用于流体空化磨蚀表面精加工的方法和装置与流程

本公开涉及表面精加工。更具体地，本公开的实施方式涉及利用空化的流体进行磨蚀材料精加工、清洁和喷丸处理(peening)的系统和方法。

背景技术：

增材制造方法——诸如定向能量沉积和粉末床熔化——已经能够有效制造具有复杂形状和特征的新零件，这些新零件通过先前的方法制造是不实际的且是不可行的。然而，通过增材制造制作的产品上得到的表面光洁度(finish)比通过传统制造方法生产的部件更加粗糙。电子束粉末床熔化可以产生超过1,000μm的表面粗糙度平均值(ra)，其比通常结构飞机零件所需的光滑光洁度高10倍以上。机器加工是成本高昂的或者不可能用于复杂增材制造的零件，并且表面精加工方法——诸如喷砂处理、化学铣削和喷丸处理——不能充分地改善表面粗糙度。

空化喷丸处理是机械处理表面的有前景的新方法。空化气泡是通过由于流速增加转变至气相而在流体中形成的，然后随流速降低而破裂(collapse)。当空化气泡破裂时，产生微射流(micro-jet)，在一些实例中其可以具有1,500m/s的速度。如在soyama的us6855208b1中所公开的，喷射高速水射流，或空化射流进入水产生空化云。空化气泡以漩涡移动并且得到的微射流的多方向冲击比喷丸处理更好地硬化表面。然而，虽然空化喷丸处理清洁并增强疲劳强度，但是对于许多应用没有充分地改善表面粗糙度。

技术实现要素：

公开了从工件的表面移除材料的方法。方法包括以促进形成多个空化气泡的压力和流速朝向工件排放流体流动，然后在气泡中或周围引入磨蚀介质。方法还可以包括形成空化气泡和磨蚀介质的混合物，然后引导混合物朝向工件的表面。方法包括利用空化气泡激发磨蚀介质，通过空化气泡、磨蚀介质和工件的表面之间的相互作用从工件移除材料。

还公开了用于从工件移除材料的装置。装置包括流体流动设备和磨蚀介质分配设备。流体流动设备配置为通过喷嘴泵送流体以生成多个空化气泡。磨蚀介质分配设备配置为将磨蚀介质递送入空化气泡。

本公开提供了用于从工件移除材料的方法和装置。在一些实施方式中，方法可以包括形成多个空化气泡和将磨蚀介质引入气泡。在一些实施方式中，方法可以包括形成空化气泡和磨蚀介质的混合物。在一些实施方式中，装置可以包括流体流动设备和磨蚀介质分配设备。特征、功能和优点可以在本公开的各种实施方式中独立地实现，或可以在仍其他实施方式中进行组合，其进一步细节可以参考下面的描述和附图。

附图说明

图1a是通过机器加工方法产生的喷气发动机机舱压缩垫的等距视图。

图1b是通过增材制造方法产生的喷气发动机机舱压缩垫的等距视图。

图2是流体空化磨蚀表面精加工装置的实例的框图。

图3是磨蚀介质源的实例的图示说明。

图4是通过图2中所示的类型的装置产生磨蚀空化云的图示说明。

图5是在图4的磨蚀空化云中经历表面精加工的工件的图示说明。

图6是流体空化磨蚀表面精加工装置的另一实例的框图。

图7是通过图6中所示的类型的装置经历精加工的表面的图示说明。

图8a-8d是用于从工件的表面移除表面粗糙度的不同大小的磨蚀介质的示意图。

图9是图解材料移除的方法的流程图。

具体实施方式

概述

下面描述并在相关的附图中图解了具有流体流动设备和磨蚀介质的表面精加工方法和装置的各种实施方式。除非另外指明，表面精加工装置和/或其各种零件可以但不必须包含本文中描述、图解和/或并入的结构、零件、功能和/或变型中的至少一个。此外，本文中描述、图解和/或并入的结构、零件、功能和/或变型结合本教导可以但不必须包括在其他表面精加工装置中。下面各种实施方式的描述在本质上仅仅是示例性的，并且决不旨在限制本公开、其应用或用途。另外，如下面所描述的实施方式提供的优点在本质上是说明性的，不是所有实施方式都提供相同的优点或相同程度的优点。

