一种刚柔耦合自动切换喷丸加工表面装置及方法与流程

1.本发明涉及材料表面强化技术领域，具体为一种采用空化水射流的柔性喷丸和钢珠喷丸式的刚性喷丸相结合对材料表面进行强化的一种方法及装置。


背景技术：

2.材料表面加工分为柔性喷丸方式和刚性喷丸方式，柔性喷丸方式如水射流喷丸、空化射流喷丸，刚性喷丸方式如钢珠喷丸。柔性空化水射流喷丸多集中于开矿、切割、清洗、应用于表面强化等领域，可消除焊接、冷加工等引起的残余拉应力，并产生具有压应力的表面层，能够抑制、延缓应力腐蚀裂纹和环境疲劳裂纹在表面的萌生，从而增强材料对疲劳和环境损伤的抗力，延长部件使用寿命并且具有抛光效果。但是，经空化水射流加工过的工件应力层较浅。例如中国专利公开号为cn107385172b、名称为“一种用于金属表面空化射流强化的装置
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的文献中公开的装置，虽然经空化射流喷丸作用于金属表面强化，但是其产生的微射流强度有限，加工效率较低，工件的应力层较浅。刚性喷丸加工，例如机械喷丸在材料表面强化方面也得到了广泛应用，其利用铁、陶瓷、玻璃、高速钢等材质制成的弹丸，通过持续不断的高速撞击被加工表面，使其表层材料发生一定的塑性形变，表层材料的位错密度增加，晶粒得到细化，形成一定厚度的残余压应力层，有效提高其疲劳强度。但是，经机械喷丸处理后的材料表面粗糙度值亦随之剧烈升高，难以达到合格要求。例如，中国专利公开号为cn201510477451.9、名称为“喷丸处理装置以及喷丸处理方法
”ꢀ
的文献中公开的方法，虽然解决了刚性钢珠喷丸的稳定性，但是还是存在被加工件表面粗糙度值在加工完成后剧烈升高的问题。
3.由此可见，柔性喷丸和刚性喷丸两种加工方式各有优缺点，机械喷丸是通过喷丸高速撞击使其增加加工材料残余应力的刚性加工方式，但是表面粗糙度随之剧烈增高。空化喷丸是可以具有表面抛光的柔性加工方式，可以延缓应力腐蚀裂纹和环境疲劳裂纹在表面的萌生，但被加工件表面应力层过浅，强化效果不明显。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有柔性喷丸和刚性喷丸两种加工方式存在的问题，提出一种刚柔耦合自动切换喷丸加工表面装置及方法，将柔性喷丸和刚性喷丸两种加工方式合理结合，来实现两种加工方式优点相结合，进一步强化加工材料表面，提高疲劳强度，减少粗糙度，提高表面光洁度。
5.为了解决上述问题，本发明一种刚柔耦合自动切换喷丸加工表面装置采用的技术方案如下：具有一个蓄水箱和加工水箱，所述的加工水箱顶部设置自动切换喷头，自动切换喷头具有圆柱状的喷头壳体，喷头壳体的内腔被活塞堵头分隔为左右两个密封的腔室，左腔室的上端连接钢珠管道进口、下端连接刚性喷丸喷头，右腔室的上端连接水射流进口、下端连接水射流空化喷头；活塞堵头通过螺纹与水平布置的丝杠相配合，丝杠同轴固定连接伺服电机的输出轴；三位五通换向电磁阀和自动切换喷头之间设有钢珠罐，钢珠罐内置钢
珠，钢珠罐的底部连通钢珠出口通道，钢珠出口通道的下端连接于相互串联的水平布置的喷丸喷头进口端和喷丸出口之间，喷丸出口经水管与所述的钢珠管道进口相连；所述的蓄水箱经水管连接三位五通换向阀的进口端，在蓄水箱和三位五通换向阀之间的水管上连接高压泵，三位五通换向电磁阀的左端工作位置端经水管与所述的水射流进口固定连接，右端工作位置端经水管与所述的喷丸喷头进口端固定连接，自动切换喷头的正下方是能夹持被加工件的夹具。
