[发明专利]一种超声振动辅助磨料水射流喷丸强化装置

说明书

本发明公开了一种超声振动辅助磨料水射流喷丸强化装置，属于磨料水射流技术领域。包括超声振动工作台、超声发生器、水射流发生装置、磨料供给装置、运动机构和回收水槽。超声发生器与换能器连接，换能器与变幅杆通过螺纹连接，变幅杆前端安装夹具，经由夹具将振动传递给工件。水射流发生装置中的增压器流出的压力水进入蓄能器稳压后输送至喷嘴，与磨料供给装置输送的磨料粒子混合射出，冲击安装在超声振动工作台上的工件表面进行强化。利用运动机构可调整喷嘴位置和角度，水槽可回收用过的水和磨料。本发明可在强化同时降低工件表面粗糙度，降低射流止滞效应，提高磨料粒子实际冲击动能，还可以增强材料塑性应变，提高残余应力，改善强化效果。

技术领域

本发明涉及一种中小型金属零件表面强化装置，属于磨料水射流技术领域。本发明将超声振动能量引入磨料水射流喷丸强化，能够降低强化表面粗糙度，提高强化效率，改善微观组织结构和残余应力。

背景技术

磨料水射流喷丸是一种柔性冷态金属材料工件表面处理工艺，以高压水作为加速介质，将硬质钝圆磨料粒子作为喷丸粒加速冲击工件表面，引起材料弹塑性变形并引入残余压应力场，从而提高疲劳抗性。相较于普通喷丸，高压水介质可以在工件表面形成液膜减少摩擦，带走热量；还可以提高喷丸聚束性和面形适应性，防止喷丸飞溅以便于回收循环使用和减少污染，符合绿色制造要求。

在磨料水射流喷丸强化过程中，丸粒冲击引入表面残余压应力的同时，又会引起表面粗糙度增大，导致局部应力集中，同时会造成少量表面微损伤。因此，如何减少这些不利因素对工件疲劳性能的负面影响，是改善强化效果的重要问题。超声振动辅助加工技术已经广泛应用于工业领域，在加工工具或工件上施加超声振动后，射流在工件表面的冲击流场、材料的变形行为和受力状况均发生显著改变。通过在工件上施加切向超声振动，可以引入附加剪切力消除工件表面凸峰，降低表面粗糙度；还可以降低磨料水射流在工件表面冲击区造成的止滞效应，提高磨料粒子实际冲击动能；另外还可以在工件中产生表面波增强塑性应变，细化表面微观组织结构，提高残余应力，改善强化效果。目前尚未发现利用超声振动来改善磨料水射流喷丸强化效果的装置和工艺设备。

发明内容

针对磨料水射流喷丸加工存在的问题，本发明提出了一种超声振动辅助磨料水射流喷丸强化装置，能够降低强化表面粗糙度，提高强化效率，改善微观组织结构和残余应力，适用于中小型金属零件表面强化处理。

本发明为达到上述目的采取的技术方案为：一种超声振动辅助磨料水射流喷丸强化装置，包括超声振动工作台、超声发生器、水射流发生装置、磨料供给装置、运动机构和回收水槽。

所述超声振动工作台主要包括换能器、变幅杆、前端夹具和支架，超声发生器与换能器连接，换能器与变幅杆通过螺纹连接，变幅杆前端安装夹具，换能器和变幅杆安装在支架上。

进一步地，所述超声发生器将工频交流电信号转化为超声频信号并进行信号放大，传输给柱形夹心式压电陶瓷换能器，换能器将电信号转换为机械振动；然后通过变幅杆将换能器输出端振幅放大，变幅杆长度为1倍半波长，主体形状为圆锥形；最后经由夹具将振动传递给工件。

进一步地，变幅杆与换能器通过螺纹连接，接触表面进行研磨加工保证精度，并需要涂上硅油减少超声波传递过程中的能量损失。变幅杆位移节面位置加工出法兰盘，连同换能器一起固定在支架上。通过超声发生器自带电路模块可以实现频率自动跟踪补偿和分档调整输出功率。

所述水射流发生装置主要包括过滤器、增压器、蓄能器和喷嘴，过滤器安装在增压器进水口处，增压器出水口通过输水管道连接蓄能器，蓄能器出水口和喷嘴之间通过输水管道连接。

进一步地，增压器负责提供稳定水压，最高压力为200 MPa，工作时压力可在0~70MPa范围内调节。增压器流出的压力水进入蓄能器进一步稳压，然后输送至喷嘴。

进一步地，与喷嘴相连的管路中安装有压力传感器，当水射流压力出现波动时，可以通过压力表监测从而调整增压器压力。