓供水系統(tǒng)包括離心泵，離心泵通過(guò)管路分別與噴嘴裝置上的后噴嘴和蓄水池連接。

優(yōu)選地，所述高壓柱塞泵的出水口與蓄水池的連接管路上安裝有泄壓閥。

優(yōu)選地，所述高壓柱塞泵與高壓水孔連接處設(shè)有壓力表。

優(yōu)選地，所述收縮流道的進(jìn)水口切向夾角α為30°～40°、出水口切向夾角β為20°～30°，所述收縮流道的圓周包角γ為40°～45°，所述收縮流道內(nèi)外圓周的徑向壁厚是噴嘴裝置外壁的壁厚的0.1～0.5倍，所述收縮流道層沿噴嘴裝置軸向等距均勻分布，所述噴嘴裝置上含有收縮流道層的試件軸向長(zhǎng)度是通孔軸向長(zhǎng)度的0.4～0.8倍。

一種使用上述用于軸類(lèi)零件空化射流強(qiáng)化的裝置的方法，包含以下步驟：

步驟一：對(duì)試件軸進(jìn)行預(yù)處理。用無(wú)水乙醇或丙酮清洗試件軸表面，除去試件軸表面的油污和灰層，使試件軸表面更光潔，防止對(duì)空化射流強(qiáng)化過(guò)程產(chǎn)生干擾；

步驟二：試件軸的夾緊定位。用三爪卡盤(pán)將預(yù)處理過(guò)的試件軸夾緊，使試件軸穿過(guò)噴嘴裝置的通孔，并與噴嘴裝置同軸。

步驟三：?jiǎn)?dòng)低壓供水系統(tǒng)中的離心泵，向通孔中注入低壓水，使得試件軸的強(qiáng)化段淹沒(méi)在低壓水中；

步驟四：?jiǎn)?dòng)高壓柱塞泵，將蓄水水池中的水輸入到高壓水孔，監(jiān)測(cè)壓力表的壓力值，當(dāng)壓力過(guò)高時(shí)調(diào)節(jié)泄壓閥；

步驟五：?jiǎn)?dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)試件軸同時(shí)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)和勻速軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，保證表面強(qiáng)化的均勻性和可靠性。

步驟六：關(guān)閉所有裝置，將經(jīng)過(guò)處理的試件軸取下，干燥處理之后在試件軸表面涂上防銹保護(hù)層。

本發(fā)明的有益效果：

1)本發(fā)明利用噴嘴裝置的收縮流道產(chǎn)生空化泡，利用空化泡潰滅時(shí)產(chǎn)生局部超高壓及高強(qiáng)度沖擊波強(qiáng)化軸類(lèi)零件的表面，相對(duì)傳統(tǒng)噴丸處理方法具有高效、清潔和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，而相比激光空化強(qiáng)化本發(fā)明避免引入外部能量以達(dá)到產(chǎn)生空化效果，同時(shí)整個(gè)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于長(zhǎng)軸類(lèi)零件的快速?gòu)?qiáng)化；

2)空泡沖擊波強(qiáng)化軸類(lèi)零件比傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化效果更加明顯，壁面的殘余壓應(yīng)力、疲勞壽命明顯得到延長(zhǎng)，軸的耐磨性得到加強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述一種用于軸類(lèi)零件空化射流強(qiáng)化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述噴嘴裝置的軸向剖面示意圖。

圖3為本發(fā)明所述噴嘴裝置上的收縮流道層示意圖。

其中：

1.高壓柱塞泵；2.驅(qū)動(dòng)裝置；3.加工池；4.噴嘴裝置；5.試件軸；6.蓄水水池；7.壓力表；8.泄壓閥；9.離心泵，10.口環(huán)；11.二維導(dǎo)軌；12.三爪卡盤(pán)；13.高壓水孔；14.收縮流道；15.通孔；16.環(huán)形流道。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

如圖1所示，本發(fā)明所述的一種用于軸類(lèi)零件空化射流強(qiáng)化的裝置，包括工件加工系統(tǒng)、高壓供水系統(tǒng)、低壓供水系統(tǒng)、蓄水池6和噴嘴裝置4，所述工件加工系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)裝置2和加工池3，所述驅(qū)動(dòng)裝置2上設(shè)有三爪卡盤(pán)12和三爪卡盤(pán)控制手柄，所述三爪卡盤(pán)12用于夾緊和定位與試件軸5，驅(qū)動(dòng)裝置2與二維導(dǎo)軌11滑動(dòng)連接，所述二維導(dǎo)軌11和驅(qū)動(dòng)裝置2可以實(shí)現(xiàn)試件軸5同時(shí)進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