6.进一步地，所述的加工水箱分上下两层，上层的顶部四周设有二自由度传动装置，自动切换喷头的上部通过可伸缩装置固定连接连接件的下端，连接件的上端连接二自由度传动装置；加工水箱上层底部的局部设置电动开合式通网，打开电动开合式通网时连通着上层和下层，钢珠和水能落入下层，关闭时切断通道；下层内部放置着循环水箱）和钢珠收集箱，循环水箱在电动开合式通网的下方；活性炭过滤网将循环水箱内部分为上下两层，活性炭过滤网倾斜放置，朝向钢珠收集箱较低；钢珠收集箱与循环水箱的上层相连通，循环水箱的下层经水管连接蓄水箱，蓄水箱和循环水箱之间的水管上设有循环水泵；所述的可伸缩装置、二自由度传动装置、电动开合式通网、循环水泵以及电动开合式通网均经控制线连接控制台。
7.本发明一种刚柔耦合自动切换喷丸加工表面装置的加工方法采用的技术方案如下是依序按以下步骤：步骤a：伺服电机驱动活塞堵头水平移动至右腔室，堵住水射流进口，三位五通换向阀的右工作端打开，高压泵工作；工作介质水流经过喷丸喷头进口端，同时钢珠从钢珠罐中下落，和水流相互作用，再经喷丸出口送出进入自动切换喷头的左腔室，通过刚性喷丸喷头对其下方的被加工件进行刚性钢珠喷丸加工；步骤b：将加工水箱注水，淹没被加工件和水射流空化喷头；伺服电机驱动驱动活塞堵头水平移动至左腔室，堵住钢珠管道进口且打开水射流进口；步骤c：打开三位五通换向阀的左工作端，工作介质水流经水射流进口进入自动切换喷头的右腔室，通过水射流空化喷头对被加工件进行柔性水射流空化加工。
8.本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：（1）本发明结合淹没式空化水射流和传统刚性喷丸的优点进行加工，能使被加工面在刚性喷丸的作用下高速撞击使其增加加工材料的残余应力和在淹没式水喷丸的作用下可以使被加工工件延缓应力腐蚀裂纹和环境疲劳裂纹在表面的萌生。
9.（2）本发明所使用的自动切换喷头，是通过伺服电机驱动着丝杠上的活塞进行转换喷头方式，契合了本发明刚柔耦合式自动加工装置。
10.（3）本发明绿色环保，加工水循环使用，从水箱进入的水，同时射流加工喷出的水向下进入循环水箱，可启动循环水泵将循环水箱的水抽至水箱，经过活性炭滤网过滤后进行循环使用，节省水资源，收集加工钢珠，循环使用。
附图说明
11.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：图1为本发明一种刚柔耦合自动切换喷丸加工表面装置的结构连接示意图；图2为图1中钢珠罐5及其下方连接部件的结构放大图；
图3为图1自动切换喷头7的结构连接放大示意图；图4为图1中自动切换喷头7、二自由度传动装置8以及加工水箱10的结构连接放大示意图；图中：1.蓄水箱；2.高压泵；3.蓄能器；4.三位五通换向阀；5.钢珠罐；51.钢珠存量警示器；52.钢珠；53.罐口开关；54.喷丸出口；55.钢珠出口通道；56.喷丸喷头进口端；6.控制台；7.自动切换喷头；71.可伸缩装置；72.钢珠管道进口；73. 喷头壳体；74. 红外线扫描装置；75.刚性喷丸喷头；76.水射流进口；77.活塞堵头；78.丝杠；79.密封圈；710.伺服电机；711.水射流空化喷头；712.连接件；8.二自由度传动装置；9.夹具；10.加工水箱；11.吹风除湿器；12.电动开合式通网；13.循环水箱；14.循环水泵；15.钢珠收集箱；16.活性炭过滤网。
具体实施方式
12.参见图1，本发明所述的一种刚柔耦合自动切换喷丸加工表面装置具有一个蓄水箱1，长宽高的尺寸规格约为150mm*150mm*100mm，其内腔里面装的是工作介质水，水位占箱体总高度的2/3，以保障整个加工过程工作介质水的足够。
13.蓄水箱1经水管连接三位五通换向阀4的进口端，在蓄水箱1和三位五通换向阀4之间的水管上连接高压泵2。高压泵2的压力参数范围0
‑
100mpa，由330w高压驱动，满足提供驱动水压的动力。蓄水箱1里的工作介质水由高压泵2抽取至三位五通换向阀4进口处。
