一种空化水射流多功能复合加工方法及装置

本发明属于金属表面强化加工领域，具体是基于空化水射流特性的多功能复合加工方法及装置。

背景技术：

1、随着制造业的蓬勃发展，金属的加工、强化、清洗、金属箔的冲裁等技术也在快速发展，传统的金属加工方法有：机械加工、电火花加工、激光加工、电子束加工、电腐蚀加工、离子束加工等，其中激光加工技术是通过激光诱导冲击波作用于金属表面，在金属表面形成残余应力，其冲击时间较长，设备成本较高，尤其是在加工较厚材料时，需要使用高功率的激光器。此外，激光加工过程中会产生一定的噪音和烟雾，造成了一定的环境污染。其他的加工方法同样设备成本较高以及有一定的环境污染，以上的这些加工方法，使用成本均高于空化水射流加工，并且水射流加工没有任何污染。

2、空化水射流是用高压柱塞泵或者其他高压泵将日常使用的水介质增压，并通过喷嘴后压力急剧降低并以极高的速度喷出，在此过程中喷嘴内部以及喷嘴出口出的压力会急速下降并达到产生空化现象的压力条件。空化现象即液体内部压强降低到饱和蒸气压以下液体内部会发生的现象。而空化现象会产生大量的空泡群，空泡群内部的大量空泡会经历发育，生长，溃灭这三个过程。空泡在发育，生长，溃灭的过程实际上是能量的形成和释放的过程，空泡的发育和生长是能量的产生，空泡的溃灭是能量的释放。对于空泡的发育，生长，溃灭以及其产生的微射流的研究以及较为成熟。空化水射流就是利用空泡溃灭时所产生微射流能量来处理金属表面，微射流的冲击波使得金属表面有不同程度的应力变化，这些变化将会强化金属表面。脉冲空化水射流产生的冲击载荷时间断变化的，脉冲空化水射流冲击物体引起的应力变化是多次重复的，这种间断式强化效果更佳。

3、空化水射流利用空泡溃灭产生的微射流来加工金属表面，强化金属表面。对于金属加工这是一种强有效的加工方法。目前大部分的空化水射流技术是淹没式的。但淹没式水射流技术明显的存在不足，首先就在于加工的靶件需要放入水环境中，而大部分靶件为金属材料，金属材料长时间的浸没在水环境中难免产生化学反应。在处理一些大型靶件上，淹没式水射流技术也显得有所不足。因此，就淹没式的缺点提出了人工淹没式水射流技术，人工淹没式水射流技术是在高速喷嘴外围加上套筒，套筒内部为低速水通道，两者同时喷水就可形成类似于淹没式的水环境，同时两股水流在相遇时会产生剪切作用形成局部压差，当压力低于环境饱和蒸气压时产生空化现象。例如中国专利公开号为cn113714940a，名称为“人工淹没的空化水射流喷丸装置、其工作方法及组合喷嘴”的组合式喷嘴，包括内喷嘴和外喷嘴，能够实现同时接入高压水与低压水，且内喷嘴的高速水出口位于外喷嘴提供的淹没式低压水环境中，提高了空化率，低压水入口与高压水入口平行，使喷嘴喷出的射流不容易发散，提高了射流的强化效果。但其加工功能单一，对于不同的加工类型，需要使用不同的加工装置，无法实现强化、清洗、冲裁等各加工方法之间的转化，以及无法实现各强化方法的变化，也不能实现大面积的加工、清洗和冲裁。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有人工淹没式水射流加工功能单一、强化效果低等问题，提出了一种空化水射流多功能复合加工方法及装备，针对加工类型的多样性，解决不同金属加工类型需要使用多种加工装置的问题。

