一种汇流聚焦超声空化喷丸装置及方法

技术领域

本申请涉及金属表面加工技术领域，特别涉及一种汇流聚焦超声空化喷丸装置及方法。

背景技术

随着科技的发展，提高材料性能势在必行。喷丸强化工艺作为最常见的金属表面处理技术，具有实用性好、适用范围广、价格低廉等优点，其原理是通过冲击或撞击金属表面，晶粒细化产生塑性变形，引入残余应力，达到表面强化的效果，继而使金属工件的疲劳性能得到改善，并延长服役寿命。然而，传统喷丸技术的局限性在于弹丸能量较高、弹丸直径大，对曲面形状复杂、尺寸较小的特殊工件无法实现高质量强化，因此研究一种针对该特殊工件的喷丸强化工艺是势在必行的。

超声空化效应是超声波在液体中传播时，伴随着周期性声压作用下，液体局部发生压降并且压力低至临界数值时，造成其中析出气体空泡或空穴的现象。完整的超声空化流程包含空泡的形成、发展和最后的溃灭，溃灭时伴随产生了高压冲击波、高速微射流及局部高温热点，其能量高度集中，可在目标表面局部区域产生极高的冲击压力，使其表面发生塑性变形。

然而，超声空化主要应用于能源、化工、医药等领域，而在金属表面处理技术领域应用却基本空白。由于超声空化所产生的空化泡分散且不具有普遍规律性，很难做到空化云的有效控制，且声致空化泡生命周期短、溃灭速度快，无法达到能量集中利用的效果，使得空化泡溃灭能量利用率变低，因而需要研发一种面向曲面形状复杂、尺寸较小的特殊工件并提高空化泡溃灭能量利用率的超声空化喷丸装置。

发明内容

本申请实施例提供了一种汇流聚焦超声空化喷丸装置及方法，用以解决现有技术中声致空化泡溃灭能量利用率较低的问题。

一方面，本申请实施例提供了一种汇流聚焦超声空化喷丸装置，包括：

框架；

超声空化发生组件，设置在框架内部，框架内部还设置有漏斗型的汇流聚焦箱体，超声空化发生组件位于汇流聚焦箱体上方，且超声空化发生组件的超声空化发生端伸入汇流聚焦箱体内部，汇流聚焦箱体内部盛放有液体；

工件夹持驱动组件，设置在框架内部，且位于汇流聚焦箱体下方，工件夹持驱动组件用于夹持并驱动工件转动，工件夹持驱动组件夹持工件后，工件位于汇流聚焦箱体下端的出液口正下方，且工件紧贴出液口；

液体循环利用装置，位于工件夹持驱动组件下方，液体循环利用装置用于盛接从出液口流出的液体。

另一方面，本申请实施例还提供了一种汇流聚焦超声空化喷丸方法，包括：

启动超声空化发生组件，在液体中产生空化泡；

采用工件夹持驱动组件夹持并驱动工件转动，空化泡形成的空泡云对工件的表面进行强化处理；

由位于工件夹持驱动组件下方的液体循环利用装置盛接从出液口流出的液体。

本申请中的一种汇流聚焦超声空化喷丸装置及方法，具有以下优点：

1、利用漏斗型的汇流聚焦箱体，在液体重力作用下，将超声空化发生装置产生的分散的空化泡形成汇聚，进一步实现空化泡的迁移，通过调节摇杆带动丝杠转动实现改变超声空化发生装置与汇流聚焦箱体底部工件之间的距离，继而实现空化泡溃灭时能量利用率的调节可控化。

2、可以实现超声空化发生装置在汇流液体中产生空化泡，形成空泡云，进一步将空化泡溃灭时伴随产生的能量作用于曲面形状复杂、尺寸较小的工件表面特殊区域，产生极高的冲击压力，使其表面发生塑性变形，晶粒细化，继而使金属工件的疲劳性能得到改善，并延长服役寿命。