图1a显示了通过机器加工钛块制作的喷气发动机机舱压缩垫2。用于垫的原材料可以重大约15磅，而描绘的精加工的零件可以仅重1.5磅。与之相比，图1b显示了通过增材制造生产的用于相同喷气发动机机舱的压缩垫4。在该设计中可以使用所有原材料，并且设计灵活性可以允许更加结构有效的配置。

然而，如所建造的，图1b中所示的压缩垫对于用作发动机中的结构部件是不可接受的。增材制造方法产生超过1,000μm的表面粗糙度平均值(ra)。应当注意到，压缩垫已经被设计为具有这样的复杂性，机器加工可能是成本昂贵的或甚至不可能的。

增材制造提供的制造效率和设计自由度的改善在广泛的学科中都是高度期望的，以降低成本并实现新技术。表面粗糙度是采用这种技术的主要障碍，其可以通过流体空化磨蚀表面精加工来克服。

实例，零件和可选方式

下面的章节描述了从工件移除材料的示例性装置以及相关的系统和/或方法的选择方面。在这些章节中的实例旨在说明而并不应被解释为限制本公开的整个范围。每个章节可以包括一个或多个不同的发明，和/或上下文或相关的信息、功能和/或结构。

实例1：

图2是用于流体空化磨蚀表面精加工的示例性装置——一般指示为10——的框图。高压泵12沿导管16供应加压的水14。通过控制阀20调节分支导管18。控制阀的这样的放置允许精确的控制沿导管16供应至喷嘴22的水的压力和流速。

喷嘴22布置在填充有水26的加压箱24中。可以打开箱24的盖28以允许从箱溢流进入集水容器30。盖可以通过弹簧结合至箱24，或可以通过重量约束，从而维持箱中的压力。水还通过控制阀34调节，沿导管32从箱24排出。

通过喷嘴22将高压水14作为空化射流喷射入箱24的水26中，其被引导朝向在箱24中浸没的工件36。空化射流和水26之间的相互作用形成涡旋空化云38，其包括多个空化气泡。可以布置工件36，使得空化云38围绕工件的一些或全部，并且破裂空化气泡冲击工件的表面。空化气泡的破裂冲击力部分地由喷射的水14的压力、箱24中的水26的压力、这两种压力之间的比以及水14和箱24的水26的温度确定。高压水14可以在50和10,000磅每平方英寸之间，或任何有效压力。优选地，当箱24的水26处于大气压下时，水14可以处于约4,000磅每平方英寸。

为了优化这些参数，在箱24中，或在任意导管12、18或32中可以包括压力和温度传感。控制阀20、34和盖28以及高压泵12和温度控制系统可以连接至电子控制器或其他这类零件，以允许遍及装置10的压力和温度条件的精确协同控制。

在描绘的实例中，空化的流体是水。然而，可以使用任何期望的流体。使用的流体的性质诸如粘度可以影响空化气泡的破裂力，并且可以选择流体以改善冲击或降低期望的冲击水平所需的压力。任何有效的流体流动设备可以被用于泵送加压的流体通过喷嘴22。

如图2中所示，将磨蚀介质40引入喷嘴22和工件36之间的空化云38。通过导管42由给料器或磨蚀介质源44供应磨蚀介质。在图3中更加详细地显示了源44的实例。源包括密封的室46，其具有多个给料器48，每个给料器容纳不同类型的磨蚀介质或研磨材料。在描绘的实例中，室46包括6个给料器，其具有降低磨料粒度的6种磨蚀介质。源44可以包括任何期望的介质类型或任何数量的介质类型。介质可以拥有任何磨料粒度，优选地在约16至1200ansi磨料粒度的范围内。