14.在高压泵2和三位五通换向阀4之间的水管上装配着蓄能器3，其作用是吸收液压冲击，作为波动和脉冲的减缓和吸收器。在工作模式切换时，工作压力的变化大，通过蓄能器3储存能量，消除脉冲，稳定压力变化，保护装置的安全，保持工作环境的稳定。
15.三位五通换向电磁阀4有一个控制端，一个进口端，三个工作位置端，本发明选用的是中停，中间工作位置为初始状态，为闭合状态。通过给三位五通换向电磁阀4两边的电磁通电，驱动三位五通换向电磁阀4内部的活塞杆来控制三位五通换向电磁阀4出口的开闭。三位五通换向电磁阀4的左端工作位置端经水管与自动切换喷头7的水射流进口76（图3中）通过螺纹连接，并夹持固定，左端工作位置端是三位五通换向电磁阀4的柔性喷丸出口。三位五通换向电磁阀4的右端工作位置端经水管与钢珠罐5下方的喷丸喷头进口端56（图2中）通过螺纹连接，夹持固定，右端工作位置端是三位五通换向电磁阀4的刚性喷丸出口。
16.三位五通换向阀4的控制端经控制线与控制台6相连接，控制台6控制三位五通换向阀4的换向。在控制台6未发送指令前，三位五通换向阀4处在初始状态，在常闭位置，控制台6的指令是切换钢珠刚性喷丸和空化水射流柔性喷丸两种方式。通过输入信号的形式，在工作模式切换的时候，驱动三位五通换向阀4换成相应的开口。例如在工作模式切换到钢珠刚性喷丸模式，控制台6通过发送对应的信号，将三位五通换向阀4的刚性喷丸出口打开；若工作模式切换到空化水射流柔性喷丸模式，控制台6通过发送对应的信号，将三位五通换向阀4的柔性喷丸出口打开。
17.自动切换喷头7设置在加工水箱10的顶部，加工水箱10为长方体结构，分上下两层，上层是工作箱，可蓄水，下层为收纳空箱。加工水箱10的上层的顶部四周设有二自由度传动装置8，自动切换喷头7上端连接着二自由度传动装置8，二自由度传动装置8经控制线连接控制台6，控制台6控制二自由度传动装置8在水平方向的二自由移动，改变自动切换喷
头7在水平方向的具体位置。上层的两侧壁装有吹风除湿机11，吹风除湿机11对着被加工件，经控制线连接控制台6，吹风除湿机11用于在加工结束时，保证被加工件的干燥程度，由控制台6控制其开闭。上层底端放置着夹具9，夹具9在自动切换喷头7的正下方，夹具9的功能是能夹持被加工件，稳固被加工件，保证加工过程的稳定。上层底部的局部设置成漏网结构，采用电动开合式通网12，电动开合式通网12经控制线连接控制台6，在切换工作方式时由控制台6控制其开闭，当打开电动开合式通网12时，连通着上层和下层，是上层和下层的通道，钢珠52和水能落入下层，当关闭电动开合式通网12时，切断通道，钢珠52和水不能下落。
18.加工水箱10的下层内部放置着循环水箱13和钢珠收集箱15，循环水箱13在电动开合式通网12的下方，在循环水箱13的中间放置着活性炭过滤网16，作用是过滤工作介质水，可使得工作介质水循环使用。活性炭过滤网16将循环水箱13内部分为上下两层，钢珠收集箱15与循环水箱13的上层相连通，循环水箱13的下层经水管连接蓄水箱1。在蓄水箱1和循环水箱13之间的水管上设置循环水泵14，循环水泵14的压力范围在0
‑
40mpa，可将循环水箱13中的水抽送至蓄水箱1中，完成循环利用。
19.活性炭过滤网16的放置是倾斜着的，角度为45度到60度，朝向钢珠收集箱15较低，目的是使加工过的钢珠52（图2中）可以顺着活性炭过滤网16滚至钢珠收集箱15内，完成收纳和对加工水进行过滤作用。
20.本发明中所有的水管的内直径为5mm，材质为橡胶材质，用于承受高速射流和带有钢珠的刚性喷丸的磨损压力。
21.参见图2，在三位五通换向电磁阀4和自动切换喷头7之间设置钢珠罐5，钢珠罐5是漏斗容器形状，内置有钢珠52，钢珠52的直径为0.4
‑
0.6mm。钢珠罐5的底部连通钢珠出口通道55，在钢珠出口通道55处设置罐口开关53。钢珠52向下易于朝钢珠罐出口通道55送去。罐口开关53为液控单向阀，经控制线连接着控制台6，由控制台6的信号来驱动其内部的活塞杆运动，控制其开闭的大小决定钢珠52单位时间的出口量。当未被发送信号，罐口开关53处在常闭模式。
