一种材料表面电火花喷丸强化装置的制作方法

本实用新型涉及材料加工技术领域，尤其涉及一种材料表面电火花喷丸强化装置。

背景技术：

零件在加工后容易在表面产生拉应力，这使其表面容易在交变或往复载荷作用下产生微裂纹，进而影响零件使用性能，缩短其使用寿命。通过对零件进行表面强化处理，在零件表层引入一定的残余压应力，能够提高零件的疲劳强度与耐磨性，从而延长零件的使用寿命。

目前常用的表面强化方法有表面热处理、表面化学处理及表面机械处理。表面热处理在金属材料领域应用较多，热处理后的零件实质上可以认为是一种特殊复合材料，其心部为原始成分的钢，表层则渗入了合金元素，心部与表层之间为紧密的晶体结构，结合强度非常高。但热处理需要的时间较长，工艺较复杂，且辅助材料消耗较多，成本较高，因此在应用上具有一定的局限性。表面化学处理是将零件置于活性介质中进行加热与保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变其表面层的化学成分、组织结构及性能，其在提高工件表面硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳极限上具有显著效果。但在化学处理过程中经常需要使用酸、碱或有机溶剂，这些溶剂具有一定腐蚀性，因此在应用上也具有一定的局限性。表面机械处理主要是滚压和喷丸，其具有工艺步骤简单、操作便捷、加工效果稳定及成本低等优点，因此被广泛应用。

滚压是用淬火的钢辊子在零件表面进行滚轧的强化方法。滚压使零件表面产生塑性变形和残余压应力，能显著提高零件的精度并降低表面粗糙度，但滚压仅适用于形状较简单的零件。喷丸是利用大量高速运动的钢珠打击零件表面，使表面产生冷硬层和残余压应力。对于材料强度高、零件表面有应力集中、表面粗糙或有表面缺陷的零件，喷丸强化具有显著的效果。

显然，表面喷丸技术在目前的表面强化处理中发挥着非常重要的作用，但也存在一些不足。例如常规喷丸的操作便捷性较差，容易出现钢珠泄漏及喷丸效果不均匀等问题；新兴的激光喷丸虽然效果较好，但其设备投入非常高，且工艺参数还未完全探索明白，故其应用也受到一定限制。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种材料表面电火花喷丸强化装置，通过该装置对材料表面处理后能够达到类似常规喷丸的效果，可以提高材料表面硬度、耐磨性及疲劳强度，增加其使用寿命，且该装置的成本较低、操作便捷，喷丸效果较均匀。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供了一种材料表面电火花喷丸强化装置，包括工作槽、电源、遮蔽部及工具电极，工作槽内设有工作液，电源的两极分别与待加工工件、工具电极电连接，遮蔽部位于工具电极与待加工工件之间，且遮蔽部覆盖于待加工工件的待加工区域，工具电极与遮蔽部之间形成工作空间，工作空间淹没于工作液中，工作空间内能够产生电火花放电。

作为上述技术方案的改进，遮蔽部的厚度d的范围为0＜d≤0.3mm。

作为上述技术方案的进一步改进，遮蔽部与待加工工件之间粘接或焊接，或通过压板压紧。

作为上述技术方案的进一步改进，工作液中设有辅助冲击颗粒，辅助冲击颗粒能够悬浮于工作液中。

作为上述技术方案的进一步改进，遮蔽部上与工具电极相对的面上设有辅助冲击颗粒。

作为上述技术方案的进一步改进，辅助冲击颗粒的半径r的范围为5μm≤r≤25μm。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括位移部，位移部能够调节工具电极与待加工工件之间的相对位置。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括工件固定部，待加工工件固定于工件固定部上，位移部带动工具电极相对于待加工工件移动。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括工作液槽、进液管及出液管，进液管的两端分别与工作槽、工作液槽连通，出液管的两端分别与工作槽、工作液槽连通。

作为上述技术方案的进一步改进，进液管上设有进液泵与过滤器，出液管上设有出液泵。

本实用新型的有益效果是：通过该装置对材料表面处理后能够达到类似常规喷丸的效果，可以提高材料表面硬度、耐磨性及疲劳强度，增加其使用寿命，且该装置的成本较低、操作便捷，喷丸效果较均匀。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：

图1是本实用新型一个实施例中材料表面电火花喷丸强化装置的结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例中发生电火花冲击时的原理示意图；

图3是本实用新型一个实施例中发生电火花冲击后工具电极与待加工工件的状态示意图；

图4是本实用新型一个实施例中发生电火花冲击后的残余压应力分布示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型的较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，从而能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

在本实用新型的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。当某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接在另一个特征上。

在本实用新型的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个或者多个，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

此外，除非另有定义，本实用新型所使用的技术术语和科学术语均与所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实用新型所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本实用新型。