每个给料器48包括给料器门50，其可以被打开以将期望的介质引入导管42。门50可以手动地控制，或可以通过与装置10的其他零件集成的电子控制器致动。存在其他简单的开关机构，其可以在不同介质的递送之间转变，并且可以使用任何有效的机构。

通气软管52被连接至源44，以对密封的室46加压。磨蚀介质40可以由此更自由和容易地流动，并且进入并沿导管42被推动。在一些实例中，可以使用水或另一流体代替空气对密封的室46加压。在其他实例中，可以使用机构——诸如推杆——以引起磨蚀介质40移动通过导管42。磨蚀介质可以是松散的或可以为糊或悬浮物的形式。

导管42还包括瓶塞钻结构54，以在将介质引入空化云38之前，引起介质旋转或涡旋运动，如图4中所示。在一些实例中，在将磨蚀介质40引入空化云的同时，可以旋转导管42以相对空化云38以其它方式移动。

在图4中更加详细地显示了喷嘴22，其包括导流管58中放置的喷嘴帽56。空化器60通过间隔物64与喷嘴板62隔开，并定位在喷嘴帽56中以改变通过喷嘴22的高压水14的流动。水14的流速的改变和与箱的水26的相互作用可以产生空化云38。构成空化云的多个空化气泡可以以漩涡或龙卷风般的形状涡旋。

来自磨蚀介质源44的导管42将磨蚀介质40的多个颗粒66引入空化云38。磨蚀介质40可以由空化云获得速度、动量和动能并与空化气泡混合。在描绘的实例中，磨蚀介质40通过宽角喷嘴68被引入，该宽角喷嘴68在导管42的远端处具有至少一部分向外扩张(diverging)的表面。如图3中所示，通过瓶塞钻54旋转磨蚀介质40，以促进与空化云38混合。宽角喷嘴68靠近导流管58的端部布置，以利用磨蚀介质40浸透空化云38的最大可能部分。

在其他实例中，磨蚀介质40可以通过布置在云周围分布的位置处的多个导管被进料至空化云38。在图4中，显示喷嘴68以相对由导流管58限定的轴成锐角取向。在其他实例中，喷嘴68可以垂直于该轴取向或以斜角取向。可以与导管42一起使用任何类型的喷嘴。源44可以还包括用于装置10中使用的磨蚀介质的任何合适的递送系统或分配设备。

在描绘的实例中，在空化云38的边缘处将磨蚀介质40引入涡旋空化气泡。在其他实例中，在空化云38的中心附近，或刚好在空化云38的外部的箱24的水26中，或在促进磨蚀介质和空化气泡有效混合的任何点处将磨蚀介质40引入。

图5显示了在空化气泡和磨蚀介质40的涡旋混合物中由台70支撑的工件36。图5中未显示的喷嘴22可以被引导朝向台70。当混合物的气泡破裂时，介质的颗粒66可以被激发并供能。通过破裂气泡产生的微射流可以共同地加速颗粒66的运动。当气泡和介质的混合物接触工件36的粗糙表面72时，颗粒66可以冲击表面并移除材料。即，可以通过空化云的强力对磨蚀介质40起作用，从而使粗糙表面72光滑。空化云38的涡旋和多方向运动可以使磨蚀介质40接触表面72的紧密的角部(tightcorners)、缝隙和内部特征以及暴露的上部区域。

当空化气泡直接与工件36的表面72相互作用时，也可以发生正常的空化喷丸处理。表面72可以由此被喷丸处理，改善残余应力和疲劳强度并被清洁准备用于涂漆或使用。

实例2：

图6是用于流体空化磨蚀表面精加工的另一示例性装置——一般指示为110——的框图。类似于上面描述的装置10的零件以对应参考数字进行标记。如所示，高压泵112沿导管116供应加压的水114至喷嘴122。通过控制阀120调节分支导管118。

喷嘴122被引导朝向布置在空气环境中的工件136。喷嘴递送两条水流：高压内空化射流和低压外射流。空化云138可以由此通过喷嘴122产生，其可以被称为并流(co-flow)喷嘴。

