專利名稱：利用脈沖射流為熱噴涂層制備氣缸孔表面的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及脈沖射流，尤其涉及利用脈沖射流的表面制備，更具體地涉及利用脈沖射流的發(fā)動機氣缸孔表面制備。
背景技術(shù)：
氣缸孔的熱噴涂層需要制備孔表面以接受涂層，其中孔的表面必須無污染和氧化物，以及具有期望的表面粗糙度范圍，以便確保涂層粘附至孔表面。通常使用兩種表面制備的方法噴丸清理和高壓射流。其他的方法包括利用磨研鉸刀、鉆尖和燕尾刀進行的機械粗加工。噴丸清理使用了硬研磨劑，例如氧化鋁或冷硬鑄鐵顆粒，硬研磨劑以足以沖蝕表面的速度被引導(dǎo)到襯底處。表面制備的該方法遭受將一些噴丸介質(zhì)俘獲到襯底表面中從而將污染物引入到涂層系統(tǒng)中的可能性，并且還可能不利地影響涂層在涂覆之后的研磨或珩磨。另外，噴丸清理可導(dǎo)致以高速從襯底彈開的噴丸顆粒穿透密封件和機械裝備。噴丸清理過去幾十年已用于工業(yè)，以便為熱噴涂層制備表面，并且仍然是最普遍的方法。高壓射流(HPWJ)，也被稱為連續(xù)流射流，使用了以大約50，000 psi壓力從噴嘴噴射的水流來沖蝕表面。該方法能量消耗量非常大，并且在以非常高的壓力進行操作的情況下還有安全問題。HPWJ在過去的20年中不斷地發(fā)展著。例如，在美國專利4，787，178 (Morgan 等)、4，966，059 (Landeck),6, 533，640(Nopwaskey 等)、5，584，016 (Varghese 等)、5，778，713 (Butler 等)、6，021，699 (Caspar)、6，126，524 (Shepherd)和6，220，529 (Xu)中已知用于切割和清潔的連續(xù)流高壓射流系統(tǒng)的示例。在歐專專利申請EP O 810 038 (Munoz)和EP O 983 827 (Zumstein)、以及在美國專利申請公布 2002/0109017 (Rogers ^>,2002/0124868 (Rice 等)和 2002/0173220(Lewin等)中可以找到更多的示例。前述內(nèi)容中作為示例的連續(xù)流射流技術(shù)遭受到致使連續(xù)流射流系統(tǒng)昂貴并且笨重的某些缺陷。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員已意識到地，連續(xù)流射流裝備必須被穩(wěn)健(或魯棒)地設(shè)計，以便經(jīng)得起有關(guān)的非常高的水壓。因此，噴嘴、水管線和配件都龐大、沉重并且昂貴。為了輸送超高壓的射流，需要昂貴的超高壓水泵，這進一步在下述方面中增加了成本這種泵的資金成本、與運轉(zhuǎn)這種泵相關(guān)聯(lián)的能耗成本、以及維護成本。響應(yīng)于連續(xù)流射流的缺點，研制了超聲脈沖噴嘴，以便以不連續(xù)的離散包或“子彈”來輸送經(jīng)高頻調(diào)制的水。在美國專利5，134，347 (Vijay)中詳細描述并圖示了該超聲噴嘴，該美國專利公開了將來自超聲發(fā)生器的超聲振蕩轉(zhuǎn)換成能夠在射流穿過噴嘴時向射流施加每秒數(shù)千脈沖的超高頻機械振動。這些射流脈沖將水的擊打壓力施加在要切割或清潔的表面上。每一次將水的擊打壓力施加在目標表面上，該微型水彈的快速轟擊增強了射流的沖蝕能力。該超聲脈沖噴嘴能夠比現(xiàn)有技術(shù)的連續(xù)流射流更有效地進行切割或清潔。理論上，撞擊目標表面的沖蝕壓力為駐點壓力或者1-PV2，其中P表示水的密度，而V表示水撞擊目標表面時的沖擊速度。相反，由于水的擊打現(xiàn)象的緣故而升高的壓力為P CV，其中C表示水中的聲速，其近似為1524 m/s O通過使射流脈沖化來獲得的沖擊壓力的理論放大率為2c/v。即使忽略空氣阻力并且將沖擊速度假定為大約1500英尺/秒的流體排出速度(或近似465 m/s)，則沖擊壓力的放大率大約為6至7。當考慮空氣阻力時，假定大約300 m/s的沖擊速度，則理論放大率為十倍。在實踐中，由于摩擦損失及其他無效因素，在美國專利5，154，347中描述的脈沖超聲噴嘴對于給定的源壓力而言將大約6至8倍多的沖擊壓力施加到目標表面上。因此，為了獲得相同的沖蝕能力，脈沖噴嘴僅需要用功率小至1/6到1/8的壓力源來操作。由于脈 沖噴嘴可與小得多且便宜得多的泵一起使用，所以脈沖噴嘴比連續(xù)流射流噴嘴更經(jīng)濟。