参照图1，示出了本实用新型一个实施例中材料表面电火花喷丸强化装置的结构示意图。本实施例中的材料表面电火花喷丸强化装置包括工作槽1，在工作槽1中装有工作液11。工作液11作为放电介质，可选用煤油、去离子水或乳化液等。

待加工工件2通过工件固定部3固定于工作槽1内，并浸没在工作液11中。待加工工件2的顶部设有遮蔽部4，遮蔽部4将待加工工件2的待加工区域覆盖住。具体的，二者可通过粘接或焊接实现固定，或者，也可设置压板将遮蔽部4压紧在待加工工件2上。加工结束后，将待加工工件2表面的遮蔽部4剥离即可获得表面被强化的工件。另外，待加工工件也可部分浸没于工作液中，只要保证工作空间内充满工作液即可。

在遮蔽部4的顶部设有工具电极5，工具电极5的底部浸没于工作液中。遮蔽部4与工具电极5之间具有一定放电间隙，该间隙即为工作空间。工具电极5与待加工工件2分别电连接至脉冲电源6的两极。通过待加工工件2与工具电极5之间的电火花放电来实现对待加工工件的表面强化加工。

本实施例中，待加工工件2与脉冲电源6的正极相连，工具电极5与脉冲电源6的负极相连。外接脉冲电源6后，在工具电极5与待加工工件2之间形成工作电场，工作液11中的负离子在工作电场作用下朝正极运动，正离子朝负极运动。当工作电场的场强增大至临界值时，工作液被击穿，产生电火花放电。

参照图2至图4，图2示出了发生电火花冲击时的原理示意图，图3示出了发生电火花冲击后工具电极与待加工工件的状态示意图，图4示出了发生电火花冲击后的残余压应力分布示意图。电火花放电时，放电通道内形成瞬间高温区，工作液11瞬间膨胀，从而对工作液中的正负离子及气泡产生瞬时压力，使其高速冲击工具电极5与遮蔽部4。

正离子及气泡高速冲击工具电极5，使其形成局部高温区51。局部高温区51可能会熔化，熔化后的工具电极材料抛溅至工作液11中迅速冷凝形成碎屑颗粒。工具电极5上局部高温区51处便会形成凹坑52。因此，工具电极5需选用熔点较高的耐电蚀材料，以减小在该过程中的损耗。具体的，工具电极可选用铜、石墨、铜钨合金或钼等材质。

负离子及气泡高速冲击遮蔽部4，对遮蔽部4与待加工工件2产生瞬时冲击力，使待加工工件2产生塑性变形。在该过程中，负离子与气泡相当于传统喷丸中的丸粒，其高速冲击遮蔽部4与待加工工件2能够达到类似于传统喷丸的效果，从而在加工结束后使待加工工件2表面受到冲击的部位产生残余压应力，以提高其疲劳强度与耐磨性等性能。电火花放电瞬时压力达到1500mpa以上，普通钢珠喷丸所形成的压应力在1100～1700mpa，电火花喷丸在冲击能量上达到喷丸的要求。喷丸能够使材料表面产生残余压应力属于公知技术，故在此不再赘述其原理。

遮蔽部4选用熔点较高、延展性好、热稳定性好的材质，例如铜、铝、碳或聚氯乙烯等，将其制成薄膜或薄片状。由于遮蔽部4的熔点高，在受到瞬间高温高压冲击时不会熔化，且温度经过遮蔽部4的传递后有所降低，使待加工工件2不会因高温而熔化受损。遮蔽部4在传递变形的同时能够对待加工工件2形成保护，防止其产生应力集中而出现微裂纹。由于遮蔽部4具有较好的延展性，在受到瞬间高温、碰撞时表面能形成凹坑，并进行力的传递。此外，遮蔽部4能够保持待加工工件2表面的光洁度，防止工具电极5上经熔化及冷凝后形成的碎屑沉积到待加工工件2的表面。遮蔽部4的厚度不能过大，否则会削减到达待加工工件2表面的冲击力，无法达到喷丸效果。经过实验验证，遮蔽部4的厚度d的范围为0＜d≤0.3mm时较佳。

残余压应力随加工电压增大而增大，随放电间隙增大而减小。当不设置遮蔽部时，通过调节电源参数(降电压、降电流等)及放电间隙(加大放电间隙)使放电能量降低，也能保证待加工工件在不熔化的同时受到冲击力。但这种情况下产生的冲击力偏小，无法达到喷丸效果，因此，不设置遮蔽部时，待加工工件不熔化与达到喷丸效果是矛盾的。本实施例中通过设置遮蔽部则可解决该矛盾，使待加工工件不熔化的同时达到喷丸效果。

继续参照图1，在工具电极5的顶部固定连接有位移部7，用以实现工具电极5相对于待加工工件2的位置调节。通过调节工具电极5在竖直方向的位置，能够改变工具电极5与遮蔽部4在竖直方向上的间距(即放电间隙)，以改变电火花加工时的放电能量及放电效果。通过调节工具电极5在水平方向的位置，即可变换待加工工件2上强化加工的区域。