将磨蚀介质140引入喷嘴122和工件136之间的空化云138。通过导管142从源144供应磨蚀介质。图7更加详细地图解了得到的空化气泡和磨蚀介质140的混合物。

如图7中所示，并流喷嘴122包括产生内空化射流176的内喷嘴176和产生低压外射流180的外喷嘴178。内喷嘴174包括空化器160、间隔物164和喷嘴板162以改变高压水114的流动并且产生空化云138，而外喷嘴178具有适合降低用于外射流180的水114的压力的几何结构。即，内喷嘴174限定用于空化射流176的内通道，和外通道用于外射流180，被限定在内喷嘴174和外喷嘴178之间。在一些实例中，除了如图6所示的来自泵112的高压水114以外，并流喷嘴122还可以单独地供应有低压水。

再次参考图7，当空化射流176和外射流180离开并流喷嘴122时，外射流形成基本上围绕空化射流和所得到的空化云138的水或流体环境的外壳。磨蚀介质140通过宽角喷嘴168被引入并通过空化云供能。工件136的粗糙表面172的一部分可以通过磨蚀介质140和空化云138被精加工和喷丸处理。

在一些实例中，装置110可以配置为在固定或静止时使用。工件136可以被完全围绕在空化云138中。可选地，工件136可以由移动台支撑，从而当表面精加工完成时使表面172的新的部分进入空化云138内。在其他实例中，装置110可以集成入棍(wand)或其他可移动结构，从而允许操作者按需引导喷嘴122。

在一些实例中，装置110可适合用于修复工作的现场处理或精加工。装置可以配置为运输至工作地点，可以包括接收来自多种外部系统的加压水的适配器或连接器，或可以以其它方式制成便携式的。在其他实例中，装置110可适合用在大规模项目上，其中将工件浸没在流体的箱中将是禁止的。

实例3：

图8a-d图解了经历多阶段流体空化磨蚀表面精加工过程的表面210。在图8a中，被空化云供能的第一磨蚀介质212与表面210的突出峰214相互作用，从表面移除材料并降低峰。

图8b显示了与表面210相互作用的第二磨蚀介质216，表面210已经被一些程度地光滑。第二介质214具有比第一介质212小的磨料粒度，允许供能的介质使表面210进一步光滑并减小突出的峰214。类似地，第三磨蚀介质218移除额外的材料并进一步使表面210光滑，如图8c所示。最后，如图8d所示，表面210已经被精加工达到期望水平的光滑度。任何数目的不同介质可以用于这样的多阶段过程——以任意数目的阶段。

磨蚀介质212、216、218可以包括任何有效材料、任何磨料粒度的颗粒，或可以包括材料的混合物。例如，介质可以包括金属、玻璃、陶瓷、氧化硅、氧化铝、浮石、坚果壳、玉米芯、或塑料磨蚀颗粒。每种介质可以包括优选在约16至1200ansi磨料粒度的范围内的颗粒。

如先前所讨论和图3所示的，磨蚀介质源44可以配置为递送多种磨蚀介质。介质之间的转变可以通过操作者控制或可以通过传感器定时、致动，或以其它方式触发，作为自动化多阶段流体空化磨蚀表面精加工过程的部分。

基于待精加工的具体表面的材料和粗糙度，可以从源44中可用的多种材料选择介质的最有效的组合。可选地，源44可以储藏有合适的介质，在加工的时候用于具体表面。例如，具有ra100μm的金属表面可以利用100和500磨料粒度的玻璃磨蚀物进行精加工，而具有ra1,000μm的塑料表面可以利用10磨料粒度的坚果壳磨蚀物，然后50和100磨料粒度的浮石磨蚀物进行精加工。

