陈军
凯盛重工有限公司研发中心 安徽 淮南 232008
摘要：近年来，前混磨料射流得到了发展。前混磨料射流是将磨料和水在高压水管路中均匀混合成磨料浆水，然后由磨料喷嘴喷出形成磨料射流，其速度比水射流高75%左右。因此，预混磨料射流中的磨料动能高，从而达到高效、优质、无污染的喷丸效果。
关键词：喷丸强化技术。水射流。供料方式。
针对前混合磨料水射流喷丸强化技术的工作原理及其供料系统,比较出前混合磨料水射流与后混合磨料水射流喷丸技术之间的差异,从而确定了采用该技术的优越性。
一、前混合水射流强化技术的特点
传统的喷丸强化工艺因其具有提高金属零构件抗疲劳断裂和抗应力腐蚀断裂能力而得到了广泛的应用,但是还存在以下不足:（1）由于零构件的凹槽部位和粒不能有效撞击,易产生喷丸死角,造成无法实施强化或喷丸强度不足;（2）喷丸强化表面粗糙度达不到要求;（3）气动高强度喷丸效率低,不能达到节省能源的目的;（4）不能达到环保的要求。与传统喷丸强化工艺相比,高压水射流喷丸强化技术具有以下特点:1）能对存在狭窄部位、深凹槽部位的零件表面以及复杂结构零构件、微小零件表面等进行无死角喷丸强化;2）通过调整射流压力能对不同硬度的材料进行大面积喷丸强化,具有广谱性,尤其适用于超高硬度、超脆材料零构件的表面喷丸改性;3）喷丸表面粗糙度值变化很小,可减少应力集中现象,提高强化增益效果;4）对喷丸装置抗压性要求较低,有利于降低生产和维护成本;5）喷丸表面温度变化较小,不会改变材料的物理性质和化学性质;6）喷头体积小,移动方便,易于实现光控、数控及机械手控制,提高喷丸强化质量;7）整套工装体积不大,可以装在机动车上进行远距离操作和外场作业;8）强化过程中不会产生有害气体及粉尘,有利于环境保护和操作者的健康绿色喷丸强化。
二、前混合水射流强化机理
前混合磨料水射流喷丸强化技术是将混合磨料技术引入到喷丸领域,以实现优质、高效、节能、安全、环保的湿式绿色喷丸强化新工艺。高压水射流喷丸强化机理就是将携带巨大能量的高压水射流以某种特定的方式高速喷射到金属零构件表面上,使零构件表层材料在再结晶温度下产生塑性形变(冷作硬化层),呈现理想的组织结构(组织强化)和残余应力分布(应力强化),从而达到提高零构件周期疲劳强度的目的。
三、磨料品种及供料方式
不同品种的磨料具有不同的机械性质,主要是磨料硬度和形状,它们对喷丸强化质量有直接的影响。磨料射流的磨料供给系统分为干磨料供给系统和湿磨料浆供给系统两大类。
1.干磨料供给系统。干式磨料供给系统又可分为加压式和自吸式两种。加压式磨料供给系统:主要由加压式密封磨料罐、分水滤气器、气阀、砂阀等组成。磨料是靠空压机向磨料罐加压,磨料通过输送管道进入磨料喷头混合室。分水滤气器是气动回路中用来清除气源中的水分、油分和灰尘的辅件,它必须垂直安装。该系统是靠水射流喷射时在磨料射流喷头混合室内产生抽吸作用,使供砂管路中产生气流,干磨料就是靠这股气流来供给磨料的。
2.湿式供料系统。它由两并联的高压泵供给高压水,供料系统采用切向进料式喷头。该系统采用磨料浆供料方式,首先在磨料池中将磨料、粘土和水按一定比例调配成磨料浆,粘土可以阻止磨料沉淀和板结,调配好的磨料浆流动性较好,易于控制。然后由泥砂泵将溶解浆输送到磨料喷头,用过的磨料浆收集到沉淀池中,经处理后循环使用。
四、前混合磨料水射流喷丸强化技术