在本实施例中，工具电极5被设置为柱状，加工范围与柱状底面的区域对应，工具电极5被位移部7带动扫过待加工工件2表面，即可完成对待加工工件2整个表面的强化加工。将柱状的工具电极5的半径设置的非常小时，工具电极5变成丝状，其加工位置的精确度大幅提高，能够实现对工件上狭窄区域的加工。还可以将丝状的工具电极翻转90度，加工时相当于一根线扫过待加工工件表面。此外，当待加工工件2表面的形状不规则时，可以根据待加工工件2的表面形状设置与其匹配的工具电极5，从而实现复杂三维曲面的强化加工，这是传统喷丸难以实现的。

位移部7可直接选用三轴机械手，将工具电极5固定于三轴机械手上，通过三轴机械手对工具电极5在竖直方向及水平方向的位置进行调节。或者，可设置能够沿三个方向移动的移动模组来分别调节工具电极5在三个方向上的位置。

在本实施例中，待加工工件2被固定，位移部7带动工具电极5运动，但不限于此。也可以将工具电极5的位置固定，用位移部7带动待加工工件2相对于工具电极5移动。或者，位移部包括水平移动平台与竖直移动平台，水平移动平台与工具电极5连接，调节工具电极5在水平方向的位置，竖直移动平台与待加工工件2连接，调节待加工工件2在竖直方向上的位置。或者，水平移动平台与待加工工件2连接，调节待加工工件2在水平方向的位置，竖直移动平台与工具电极5连接，调节工具电极5在竖直方向上的位置。本领域技术人员在不需要付出创造性劳动的情况下，可以简单的变换出位移部的多种结构及连接方式，这些应在本实用新型的保护范围之内。

为了保持工作液11的清洁度，提高加工的稳定性，工作液11应该具有较好的流动性。本实施例中还设有工作液槽8及工作液管9，工作液管9包括进液管91与出液管92。进液管91的两端分别伸入工作槽1、工作液槽8中，出液管92的两端也分别伸入工作槽1、工作液槽8中。进液管91上设有过滤器911与进液泵912，出液管92上设有出液泵921。工作槽1内电火花放电后工具电极5上经熔化与冷凝产生的碎屑可随着工作液11一起被出液泵921吸入工作液槽8中。工作液槽8内的工作液在进液泵912的作用下被吸入工作槽1内进行加工，过滤器911能保持进入工作槽1内的工作液的纯净度，防止杂质及碎屑进入工作槽1中影响加工的稳定性。

在本实用新型的另一实施例中，工作液11中加入了辅助冲击颗粒。辅助冲击颗粒悬浮于工作液中形成悬浊液。在负离子及气泡朝待加工工件高速运动过程中会撞击辅助冲击颗粒，带动其一起朝工件运动，以增大冲击强度，强化喷丸效果。或者，也可将含有辅助冲击颗粒的膏体涂抹于遮蔽部4的表面，当工作液瞬间膨胀形成冲击时辅助冲击颗粒会挤压敲击遮蔽部4与待加工工件2，以增大冲击强度。通常，辅助冲击颗粒的材质为石英、锆或陶瓷等。工作液粘度较高时，可将辅助冲击颗粒设置为石英细沙或微细锆球；工作液粘度较低时，可将辅助冲击颗粒设置为锆粉或陶瓷粉等。传统喷丸中，丸粒尺寸过小时，工件表面产生的残余压应力较高，但强化层较浅；丸粒尺寸过大时，强化层较深，但产生的残余压应力较低。辅助冲击颗粒的尺寸对喷丸效果的影响与传统喷丸类似，其尺寸必须在一定范围内才能达到较好的效果。通常，将辅助冲击颗粒的半径r的范围设置为5μm≤r≤25μm。

在本实用新型的另一实施例中，待加工工件2与脉冲电源6的负极相连，工具电极5与脉冲电源6的正极相连。电源接法与所使用的电源类型有关。当使用短脉冲电源时，电火花放电过程中冲击正极的能量大于负极(这与普通电火花加工蚀除材料时相同，属于公知技术，故在此不再赘述)。此时，待加工工件2接正极，即可使工作液11中的辅助冲击颗粒大部分被带动至正极，以强化喷丸效果，且能减小工具电极5的损耗。类似的，当使用长脉冲电源时，冲击负极的能量大于正极，此时，待加工工件2接负极。此外，电源接法还与待加工工件2的材质有关，可根据具体材质来变换接法。

以上是对本实用新型的较佳实施进行的具体说明，但本实用新型并不限于所述实施例，所属领域的技术人员在不脱离本实用新型宗旨的前提下还可做出种种的等同变形或替换。此外，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。