操作/使用的方式

图9描述了用于表面精加工的方法——一般地指示为300——的多个步骤。方法300可以结合参考图1-8描述的装置、喷嘴或过程中的任一个使用。虽然下面描述并在图9中描绘了方法300的各个步骤，但是步骤不需要必须全部执行，在一些情况中，可以以与所示顺序不同的顺序执行，并且在一些情况中可以同时执行。

方法300的第一步302包括在流体环境中朝向工件排放流体流动。流体可以在促进步骤304的压力和流速下排放，步骤304包括形成多个空化气泡。流体可以从喷嘴排放，喷嘴配置为以生成空化气泡云的方式改变压力和流速。

流体可以在高压下排放，高压优选地在50和10,000磅每平方英寸之间。排放的流体和流体环境中一个或两个可以是水。

流体环境可以是箱中包含的流体的主体，并且也可以处于压力下。在这样的情况中，工件可以被浸没在箱中。可选地，排放流体流动可以进一步包括在第一压力下泵送第一流体流和在第二较低压力下泵送第二流体流。第一流体流可以被第二流体流包含，第二流体流可以形成流体环境。

朝向工件排放流体流动可以包括用生成的空化气泡云包围工件，或可以包括引导流动至工件的表面的一部分。工件可以由台支撑，和喷嘴可以被引导朝向台或工件。

方法300的步骤306包括将磨蚀介质引入多个空化气泡。将磨蚀介质引入可以形成被引导朝向工件的空化气泡和磨蚀介质的混合物。

磨蚀介质可以通道输送(channeled)通过从源引出(leading)的导管，并且可以移动通过导管中的瓶塞钻结构。然后可以通过导管的远端处的宽角喷嘴分散介质，喷嘴引导朝向空化气泡。当引入磨蚀介质时，导管可以旋转或以其它方式移动。磨蚀介质源可以被加压以引起磨蚀介质移动通过导管。在一些实例中，磨蚀介质可以从磨蚀介质源或从多个源通道输送通过多个导管。

磨蚀介质可以包括金属、玻璃、陶瓷、氧化硅、氧化铝、浮石、坚果壳、玉米芯和塑料磨蚀物中的一种或多种的颗粒。优选地，所包括的颗粒可以在约16至1200ansi磨料粒度的尺寸范围内。可以使用任何有效磨蚀介质、介质的组合、或介质或颗粒的混合物。在一些实例中，对于具有递减磨料粒度的一系列磨蚀介质，可以重复引入磨蚀介质的步骤306。

步骤308包括利用空化气泡激发磨蚀介质。通过空化气泡形成的空化云可以具有赋予磨蚀介质速度、动量和动能的涡旋、漩涡运动。空化气泡还可以破裂，共同地加速磨蚀介质的运动，从而实现高速和足够的动能以在冲击后从工件的表面移除材料，由此促进方法300的步骤310，步骤310包括从工件移除材料。

由于空化云和气泡赋予磨蚀介质涡旋和多方向运动，所以可以从工件的紧密的角部、缝隙和内部特征移除材料。空化气泡可以进一步执行工件表面的空化喷丸处理和清洁。

额外的实例

该章节描述了实例的额外的方面和特征，作为一系列段落非限制性地提出，为了清楚和效率，其一些或全部可以被字母数字指定。这些段落中的每个可以以任何合适的方式与一个或多个其他段落和/或与本申请中其他地方的公开内容组合。以下段落中的一些段落明确地引用并进一步限制其他段落，非限制性地提供一些适当组合的实例。

a.材料移除的方法，其包括：

在促进形成多个空化气泡的压力和流速下朝向工件排放流体流动，

将磨蚀介质引入多个空化气泡，

利用空化气泡激发磨蚀介质，并基于空化气泡与磨蚀介质和工件的表面之间的相互作用从工件移除材料。

a1.a的方法，其中方法在流体环境中进行。

a2.a1的方法，其中流体环境是箱中包含的流体的主体。

a3.a1的方法，其中排放步骤包括在第一压力水平下泵送第一流体流，流体环境包括在第二压力水平下包围第一流的流体的第二流，第二压力水平低于第一压力水平。

a4.a的方法，其中流体包括水。

a5.a的方法，其中引入步骤包括从源通道输送磨蚀介质进入多个空化气泡。

a6.a的方法，其中磨蚀介质包括颗粒，颗粒包括以下的一种或多种：(a)金属、(b)玻璃、(c)陶瓷、(d)氧化硅、(e)氧化铝、(f)浮石、(g)坚果壳、(h)玉米芯和(i)塑料磨蚀物。