3、可实现液体介质循环高效利用，同时通过调节步进电机的转速，可实现改变回转工件的喷丸强化工艺效果，节约时间和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，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。

图1为本申请实施例提供的一种汇流聚焦超声空化喷丸装置的主视结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种汇流聚焦超声空化喷丸装置的侧视结构示意图；

图3为本申请实施例提供的框架的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的传动机构的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的超声空化发生组件的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的工件夹持驱动组件的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的液体循环利用装置的结构示意图。

附图标号说明：1-框架，2-传动机构，3-超声空化发生组件，4-超声空化冷却装置，5-工件夹持驱动组件，6-液体循环利用装置，1-1-第一型材杆，1-2-第三滑块挡板，1-3-第一侧板，1-4-第一滑块挡板，1-5-第二侧板，1-6-第二型材杆，1-7-第三侧板，1-8-第二滑块挡板，1-9-第三型材杆，1-10-第四侧板，1-11-控制箱，1-12-第四型材杆，1-13-汇流聚焦箱体，1-15-第五型材杆，1-16-第六型材杆，1-17-第七型材杆，1-18-第八型材杆，1-19-第九型材杆，1-20-第十型材杆，2-1-第一滑块，2-2-竖向传动丝杠，2-3-第一摇杆，2-4-固定轴，2-5-第二滑块，3-1-超声空化发生装置，3-2-固定横杆，4-1-气体导管，4-2-空气压缩机，5-1-第一限位板，5-2-第一导向轴，5-3-第一支撑滑块，5-4-步进电机，5-5-主轴，5-6-第二支撑滑块，5-7-联轴器，5-8-工件，5-9-顶杆，5-10-第三支撑滑块，5-11-第三导向轴，5-12-第三限位板，5-13-第三摇杆，5-14-第二横向传动丝杠，5-15-第四导向轴，5-16-第四限位板，5-17-第二限位板，5-18-第一横向传动丝杠，5-19-第二导向轴，5-20-第二摇杆，6-1-液体泵，6-2-液体收集箱，6-3-液体导管。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1-7为本申请实施例提供的一种汇流聚焦超声空化喷丸装置的结构示意图。本申请实施例提供了一种汇流聚焦超声空化喷丸装置，包括：

框架1；

超声空化发生组件3，设置在框架1内部，框架1内部还设置有漏斗型的汇流聚焦箱体1-13，超声空化发生组件3位于汇流聚焦箱体1-13上方，且超声空化发生组件3的超声空化发生端伸入汇流聚焦箱体1-13内部，汇流聚焦箱体1-13内部盛放有液体；

工件夹持驱动组件5，设置在框架1内部，且位于汇流聚焦箱体1-13下方，工件夹持驱动组件5用于夹持并驱动工件5-8转动，工件夹持驱动组件5夹持工件5-8后，工件5-8位于汇流聚焦箱体1-13下端的出液口正下方，且工件5-8紧贴出液口；

液体循环利用装置6，位于工件夹持驱动组件5下方，液体循环利用装置6用于盛接从出液口流出的液体。

示例性地，框架1包括十根铝合金材质的型材杆、四块钢化玻璃材质的侧板和三个滑块挡板。十根型材杆中有四根立柱型材和六根横杆型材，四根立柱型材分别为第一型材杆1-1、第二型材杆1-6、第三型材杆1-9和第四型材杆1-12，均竖直设置，四根立柱型材呈棱柱状布局，相邻两个立柱型材之间通过粘接侧板的方式固定连接在一起，形成立方体柱状结构。六根横杆型材分别为第五型材杆1-15、第六型材杆1-16、第七型材杆1-17、第八型材杆1-18、第九型材杆1-19和第十型材杆1-20，六根横杆型材均水平至，其中第五型材杆1-15、第六型材杆1-16、第九型材杆1-19和第十型材杆1-20均水平固定连接在四根立柱型材下端，第七型材杆1-17和第八型材杆1-18均水平固定连接在第五型材杆1-15和第九型材杆1-19上。