此夕卜，由于噴嘴、管線和配件中的射流壓力在超聲噴嘴的情況下低得多，所以超聲噴嘴能設(shè)計成較輕、不太笨重并且更有成本效率。盡管在美國專利5，154，347中描述的超聲噴嘴和在名稱為“ULTRASONICWATERJET APPARATUS”的公開W0/2005/042177中介紹的改進版本代表了射流技術(shù)中的重大突破，但這些早期的技術(shù)并不是設(shè)計成用于表面制備，該美國專利申請5，154，347和W0/2005/042177在此都以引用的方式并入本文。因此，需要在現(xiàn)有技術(shù)進行改進的用于制備表面的方法和設(shè)備。更進一步，需要的是一種不必需利用高壓射流或者能被捕獲到襯底中的干研磨劑的制備氣缸孔的方法，該方法能夠提供與利用這些方法中的任一方法生產(chǎn)的表面型式相類似的表面型式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于發(fā)動機氣缸孔的表面制備的脈沖射流(PWJ)設(shè)備。更具體地說，PWJ能制備發(fā)動機氣缸孔的表面，用于接收熱噴涂層。脈沖射流代表了在表面制備的性能方面相對于普通的連續(xù)(超高壓)射流技術(shù)的實質(zhì)性改善。脈沖射流通過調(diào)整關(guān)鍵操作參數(shù)(諸如驅(qū)動轉(zhuǎn)換器的信號的頻率(f)和振幅(A)、水的流率(Q)和壓力(P))以及噴嘴的某些關(guān)鍵尺寸(諸如，出射噴口的直徑d ;比率L/d，其中L表示出射噴口的圓筒部分的長度；和參數(shù)a，其中“a”表示從微末端到噴口出射處之間的距離)能夠被專門修改，以便產(chǎn)生精確且高度均勻的表面粗糙度特性。還可通過調(diào)整諸如間隙距離(SD)和橫向速度(Vtk)之類的操作參數(shù)來可控地改變表面粗糙度特性。PWJ通過相應(yīng)地選擇操作參數(shù)在任一給定的材料上產(chǎn)生了高度可預(yù)測的表面精加工。例如，PffJ的一個應(yīng)用是用于發(fā)動機本體(例如鋁發(fā)動機本體)的氣缸孔的內(nèi)圓柱面的表面制備。利用PWJ，能有效地完成這些氣缸孔的表面制備，并且能夠?qū)⑦@些氣缸孔的表面制備到非常精確的粗糙度要求，以便使隨后利用熱噴涂技術(shù)涂覆的涂層的結(jié)合最佳。通過調(diào)整一組關(guān)鍵的操作參數(shù)，即f、A、P、Q、VTE, SD、L/d、d、“a”，能改變脈沖射流的沖蝕特性，以適應(yīng)將要進行沖蝕的特定材料，并且其次，以達到期望的質(zhì)量去除速率。換句話說，通過調(diào)整關(guān)鍵操作參數(shù)(￡3、？、0、￥ ;、30、17(1、(1、“&”)，能夠?qū)崿F(xiàn)高度均勻且可預(yù)測的表面粗糙度，其中具有減少的點蝕、開槽或其他表面缺陷。還能夠通過調(diào)整操作參數(shù)以最大限度地消除點蝕、開槽或其他表面缺陷。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，能借助于產(chǎn)生高頻脈沖的液體噴射來生成脈沖射流。能利用內(nèi)部機械的流調(diào)制器、Helmholtz振蕩器、自振噴嘴和/或超聲噴嘴來產(chǎn)生這些高頻液體噴射。另外，例如通過借助于對液體進行作用的聲能轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生聲波，從而利用聲波產(chǎn)生脈沖射流。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種利用脈沖射流制備表面的新穎方法是高頻強制脈沖射流，包括步驟利用高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生具有頻率f的高頻信號；向具有微末端(microtip)的轉(zhuǎn)換器施加高頻信號，以使轉(zhuǎn)換器的微末端振動，并由此產(chǎn)生通過噴嘴的出射噴口的強制脈沖射流，該噴嘴具有出射噴口直徑d和出射噴口長度L ;以及，使強制脈沖射流撞擊要制備的表面，以將表面制備成在預(yù)定的表面粗糙度范圍內(nèi)，其中通過選擇操作參數(shù)來確定預(yù)定的表面粗糙度范圍，所述操作參數(shù)包括間隙距離(SD)、噴嘴的橫向速度Vtk、水壓P、水流率Q、噴口長度直徑比(L/d)、微末端到噴口出口平面的距離(a)、高頻信號的頻率f以及振幅A?！