1.工作原理。磨料射流是一种以冲蚀现象为基础的新型工艺。冲蚀或磨蚀是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时金属表面出现破坏的一种磨损失效现象。前混合磨料水射流喷丸加工和冲蚀磨损具有相同之处,它们都是依靠磨料粒子获得的动能做功,达到对靶体表面的冲蚀,以实现改变表面组织结构和应力分布的目的。该技术的原理是将携带巨大能量的高压水射流与特定的磨料粒子、通过予先混合的方式、然后以极高速度喷射到金属靶体的表面上,使靶体表层材料产生塑性变形(冷作硬化),呈现理想的组织结构(组织强化)和残余应力的分布(应力强化),从而提高靶体材料的周期疲劳强度和抗应力腐蚀能力。在工作过程中使磨料粒子获得的能量越高,对靶体的作用效果越好。但在实际使用时,其所需要的工作压力远远低于后混合磨料射流喷丸强化法所需的射流压力。
2.磨料。磨料与水的混合效果,将直接影响到喷嘴出口处磨料粒子的速度及混合射流束的冲蚀、破坏的性能,因此供料系统是保证良好喷射效果的关键性装置之一。图1为前混合磨料水射流喷丸系统的供料系统,它不同于以往的湿式喷丸系统的供料方式,如图1所示,
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1-平衡水路;2-主水路;3-旁通水路;
4-磨料罐;5-磨料泵
该系统在高压水泵和喷嘴之间的管路中间设有一个磨料供给装置(磨料罐),在磨料罐顶部有一路平衡水路,其作用是将高压水输送到磨料罐顶端,利用水的压力差推动磨料向下运动;第二路为主水路,其作用是将高压水输送到磨料罐下端,利用高压水的流动将磨料罐中流出的磨料带走;第三路为旁通水路,它将多余的高压水直接送入磨料罐的下游,与第二路来的磨料浆流会合,在高压管内混合均匀后从喷嘴喷出。使用表明,该磨料供给系统性能可靠、磨料流量稳定、调节方便。图2为后混合磨料水射流供料系统,
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1-磨料斗;2-供料管;3-混合腔;
4-磨料喷嘴;5-水射流喷嘴;6-磨料
3.磨料粒子。进入喷嘴之前未经予先混合,而是进入喷嘴后再进行混合。该系统操作简单方便,不需要采用额外的磨料供给设备,但在喷射时由于磨料粒子与水流的速度相差较大,故混合时间太短,射流的冲蚀能力较弱,直接影响混合磨料水射流喷丸强化的质量和效率前混和磨料水射流喷丸技术,磨料的供给和混合方式发生了改变,从而改善了其混合效果。绝大多数磨料粒子进入水射流核心部位后,经喷嘴再次加速可获得较高的射速和能量,混合过程中绝大多数磨粒沿着喷嘴的轴向向前运动,磨粒对喷嘴内壁的碰撞相对后混合磨料射流来说碰撞次数减少,能耗低,磨粒与水流的混合更加均匀。采用前混合式磨料供给系统,喷嘴出口处磨粒速度几乎近似于出口水流的速度,远远高于传统的湿式喷丸法及后混合磨料水射流喷丸法。
五、高压水射流喷丸强化技术未来的发展方向
高压水射流技术未来发展方向为:（1）国内外高压水射流喷丸强化机理的研究薄弱,对有关各种水射流喷丸作用下材料表层的残余压应力场分布、组织结构和显微硬度的变化、奥氏体钢和含有较高残余奥氏体的材料是否存在向马氏体的转变等认识不足;（2）水射流喷丸作用下材料的表面形貌和表面粗糙度的研究不够深入;（3）已出现的水射流喷丸强化装置还存在许多问题;（4）各种水射流喷丸强化的影响因素和最佳喷丸强化参数的研究还很不够;（5）新型水射流喷丸机械有待进一步开发与研制。
总之，前混合磨料水射流喷丸技术是一种高能量射流束冷加工技术,被加工材料的温度变化较小,不会改变材料的物理和化学性能;加工质量和效率较高;加工过程中不会产生有毒气体和粉尘,可在危险场合实施安全加工;工装夹具简单,装拆不方便,可减少辅助加工时间;采用硬质材料制作喷嘴,拓宽了磨粒的选择范围;喷丸系统压力较小,一般低于20MPa,系统的密封容易,采用普通的高压橡胶软管就可输送高压水射流,易损的密封件也容易购买,有利于降低生产和维护的成本
参考文献：
[1]吉民.高压水射流喷丸强化技术.2019.
[2]刘忠剑.浅谈前混合磨料水射流喷丸强化技术.2020.