a7.a的方法，其中磨蚀介质包括在约16至1200ansi磨料粒度的尺寸范围中的颗粒。

a8.a的方法，进一步包括：

通道输送磨蚀介质通过从磨蚀介质的源引出的导管至多个空化气泡。

a9.a8的方法，进一步包括：

在引入步骤期间旋转或以其它方式致动导管的移动。

a10.a9的方法，进一步包括：

移动磨蚀介质通过导管中的瓶塞钻结构。

a11.a8的方法，进一步包括：

通过导管的远端处的宽角喷嘴分散磨蚀介质。

a12.a的方法，进一步包括：

通道输送磨蚀介质通过多个导管进入多个空化气泡。

a13.a的方法，其中排放步骤在50至10,000磅每平方英寸的范围中的压力下执行。

b.材料移除的方法，其包括：

形成空化气泡和磨蚀介质的混合物，和

通过朝向表面引导混合物从工件上的表面移除材料。

b1.b的方法，其包括：

在高压下排放流体通过引导朝向工件的喷嘴，和

将磨蚀介质引入通过排放步骤生成的空化气泡。

b2.b1的方法，其中引入步骤包括通过引导朝向空化气泡的宽角喷嘴分散磨蚀介质。

c.用于从工件移除材料的装置，其包括：

流体流动设备，其配置为泵送流体通过喷嘴，生成引导朝向工件的多个空化气泡，和

磨蚀介质分配设备，其配置为递送磨蚀介质进入由流体流动设备生成的空化气泡。

c1.c的装置，进一步包括：

用于包含流体的主体的箱，和

用于在流体的主体中支撑工件的台，流体流动设备被引导朝向该台。

c2.c的装置，其中流体流动设备包括具有内通道和外通道的喷嘴，内通道配置为在足以生成多个空化气泡的第一压力水平下供应流体的第一流，和外通道配置为在第二压力水平下供应流体的第二流，第二压力水平低于第一压力水平，并且其中流体的第二流基本上包围流体的第一流。

优点、特征、益处

本文所描述的用于表面精加工的方法和装置的不同实施方式提供了优于用于精加工材料表面的已知方案的若干优点。例如，本文所描述方法的说明性实施方式允许精细加工复杂的不规则形状的表面。另外，除了其他益处之外，本文描述的方法的说明性实施方式允许利用一种方法对表面进行光滑、清洁和喷丸处理。没有已知系统或设备可以执行这些功能，特别是对于如此广泛的表面形状和材料。因此，本文描述的说明性实施方式特别可用于通过增材制造生产的精加工零件。然而，并非本文描述的所有实施方式都提供相同的优点或相同程度的优点。

结论

上述公开内容可涵盖具有独立效用的多个不同发明。尽管已经以其优选形式(一个或多个)公开了这些发明中的每一个，但是本文公开和图解的其具体实施方式不应以限制意义考虑，因为许多变化是可能的。就本公开内容中使用的章节标题而言，这些标题仅用于组织目的，并不构成任何要求保护的发明的特征。本发明(一个或多个)的主题包括本文公开的各种元件、特征、功能和/或性质的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。所附权利要求特别指出被视为新颖和非显而易见的某些组合和子组合。在要求来自申请或相关申请的优先权的申请中可以要求保护在特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合中体现的发明(一个或多个)。这些权利要求，无论是针对不同的发明还是针对相同的发明，以及与原始权利要求的范围相比是否更宽、更窄、相同或不同，也被认为包括在本公开内容的发明(一个或多个)的主题内。