じ鶕?jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于表面制備的新穎的強制脈沖射流設(shè)備，包括高壓水泵，其用于產(chǎn)生具有水壓P和水流率Q的加壓射流；高頻信號發(fā)生器，其用于產(chǎn)生具有頻率f和振幅A的高頻信號；以及超聲噴嘴，其具有用于將高頻信號轉(zhuǎn)化成使加壓射流脈沖化的振動的轉(zhuǎn)換器，該超聲噴嘴具有用于超聲調(diào)制加壓射流的微末端，微末端與設(shè)計成具有特定L/d比的噴嘴的出射噴口的出口平面間隔以距離(a)，其中L表示出射噴口的長度，而d表示出射噴口的直徑，其中預(yù)定L/d比、頻率f、振幅A、水壓P、流率Q和噴嘴的橫向速度VTK，從而產(chǎn)生強制脈沖射流，該強制脈沖射流的脈沖被特別設(shè)計成對與噴嘴以間隙距離SD間隔開的給定材料的表面進行制備，以便在材料的表面上產(chǎn)生大致均勻且可預(yù)測的表面粗糙度。在另一方面中，脈沖噴射能夠由除水之外的液體構(gòu)成。例如，脈沖噴射可以是乙二醇、水和乙二醇的混合物、清潔溶劑、稀酸、酒精、油及其他合適的流體。


本技術(shù)另外的特征和優(yōu)點將從以下結(jié)合附圖的詳細說明變得明顯，其中
圖I描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于表面預(yù)加工的強制脈沖射流設(shè)備；
圖2描繪了強制脈沖射流設(shè)備的噴嘴中的微末端與出射噴口的幾何形狀；
圖3示意性地描繪了用于對發(fā)動機本體的內(nèi)圓柱孔進行表面預(yù)加工的具有90度的彎頭的噴嘴；
圖4示意性地描繪了用于對發(fā)動機本體的內(nèi)圓柱孔進行表面預(yù)加工的具有雙角度傾斜的噴口的噴嘴；
圖5示意性地描繪了用于對發(fā)動機本體的內(nèi)圓柱孔進行表面預(yù)加工的具有兩個向前角度傾斜的噴口和兩個向后角度傾斜的噴口的噴嘴；
圖6示意性地描繪了用于對發(fā)動機本體的內(nèi)圓柱孔進行表面預(yù)加工的具有兩個90度的噴口的噴嘴；
圖7是根據(jù)一個實施例的用于對氣缸孔的內(nèi)表面進行預(yù)加工的四噴口超聲噴嘴的剖視圖；圖8是根據(jù)另一實施例的用于對氣缸孔的內(nèi)表面進行預(yù)加工的四噴口超聲噴嘴的剖視 圖9是具有磁致伸縮圓柱芯的超聲噴嘴的剖視 圖10是具有磁致伸縮管芯的超聲噴嘴的剖視 圖11是用高壓射流產(chǎn)生的表面型式的顯微照片；以及 圖12是用強制脈沖射流產(chǎn)生的表面型式的顯微照片。應(yīng)指出的是，遍及附圖，相同的特征由相同的附圖標記指示。
具體實施例方式本發(fā)明涉及利用脈沖射流的氣缸孔表面制備的新穎方法。特定的示例被描述為利用強制脈沖射流(FPWJ);和用于將氣缸孔材料表面制備到預(yù)定的表面粗糙度參數(shù)的新穎FPWJ設(shè)備。強制脈沖射流的基本理論
為了充分地理解該新穎技術(shù)，對FPWJ的基本理論進行簡要回顧，以便理解為什么對材料靶的射流沖擊被超聲調(diào)制放大。將穩(wěn)定的連續(xù)射流(CWJ)法向地撞擊要切割或清潔的任一表面時看作基本的參考基準，在沖擊點處的最大壓力被稱作駐點壓力Ps，駐點壓力Ps由以下方程給出
權(quán)利要求
1.一種利用脈沖射流對氣缸孔的表面進行預(yù)加工的方法，所述方法包括步驟 利用信號發(fā)生器產(chǎn)生具有頻率f的信號； 施加所述信號，以產(chǎn)生通過噴嘴的出射噴口的脈沖射流，所述噴嘴具有直徑為d的出射噴口并且具有長度為L的所述出射噴口的圓筒部分；以及 使所述脈沖射流撞擊要預(yù)加工的所述氣缸孔的表面，以將所述表面制備成在預(yù)定的表面粗糙度范圍內(nèi)，其中通過選擇操作參數(shù)來確定所述預(yù)定的表面粗糙度范圍，所述操作參數(shù)包括間隙距離SD、所述噴嘴的橫向速度Vtk、水壓P、水流率Q、噴口的長度直徑比L/d、所述信號的頻率f和振幅A。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中利用內(nèi)部機械的流調(diào)制器、Helmholtz振蕩器、自振噴嘴、超聲噴嘴和聲能轉(zhuǎn)換器中的至少一種來產(chǎn)生所述信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述L/d比在2:1與O.5:1之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述間隙距離SD不大于10.O"。