22.在钢珠出口通道55的下方是相互串联的喷丸喷头进口端56和喷丸出口54，喷丸喷头进口端56和喷丸出口54均水平布置。钢珠出口通道55的下端连接在喷丸出口54和喷丸喷头进口端56之间，并且与喷丸出口54和喷丸喷头进口端56相通。喷丸出口54通过水管和与自动切换喷头7中的钢珠管道进口72（图3中）通过螺纹紧固连接。喷丸喷头进口端56经水管与三位五通换向电磁阀4的右端工作位置端连接。相互串联的喷丸喷头进口端56和喷丸出口54整体为文丘里喷嘴结构，通过文丘里式的结构，使通过的工作介质水产生压力差，更加高效地产生空化效应，带动水流与钢珠52流入自动切换喷头7的钢珠管道进口72，对被加工件表面进行加工。
23.在钢珠罐5的侧壁上设置钢珠存量警示器51，检测钢珠52的存量，用来提醒钢珠罐5内的钢珠52的存量，防止出现加工时钢珠52存量不足的情况。
24.参见图3所示的自动切换喷头7。自动切换喷头7的上部通过可伸缩装置71固定连接连接件712的下端，连接件712的上端连接二自由度传动装置8。可伸缩装置71还经控制线连接控制台6，由控制台6控制其上下伸缩，从而带动自动切换喷头7上下移动，调节自动切换喷头7与其下方的被加工件之间的靶距。由于入射靶距随着加工方方式的切换需要做出
相应的调整，空化水射流的靶距控制在80
‑
150mm之间，刚性喷丸射流的靶距控制在40
‑
90mm之间，所以可伸缩装置71的调节范围最大调到110mm。
25.自动切换喷头7具有一个圆柱状的喷头壳体73，喷头壳体73上部通过螺纹紧固连接着可伸缩装置71的下端。喷头壳体73的内腔被活塞堵头77分隔为左右两个密封的腔室，分别是左腔室和右腔室，左腔室是刚性喷丸腔室，右腔室是水射流腔室。
26.喷头壳体73的左腔室的上端设有开口，开口处连接钢珠管道进口72，该钢珠管道进口72通过水管与图2中的喷丸出口54相连接。左腔室的下端设有开口，下端开口处设有刚性喷丸喷头75，刚性喷丸喷头75是带有普扩散角的喷嘴，扩散角的范围为30度到45度，选用扩散角的喷嘴是为了更好地提高加工效率，在靶距确定的情况下，增加单位时间的被加工件的加工面积。
27.喷头壳体73的右腔室的上端设有开口，右腔室上端开口处连接水射流进口76，水射流进口76经水管与三位五通换向电磁阀4的左端工作位置端相连接。右腔室的下端设有开口，右腔室下端开口处设有水射流空化喷头711。
28.活塞堵头77的上下表面分别与喷头壳体73的内壁密封且活动连接，活塞堵头77通过螺纹与水平布置的丝杠77相配合，形成丝杠螺母结构，丝杠77同轴固定连接伺服电机710的输出轴。伺服电机710水平布置，其机壳固定安装在喷头壳体73的外壁上，伺服电机710的输出伸入喷头壳体73的内腔中同轴固定连接丝杠77。伺服电机710经控制线连接控制台6，伺服电机710驱动着丝杠78的转动来控制活塞堵头77左右水平移动。活塞堵头77的材质为合金材质，保证耐磨性和使用寿命。当活塞堵头77运动到最左位置时，能完全堵住上方的钢珠管道进口72和下方的刚性喷丸喷头75，同时开通了水射流进口76；当活塞堵头77运动到最右位置时，能完全堵住上方的水射流进口76和下方的水射流空化喷头711，同时开通了钢珠管道进口72。这样，通过活动活塞堵头77来选择钢珠管道进口72或者水射流进口76进行开启，从而进行相应的加工方式。活塞堵头77在喷头壳体73内腔的贴合采用密封圈79，作用是保证两种工作切换时工作介质不混淆，且保证密封作用。
29.在喷头壳体73的侧壁上安装红外线扫描装置74，用于实时扫描被加工工件的距离和加工状态等信息。红外线扫描装置74经信号线连接控制台6，将扫描信息发送给控制台6，控制台6可以通过红外扫描的信息，确定加工的边界和靶距。
