以后混合高壓水射流技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化工藝,設(shè)計了可實現(xiàn)噴丸全覆蓋率的四軸三聯(lián)動噴頭運(yùn)動式龍門結(jié)構(gòu)的后混合水射流,丸強(qiáng)化裝置,并首次設(shè)計了提高受噴零部件定位精度的激光工件定位裝置。為后混合水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)的深入研究及工業(yè)推廣奠定了基礎(chǔ)。

1引言

噴丸強(qiáng)化是提高金屬零部件疲勞性能最有效的方法。后混合水射流噴丸強(qiáng)化是高壓水射流技術(shù)的一個重要分支,是1980年代末問世的一項濕法噴丸強(qiáng)化新技術(shù)”。
其強(qiáng)化原理是:由高壓泵產(chǎn)生的高壓水,通過噴頭的水噴嘴噴出形成高壓水射流,彈丸由供丸裝置送入混合室,與高壓水射流在混合室內(nèi)發(fā)生劇烈摻混和動量交換,最后經(jīng)彈丸噴嘴噴出,形成彈丸射流并噴射到金屬零部件表面,零部件表層材料在再,晶溫度下產(chǎn)生塑性形變(冷作硬化層),呈現(xiàn)理想的組織結(jié)構(gòu)(組織強(qiáng)化)和殘余應(yīng)力分布(應(yīng)力強(qiáng)化),從而達(dá)到提高零部件周期疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力的目的。它開辟了后混合水射流新的應(yīng)用領(lǐng)域,并使傳統(tǒng)的噴丸強(qiáng)化技術(shù)增添了新的技術(shù)優(yōu)勢,且噴丸強(qiáng)化效果顯著。然而經(jīng)檢索目前并無專門用于實際工業(yè)生產(chǎn)的后混合水射流噴丸強(qiáng)化裝置,大大制約著科研工作者對后混合水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)的深人研究及工業(yè)推廣,因此研制適用于工業(yè)生產(chǎn)實際的成本低、噴丸效果好、安全可靠、使用方便、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的后混合水射流噴丸強(qiáng)化裝置具有較大的經(jīng)濟(jì)意義和重要的應(yīng)用價值。

2系統(tǒng)設(shè)計

后混合水射流噴丸強(qiáng)化裝置主要由供水系統(tǒng)、供壓系統(tǒng)、供丸系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。

(1)供水系統(tǒng)

對于后混合水射流噴丸強(qiáng)化裝置而言,水是動能傳遞的載體。供水系統(tǒng)對噴丸強(qiáng)化裝置用水進(jìn)行水質(zhì)軟化處理,使水的pH值達(dá)到6-8,并對水的pH值進(jìn)行監(jiān)測,必要時加人清洗劑、防銹劑等添加劑,并采用具有粗、精雙重過濾的過濾器進(jìn)行過濾,確保濾去水中粒徑大于0.45um的塵埃、微粒、礦物質(zhì)沉淀物等,以減輕對過流部件的腐蝕和磨損,延長各過流部件的使用壽命。

(2)供壓系統(tǒng)

供壓系統(tǒng)是整個噴丸強(qiáng)化裝置的動力源,是將原動機(jī)的能量轉(zhuǎn)換為水的壓力能輸出,為水射流噴丸強(qiáng)化裝置的正常工作提供動力的系統(tǒng),因此其輸出壓力范圍、供壓穩(wěn)定性及脈動量均影響著噴丸壓力和強(qiáng)化效果。供壓系統(tǒng)采用前置泵和增壓泵,前置泵將水箱中的水經(jīng)過濾器輸送至增壓泵內(nèi),由增壓泵加壓至工作壓力。設(shè)計中裝置壓力為:0-380MPa,脈動量控制在5%之內(nèi),增壓裝置采用臥式雙作用柱塞增壓泵,不均勻系數(shù)為13%。并安裝壓力檢測裝置,將檢測到的壓力顯示在壓力表上,以便操作人員對工作壓力進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié),滿足噴丸所需的工作壓力。

（3）供丸系統(tǒng)

在進(jìn)行后混合水射流噴丸強(qiáng)化時,需向噴頭的混合室流 內(nèi)均勻、連續(xù)、統(tǒng)精確地給彈丸，因此要求其管工作可靠、不堵塞以及定量供丸、連續(xù)供丸。設(shè)計中采用以壓縮空氣為動力、可以實現(xiàn)大流量供給的干丸供給系統(tǒng)。該系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、油水分離器、氣閥、貯丸罐、彈丸閥、供丸管等組成,如圖1所示。其中油水分離器是分離壓縮空氣中凝聚的油分和水分等雜質(zhì)的裝置,使壓縮空氣得到凈化,減少空氣、彈丸混合流的含水量;貯丸罐為倒錐形,可以保證彈丸供給通暢、不易堵塞;氣閥控制空氣流量;彈丸閥控制彈丸流量。

(4)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是控制水射流噴丸強(qiáng)化裝置中各軸的運(yùn)動以及供水系統(tǒng)、供壓系統(tǒng)、供丸系統(tǒng)的工作,并控制噴丸強(qiáng)化過程中各個參數(shù),以實現(xiàn)對金屬零部件的精確噴丸,使其得到預(yù)期的強(qiáng)化效果。

設(shè)計中考慮對回轉(zhuǎn)工件的噴丸強(qiáng)化,機(jī)床具有X、rZ軸以及繞工件轉(zhuǎn)動的回轉(zhuǎn)軸,因此其控制系統(tǒng)應(yīng)具備四軸三聯(lián)動的功能,并可實現(xiàn)對供水系統(tǒng)、供壓系統(tǒng)及供丸系統(tǒng)的精確控制。綜合考慮上述要求及性價比等,設(shè)計中采用國產(chǎn)華興WA-320W型數(shù)控系統(tǒng)作為后混合水射流噴丸強(qiáng)化裝置的控制系統(tǒng)。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)工作臺