所述噴嘴裝置4為t形結(jié)構(gòu)，噴嘴裝置4的中心軸線(xiàn)上設(shè)有通孔15，通孔15外側(cè)設(shè)有環(huán)形流道16，噴嘴裝置4的上端設(shè)有兩側(cè)關(guān)于通孔15對(duì)稱(chēng)的高壓水孔13，所述高壓水孔13與環(huán)形流道16相通。

噴嘴裝置4置于支架上，使得通孔15與二維導(dǎo)軌11保持平行，試件軸5穿過(guò)通孔15，通孔15的兩端分別為前噴嘴和后噴嘴，前噴嘴和后噴嘴與試件軸5之間均設(shè)有口環(huán)10，所述口環(huán)10能夠密封住前后噴嘴與軸5之間的一部分空隙。

噴嘴裝置4的內(nèi)壁上設(shè)有多個(gè)收縮流道層，所述收縮流道層上設(shè)有沿圓周均勻分布的多個(gè)收縮流道14，所述收縮流道14與環(huán)形流道16及通孔15相通。所述收縮流道14的進(jìn)水口切向夾角α為30°～40°，出水口切向夾角β為20°～30°，所述收縮流道14的圓周包角γ為40°～45°，所述收縮流道14內(nèi)外圓周的徑向壁厚是噴嘴裝置4外壁的壁厚的0.1～0.5倍，所述收縮流道層沿噴嘴裝置4軸線(xiàn)等距均勻分布，所述噴嘴裝置4上含有流道的軸向長(zhǎng)度是通孔15軸向長(zhǎng)度的0.4～0.8倍。

所述加工池3位于噴嘴裝置4的下方用于收集噴嘴裝置4上的前后噴嘴處流出的水，加工池3與蓄水池6連接。所述高壓供水系統(tǒng)包括高壓柱塞泵1，高壓柱塞泵1的出水口通過(guò)管路分別與高壓水孔13和與蓄水池6的連接，高壓柱塞泵1與高壓水孔13的連接管路上設(shè)有泄壓閥8，用于防止高壓水的壓力過(guò)高，保證裝置的安全可靠。高壓柱塞泵1與高壓水孔13的連接處安裝有壓力表7，所述壓力表7用于監(jiān)測(cè)噴嘴的進(jìn)口壓力。

所述低壓供水系統(tǒng)包括離心泵9，離心泵9通過(guò)管路分別與噴嘴裝置4上的后噴嘴和蓄水池6連接。

使用本發(fā)明所述用于試件軸類(lèi)零件空化射流強(qiáng)化的裝置的方法，包含以下步驟：

步驟一：對(duì)試件軸5進(jìn)行預(yù)處理。用無(wú)水乙醇或丙酮清洗試件軸5表面，除去試件試件軸5表面的油污和灰層，使試件軸5表面更光潔，防止對(duì)空化射流強(qiáng)化過(guò)程產(chǎn)生干擾；

步驟二：試件軸5的夾緊定位。用三爪卡盤(pán)12將預(yù)處理過(guò)的試件軸5夾緊，使試件軸5穿過(guò)噴嘴裝置4的通孔5，并與噴嘴裝置4同軸。

步驟三：?jiǎn)?dòng)低壓供水系統(tǒng)中的離心泵9，向通孔5中注入低壓水，使得試件軸5的強(qiáng)化段淹沒(méi)在低壓水中；

步驟四：?jiǎn)?dòng)高壓柱塞泵1，將蓄水水池6中的水輸入到高壓水孔13，監(jiān)測(cè)壓力表7的壓力值，當(dāng)壓力過(guò)高時(shí)調(diào)節(jié)泄壓閥8；

步驟五：?jiǎn)?dòng)驅(qū)動(dòng)裝置2，驅(qū)動(dòng)試件軸5同時(shí)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)和勻速軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，保證表面強(qiáng)化的均勻性和可靠性。

步驟六：關(guān)閉所有裝置，將經(jīng)過(guò)處理的試件軸5取下，干燥處理之后在試件軸5表面涂上防銹保護(hù)層。

所述實(shí)施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見(jiàn)的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。