30.参见图4，二自由度传动装置8在加工水箱10的顶部四周，通过电机和齿轮的配合来实现二自由度的传动，带动和控制自动切换喷头7工作在设定的加工点上。
31.参见图1
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4所示，本发明所述的一种刚柔耦合自动切换喷丸加工表面装置工作时，首先，将被加工件用夹具9进行夹紧禁锢，开启控制台6，先采用刚性钢珠射流喷丸模式，控制台6自动驱动二自由度传动装置8工作，自动切换喷头7上的红外线扫描装置74扫描，将靶距和加工距离传送给控制台6，使刚性喷丸喷头75对准被加工件的初始位置。控制台6计算分析所加工需要的靶距即40
‑
90mm，即被加工件表面和刚性喷丸喷头75之间的距离为40
‑
90mm，驱动可伸缩装置71使其对应所需的靶距，然后发送信号给伺服电机710，驱动活塞堵头77水平移动至右腔室完全堵住，堵住水射流进口76和水射流空化喷头711。然后，控制台6控制三位五通换向阀4的右工作端打开，控制高压泵2工作，同时打开罐口开关53，由于进行的是刚性喷丸模式，水射流入射压力需调节到70
‑
100mpa，水流由高压泵2驱动，由水管传输至三位五通换向阀4，水流经过喷丸罐5下方的喷丸喷头进口端56的文丘里喷嘴，同时，钢珠
52从钢珠罐5中下落，经过钢珠出口通道55后和水流相互作用，再经喷丸出口54送出，进入自动切换喷头7的左腔室，在左腔室下落，最后通过刚性喷丸喷头75对其下方的被加工件进行刚性钢珠喷丸加工。随着控制台6控制的二自由度传送装置8和红外线扫描装置74对被加工件位置的扫描确定，完成刚性钢珠喷丸加工，高压泵2停止工作。钢珠随着水流对被加工件进行加工时，控制台6打开电动开合式通网12，水流和钢珠随着电动开合式通网12进入到下方的加工水箱10的下层，经活性炭过滤网16过滤，钢珠随着活性炭过滤网16进入到钢珠收集箱15中，水则向下落入到循环水箱13中。
32.在完成刚性钢珠喷丸加工后，切换成柔性水射流喷丸模式：首先，将加工水箱10注水，水的高度淹没被加工件，并且水的高度要高于被加工件200mm以上，能够保持被加工件和水射流空化喷头711完全淹没至水中。控制台6控制二自由度传动装置8移动，使水射流空化喷头711对准被加工件的初始位置，计算分析所需要的靶距即80mm
‑
150mm，即被加工件表面和水射流空化喷头711之间的距离为80
‑
150mm，然后发送信号给伺服电机710，伺服电机710工作，驱动活塞堵头77水平移动至，左腔室完全堵住，堵住钢珠管道进口72，打开水射流进口76。然后，打开三位五通换向阀4的左工作端，高压泵2进行工作，由于是柔性水射流喷丸模式，入射压力需调节到20
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50mpa，水流由高压泵2驱动，由水管传输至三位五通换向阀4，同时，打开循环水泵14，工作介质水由水管传输经水射流进口76进入自动切换喷头7的右腔室，最后通过水射流空化喷头711对被加工件进行柔性水射流空化加工。随着控制台6控制的二自由度传送装置8和红外线扫描装置74对位置的扫描确定，完成柔性喷丸加工。
33.完成柔性水射流喷丸加工后，循环水泵14持续工作，再将工作介质水完全抽至蓄水箱1后循环水泵14停止工作，控制台6发送信号给加工水箱10的吹风除湿机11，吹风除湿机11工作，对被加工件进行除湿。除湿结合后，将被加工件从夹具9取下，将钢珠收集箱内15的钢珠进行收集，放置在钢珠罐5内，完成加工。
34.所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变形均属于本发明的保护范围。