四块侧板位于四根立柱型材的四面，分别为第一侧板1-3、第二侧板1-5、第三侧板1-7和第四侧板1-10，四块侧板均竖直设置并与四根立柱型材相互粘接。三个滑块挡板中的两个位于立柱型材的顶部，分别为第一滑块挡板1-4和第二滑块挡板1-8，两个滑块挡板对角设置并与夹角处的立柱型材和侧板固定连接。第三滑块挡板1-2位于第一滑块挡板1-4正下方，二者存在一定距离且固定连接于夹角处的立柱型材和侧板。

汇流聚焦箱体1-13包括粘接在一起的方形中空玻璃板和漏斗型钢化玻璃，方形中空玻璃板的外部侧边与框架1中的四块侧板粘接，漏斗型钢化玻璃的下端即为出液口。由于工件5-8需要转动，因此其和出液口之间存在一定的间隙，而液体可以从该间隙中流出，流出的液体自然下落即可进入到液体循环利用装置6中。

在一种可能的实施例中，还包括：传动机构2，设置在框架1的内侧面，超声空化发生组件3与传动机构2连接，传动机构2用于调节超声空化发生组件3的高度。

示例性地，传动机构2包括：竖向传动丝杠2-2，竖向转动设置在框架1的内侧面，竖向传动丝杠2-2的上端设置有第一摇杆2-3；第一滑块2-1，螺接在竖向传动丝杠2-2外侧面上，超声空化发生组件3连接在第一滑块2-1的侧面上。

进一步地，竖向传动丝杠2-2的上下两端分别转动设置在第一滑块挡板1-4和第三滑块挡板1-2中，当第一摇杆2-3围绕轴心转动时也会带动竖向传动丝杠2-2转动，而在超声空化发生组件3的限制下第一滑块2-1无法随着竖向传动丝杠2-2一起转动，因此会在竖向传动丝杠2-2上沿轴向上下移动，进而带动超声空化发生组件3上下移动，改变超声空化发生组件3和工件5-8之间的距离，使二者的距离保持在20mm以内。

在本申请的实施例中，传动机构2还包括固定轴2-4和第二滑块2-5，固定轴2-4为光轴，其上端固定设置在第二滑块挡板1-8端面上，第二滑块2-5滑动设置在固定轴2-4上，超声空化发生组件3连接在第二滑块2-5的侧面上。

超声空化发生组件3包括超声空化发生装置3-1和固定横杆3-2。固定横杆3-2的一端与超声空化发生装置3-1固定连接，另一端与第一滑块2-1以及第二滑块2-5连接。

超声空化发生装置3-1的上端连接有超声波发生器，下端为平整的圆形辐射面，该辐射面伸入存在液体的汇流聚焦箱体1-13中产生空化现象。

在一种可能的实施例中，还包括：超声空化冷却装置4，设置在框架1上，超声空化冷却装置4与超声空化发生组件3连接，用于对超声空化发生组件3进行冷却。

示例性地，超声空化冷却装置4包括空气压缩机4-2和气体导管4-1，空气压缩机4-2设置在框架1上，其通过气体导管4-1与超声空化发生装置3-1上端的超声波发生器连接，超声波发生器工作时产生的热量经过气体导管4-1传递至空气压缩机4-2，使这些热量能够被快速排出，确保超声波发生器的正常工作。

在一种可能的实施例中，工件夹持驱动组件5包括：第一限位板5-1和第二限位板5-17，均设置在框架1内部，且第一限位板5-1和第二限位板5-17相对设置；第一横向传动丝杠5-18，转动设置在第一限位板5-1和第二限位板5-17之间，第一横向传动丝杠5-18的一端设置有第二摇杆5-20；第一导向轴5-2和第二导向轴5-19，平行设置在第一限位板5-1和第二限位板5-17之间，且第一导向轴5-2和第二导向轴5-19与第一横向传动丝杠5-18平行；第一支撑滑块5-3，螺接在第一横向传动丝杠5-18外侧面上，且第一导向轴5-2和第二导向轴5-19均滑动穿过第一支撑滑块5-3；步进电机5-4，设置在第一支撑滑块5-3的侧面上，步进电机5-4的主轴5-5末端设置有联轴器5-7，联轴器5-7用于夹持工件5-8。

