[发明专利]一种用于金属表面空化射流强化的装置

说明书

本发明提供了一种用于金属表面空化射流强化的装置，包括升降装置、三坐标移动装置、控制系统、供水系统、螺旋式空化射流喷嘴、加工池和回收池，加工池位于升降装置上，并与回收池连通，螺旋式空化射流喷嘴安装在三坐标移动装置上，并位于加工池的上方，供水系统为螺旋式空化射流喷嘴供水，控制系统控制升降装置和三坐标移动装置按照设定程序移动。本发明利用螺旋加速流道使液体介质产生旋转角速度形成漩涡，并使得漩涡的涡心压力降低至饱和蒸气压甚至负压，诱导产生大量稳定的旋涡空泡，无需引入激光等外部能量诱导产生空化空泡，通过螺旋式空化射流喷嘴扩散腔的扩散角作用，强化空化产生的效果。

技术领域

本发明涉及强化金属材料领域，特别是涉及一种强化金属材料表面的装置。

背景技术

在某些特殊的领域需要运用高性能抗疲劳材料，如航空航天、汽车或者国防军工领域，研究发现在表面引入残余压应力可以明显的改善金属材料的疲劳强度。目前，存在许多改善表面性能的机械方法，如弹丸冲击强化、激光冲击强化、超声喷丸以及深轧和辊压等，均可以导致材料表面残余压应力的形成。

空化现象是流体动力学中一种非常普遍的现象，其广泛存在于人们的日常生活中，是引起众多水利设备无法正常运行的根源，严重阻碍了工程、医疗等领域的发展。近年来，随着国内外大量的学者对空化现象的不断深入研究，逐渐揭开了产生空蚀破坏原因的神秘面纱。在人们找到空蚀成因的同时，有些学者指出是否可以将空化时所产生的高温高压的极端物理环境利用起来，为人们所用。研究发现，空化空泡在撞击材料表面过程中形成硬化和压缩残余应力，尤其是撞击过程中没有涉及到固体的碰撞，因此空化空泡冲击波强化材料表面比传统机械强化的表面更加光滑。目前，人们在这方面已经有了不少的成果。如通过独特结构的喷嘴诱发空化，这样可以利用空化射流进行清洗；通过具有特殊结构的喷嘴诱发空化空泡的产生，利用空泡溃灭产生的局部超高压以及高强度冲击波，在金属材料的表面植入残余应力并改变其表面的晶体结构，使材料表面的强度得到加强。

然而目前针对金属表面空化射流的研究大多偏向喷嘴结构的设计以及加工后材料的变化，极少文献中记载了用于金属表面空化射流的简单示意装置，并且该装置仅针对金属材料表面是平面的情况，当金属表面是曲面的情况时，并不能取得很好的空化效果。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了一种用于金属表面空化射流强化的装置，将水力机械中产生空蚀破坏的能量利用在金属材料的强化中。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种用于金属表面空化射流强化的装置，包括升降装置、三坐标移动装置、控制系统、供水系统、螺旋式空化射流喷嘴和加工池；

所述加工池安装于升降装置上，加工池内蓄有液体；所述螺旋式空化射流喷嘴安装于三坐标移动装置上，并位于加工池的上方，所述供水系统通过管路连接到螺旋式空化射流喷嘴；

所述控制系统包括控制器、伺服系统和计算机，所述计算机与控制器和伺服系统电连接，所述控制器与三坐标移动装置电连接，控制器根据计算机的指令控制三坐标移动装置的移动，所述伺服系统与升降装置电连接，伺服系统跟姐计算机的指令控制升降台的移动。

优选地，所述螺旋式空化射流喷嘴为圆柱状，内部沿轴向设有空腔，所述空腔包括连通的圆柱腔和扩散腔，所述圆柱腔内设有螺旋加速段，所述螺旋加速段与圆柱腔过渡配合，所述螺旋加速段为圆柱状，螺旋加速段的圆柱表面上设有多条平行的螺旋加速流道。

优选地，所述螺旋加速流道的切线与螺旋式空化射流喷嘴的轴线的夹角α为50°-60°，所述螺旋加速流道的有效圈数为0.5-1，节距为5-7cm，所述螺旋加速段的长度为4-6cm，所述扩散腔的扩散角β为30°-60°。

优选地，所述升降装置包括升降台、二轴联动基座、联轴器和伺服电机，所述升降台安装于二轴联动基座上，所述伺服电机与伺服系统电连接，伺服电机通过联轴器与升降平台上的轴连接。