2、本发明所述的一种空化水射流多功能复合加工装置采用技术方案是：具有一个多功能喷嘴，水箱内部中间设置固定不动的工作台，待加工金属件固定在工作台上表面，工作台的正上方是多功能喷嘴，多功能喷嘴包括振荡管道装置、人工淹没式喷嘴、两个磁铁控制器以及伸缩软管，人工淹没式喷嘴包括内喷嘴和外喷嘴，内喷嘴在外喷嘴内部正中间，人工淹没式喷嘴正上方设置振荡管道装置，振荡管道装置由一个三通管、两个直管和一个铁制圆柱体组成，直管一和直管二沿外喷嘴的中心轴对称布置且分别从外喷嘴顶部开的相应通孔伸入外喷嘴内部，直管一的顶部连接第一条低压管路的出口，直管二的顶部连接第二条低压管路出口；三通管的上管道顶部接入第三条低压管路的出口，三通管的两个下管道的出水口分别各连接直管一、直管二的侧壁；铁制圆柱体水平横在三通管的中间交叉处，三通管的两个下管道分别位于铁制圆柱体的径向两侧，铁制圆柱体两端为分别是s、n极磁铁，在三通管交叉处的外侧壁上固定连接两个磁铁控制器，其中的磁铁控制器一包含一个n极强磁铁，与铁制圆柱体的s极磁铁这端正对，磁铁控制器二包含一个s极强磁铁，与铁制圆柱体的n极磁铁这端正对，两个磁铁控制器各由一个直线导轨模组驱动在三通管的两个下管道的入口之间来回移动；每条低压管路都通过一个低压管道连接在蓄水池一和多功能喷嘴之间，每个低压管道上都设置截止阀、离心泵、电动球阀和压力表，每个离心泵与一个变频器相连接；内喷嘴顶部入水口与接入高压管路，高压管路由蓄水池二提供介质水，高压管道上设置另一截止阀、过滤器、高压柱塞泵、另一电动球阀，泄压阀和另一压力表；伸缩软管上端固定连接直管一和直管二外侧壁，下端固定连接在人工淹没式喷嘴外壁上，伸缩软管伸缩时带动直管一和直管二与人工淹没式喷嘴相对移动；水箱外部固定设置移动支架，移动支架连接多功能喷嘴的外壁上，调节内喷嘴出口与外喷嘴出口之间的轴向距离。

3、本发明所述的一种空化水射流多功能复合加工装置的加工方法的第一种技术方案是包括以下步骤：

4、步骤1)：第一和第二低压管路上的截止阀、离心泵、电动球阀均打开，低压水经第一和第二低压管路进入外喷嘴，从外喷嘴出口喷出，同时，高压管路上的截止阀、高压柱塞泵、电动球阀均打开，高压水经高压管路进入内喷嘴，从内喷嘴出口喷出，高速水与低速水相交剪切；

5、步骤2)：调节第一和第二低压管路上的变频器调高离心泵速，使进入外喷嘴入的初始水压力增高，使外喷嘴出口喷出的低速水收缩内喷嘴出口喷出的高速空化水射流，空化水射流冲击力更集中于一点，对待加工金属件强化或冲裁。

6、本发明所述的加工方法的第二种技术方案是：步骤2)可替换为：高压管路上的电动球阀在设定的时间内循环一开一闭，介质水一段一段地进入内喷嘴204，在内喷嘴出口喷出时局部压强达到饱和蒸气压以下，以一段一段式空化水射流从内喷嘴出口32喷出并与低速水发生剪切作用，对待加工金属件进行脉冲强化。

7、本发明所述的加工方法的第三种技术方案是：步骤2)替换为：调节内喷嘴出口与外喷嘴出口之间的轴向距离，改变高速水束的集束性，对待加工金属件大面积加工。

8、本发明所述的加工方法的第四种技术方案是：

9、步骤a)：直线导轨模组控制n极强磁铁和s极强磁铁来回循环移动，铁制圆柱体来回移动；

10、步骤b)：第一条和第二条低压管路上的截止阀、离心泵、电动球阀均关闭，第三条低压管路和高压管路均打开，低压水接触到来回移动的铁制圆柱体后产生振荡，高压水经高压管路进入内喷嘴，从内喷嘴出口喷出，低速水射流振荡导致从内喷嘴出口喷出的空化水射流存在摆动不平衡，对待加工金属件进行振荡扫射强化和大范围强化。

11、本发明和现有技术及设备相比具有以下突出有益效果：

12、1、本发明利用多处调节装置实现了不同加工类型的多种加工方法，即满足加工、强化、冲裁、清洗不同加工类型之间的加工方法任意转变。

13、2、本发明通过移动支架调节内喷嘴出口与外喷嘴出口之间距离或调节低压管路离心泵转速，从而控制空化水射流以及空化水射流中空泡发育、生长、溃灭行程，使得其溃灭时所产生的微射流能量能够在不同的靶距下作用，并可以在不同情形下满足其靶件要求的强化强度、强化范围，实现高强度强化、大面积强化、冲裁。

14、3、本发明通过高压管路上电动球阀阀门的自动开闭实现脉冲空化射流，进一步的实现脉冲强化，脉冲式强化是一种高质量强化方法，脉冲式强化是柔性冲击，不产生热效应，强化后的金属表面光整。

15、4、本发明通过振荡管道装置中的铁制圆柱体左右循环移动实现低速水射流的振荡左右不平衡射流，进一步的影响空化水射流在金属靶件上的振荡扫射强化，并且水射流连续振荡时可以产生强烈的掺混效果。

16、5、本发明较激光加工等一些加工方法，成本低，使用成本低，绿色环保等优点。