示例性地，第一导向轴5-2和第二导向轴5-19分别位于第一横向传动丝杠5-18的两侧，以确保第一支撑滑块5-3不会随着第一横向传动丝杠5-18一起转动，并限制第一支撑滑块5-3的滑动方向。当第二摇杆5-20绕轴心转动时，将带动第一横向传动丝杠5-18转动，进而使第一支撑滑块5-3左右移动，以方便调节工件5-8的水平位置。

进一步地，工件夹持驱动组件5还包括：第二支撑滑块5-6，螺接在第一横向传动丝杠5-18外侧面上，且第一导向轴5-2和第二导向轴5-19均滑动穿过第二支撑滑块5-19，主轴5-5穿过第二支撑滑块5-19。通过第二支撑滑块5-6可以形成对主轴5-5的支撑，使主轴5-5更加稳定的转动。

在一种可能的实施例中，工件夹持驱动组件5还包括：第三限位板5-12和第四限位板5-16，均设置在框架1内部，且第三限位板5-12和第四限位板5-16相对设置；第二横向传动丝杠5-14，转动设置在第三限位板5-12和第四限位板5-16之间，第二横向传动丝杠5-14与第一横向传动丝杠5-18平行，且一端设置有第三摇杆5-13；第三导向轴5-11和第四导向轴5-15，平行设置在第三限位板5-12和第四限位板5-16之间，且第三导向轴5-11和第四导向轴5-15与第二横向传动丝杠5-14平行；第三支撑滑块5-10，螺接在第二横向传动丝杠5-14外侧面上，且第三导向轴5-11和第四导向轴5-15均滑动穿过第三支撑滑块5-10；顶杆5-9，设置在第三支撑滑块5-10的侧面上，顶杆5-9与联轴器5-7同轴，且与联轴器5-7相对设置。

示例性地，顶杆5-9转动设置在第三支撑滑块5-10上，且其朝向联轴器5-7的一端为尖端，当联轴器5-7夹持工件5-8后，转动第三摇杆5-13使顶杆5-9抵持工件5-8，在工件5-8转动时顶杆5-9也随之一起转动。

在一种可能的实施例中，液体循环利用装置6包括：液体收集箱6-2，用于盛接从出液口流出的液体；液体泵6-1，设置在液体收集箱6-2的内底部，液体泵6-1的出口端设置有液体导管6-3，液体导管6-3的末端延伸至汇流聚焦箱体1-13内部。

示例性地，液体泵6-1将流入液体收集箱6-2的液体重新输送至汇流聚焦箱体1-13，以使汇流聚焦箱体1-13在工作中始终有液体存在，确保超声空化发生装置3-1正常对工件5-8进行表面强化处理。

在一种可能的实施例中，还包括：控制箱1-11，设置在框架1上，控制箱1-11与超声空化发生组件3、工件夹持驱动组件5和液体循环利用装置6分别电连接。

示例性地，控制箱1-11内部设置有控制器，该控制器和超声空化发生组件3，具体来说是超声波发生器、步进电机5-4、空气压缩机4-2和液体泵6-1分别电连接，用以控制这些电气设备的工作状态。

本申请实施例还提供了一种汇流聚焦超声空化喷丸方法，该方法包括以下步骤：

启动超声空化发生组件3，在液体中产生空化泡；

采用工件夹持驱动组件5夹持并驱动工件5-8转动，空化泡形成的空泡云对工件5-8的表面进行强化处理；

由位于工件夹持驱动组件5下方的液体循环利用装置6盛接从出液口流出的液体。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。