工作臺是后混合水射流噴丸強(qiáng)化裝置的主體部分,設(shè)計中工作臺采用具有噴丸效率高、跨距大、剛度高的噴頭運(yùn)動式龍門結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)主要由左右龍門架與橫梁、工作臺面與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動力元件、傳動系統(tǒng)、防護(hù)罩及工件定位裝置等幾部分組成。整個工作臺具有X、Y、Z軸以及繞工件轉(zhuǎn)動的回轉(zhuǎn)軸B軸,可實現(xiàn)四軸三聯(lián)動,如圖2所示。

由于噴頭上的彈丸噴嘴為脆性材料制成,不能與受噴工件發(fā)生直接接觸,因此不易對正起噴位置,所以容易導(dǎo)致實際噴丸位置與理論噴丸位置存在誤差。為減小或消除這種誤差、實現(xiàn)噴丸效果,本文首次設(shè)計了能夠應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的激光工件定位裝置,如圖3所示,主要由激光探頭、探頭座、導(dǎo)軌和鎖緊裝置等組成。其工作原理是當(dāng)受噴工件安裝并固定在工作臺面后,沿導(dǎo)軌4分別移動X向和Y向上的探頭座2,使激光探頭1發(fā)出的扇面形激光束對準(zhǔn)起噴位置,然后控制噴頭移到兩激光束所相交的位置,當(dāng)兩個激光探頭發(fā)出的扇面形激光完全被噴頭遮住時便完成了工件的定位。

(2) 噴頭

噴頭是水射流噴丸強(qiáng)化裝置中重要的組成部分,其性能優(yōu)劣和使用壽命的長短直接影響著噴丸強(qiáng)化的效果和經(jīng)濟(jì)效益。后混合水射流噴丸噴頭主要由水噴嘴、混合室和彈丸噴嘴三部分組成。綜合考慮能量傳輸效率、射流密集性及加工難易性等因素,將噴頭設(shè)計成單射流側(cè)進(jìn)式結(jié)構(gòu),如圖4所示。其基本工作原理是,高壓水通過中間管路經(jīng)水噴嘴1噴出高壓水射流,彈丸由空氣壓縮機(jī)為動力源的供丸系統(tǒng)送至噴頭的混合室2內(nèi),并在混合室內(nèi)與水射流摻混和能量交換,經(jīng)彈丸噴嘴4噴出,形成彈丸射流。

水噴嘴是高壓水的壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿奈ㄒ涣慵?考能量傳輸效率、耐磨性、水噴嘴是高壓水的壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿奈ㄒ涣慵?考慮能量傳輸效率、耐磨性、加工難易性及使用成本等因素,將水噴嘴設(shè)計成圓E收斂形, 采用人造紅寶石制成,如圖5所示,其中收斂角a=13度 .d=0.33mm,l =0.8mm， L=2mm， d =2mm。

彈丸噴嘴的結(jié)構(gòu)形式與水噴嘴結(jié)構(gòu)相近,并適當(dāng)加長了圓柱段的長度。彈丸噴嘴直徑過小,不僅磨損嚴(yán)重,而且還會影響混合室內(nèi)的真空度,嚴(yán)重時甚至被彈丸堵塞;彈丸噴嘴直徑過大,射流擴(kuò)散嚴(yán)重,而且還有可能造成空氣由彈丸噴嘴流入混合室,破壞混合室內(nèi)的真空度,影響彈丸與水射流的混合效果,進(jìn)一步加劇彈丸射流擴(kuò)散。設(shè)計中采用碳化鎢硬質(zhì)合金作為彈丸噴嘴材料,彈丸噴嘴長度為77.5mm,彈丸噴嘴直徑為0.8mm

4結(jié)語

本文在滿足安全可靠、使用方便、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等要求的基礎(chǔ)上,設(shè)計了可對板類、軸類及曲面類金屬零部件實現(xiàn)全覆蓋率噴丸強(qiáng)化的后混合水射流噴丸強(qiáng)化裝置。供水系統(tǒng)采用具有粗、精雙重過濾的過濾器對后混合水射流噴丸用水進(jìn)行過濾并檢測其pH值;供壓系統(tǒng)采用臥式雙作用柱塞增壓泵為增壓裝置,并安裝壓力檢測裝置檢測工作壓力;供丸系統(tǒng)采用以壓縮空氣為動力的干丸供給系統(tǒng),實現(xiàn)了工作可靠、供丸均勻、不堵塞、定量供丸和連續(xù)供應(yīng)彈丸;控制系統(tǒng)采用可實現(xiàn)四軸三聯(lián)動的華興WA-320w型數(shù)控系統(tǒng);工作臺設(shè)計為噴頭運(yùn)動式的龍門結(jié)構(gòu),具有X、Y、Z軸和繞工件轉(zhuǎn)動的回轉(zhuǎn)軸4個基本坐標(biāo)軸,并首次設(shè)計了可提高工件定位精度的激光工件定位裝置;噴頭為結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于加工、射流穩(wěn)定性較高的單射流側(cè)進(jìn)式噴頭,水噴嘴采用由人造紅寶石加工成的圓錐收斂形結(jié)構(gòu),收斂角為130,彈丸噴嘴采用具有高硬度和耐磨性的碳化鎢硬質(zhì)合金制成,長度為77.5mm,直徑為0.8mm。