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述水壓在1000psi與20，000 psi之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括使所述噴嘴以1000-2000RPM的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括將研磨劑挾帶在所述射流中的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述強制脈沖射流為液體。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述液體包括水、乙二醇、水加乙二醇、清潔溶齊 U、稀酸、酒精和油中的至少一種。
10. 一種脈沖射流設(shè)備，所述設(shè)備包括 水泵，所述水泵產(chǎn)生具有水壓P和水流率Q的加壓射流； 信號發(fā)生器，所述信號發(fā)送器向所述加壓射流產(chǎn)生頻率為f和振幅為A的信號，以產(chǎn)生脈沖射流；以及 噴嘴，所述噴嘴接收所述脈沖射流，所述噴嘴具有設(shè)計成具有特定的L/d比的出射噴口，其中所述L表示所述出射噴口的長度，并且所述d表示所述出射噴口的直徑，其中，所述L/d比、所述頻率f、所述振幅A、所述水壓P、所述流率Q和所述噴嘴的橫向速度Vtk被預(yù)定，從而產(chǎn)生脈沖射流，所述脈沖射流的脈沖被設(shè)計成對與所述噴嘴以間隙距離SD間隔開的給定氣缸孔材料的表面進行預(yù)加工。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的射流設(shè)備，其中利用內(nèi)部機械的流調(diào)制器、Helmholtz振蕩器、自振噴嘴、超聲噴嘴和聲能轉(zhuǎn)換器中的至少一種來產(chǎn)生所述信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的射流設(shè)備，其中所述L/d比在2:1與O.5:1之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的射流設(shè)備，其中所述間隙距離SD不大于10.O"。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的射流設(shè)備，其中所述水壓在1000psi與20，000 psi之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的射流設(shè)備，其中所述噴嘴能夠以1000-2000RPM的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的噴水設(shè)備，其中所述脈沖射流還包括研磨劑。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的噴水設(shè)備，其中所述強制脈沖射流為液體。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的噴水設(shè)備，其中所述液體包括水、乙二醇、水加乙二醇、清潔溶劑、稀酸、酒精和油中的至少一種。
全文摘要
一種利用脈沖射流對氣缸孔的表面進行預(yù)加工的設(shè)備和方法，需要利用信號發(fā)生器產(chǎn)生具有頻率f的信號；施加該信號以產(chǎn)生通過噴嘴的出射噴口的脈沖射流，該噴嘴具有出射噴口直徑d和長度L。脈沖射流將表面制備成在預(yù)定的表面粗糙度范圍內(nèi)。該表面粗糙度通過選擇操作參數(shù)來確定，所述操作參數(shù)包括間隙距離SD、噴嘴的橫向速度VTR、水壓P、水流率Q、直徑長度比L/d、信號的頻率f和振幅A。
文檔編號B05B1/08GK102958616SQ201080044797
公開日2013年3月6日 申請日期2010年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月6日
發(fā)明者R.J.莫爾茨, P.厄恩斯特 申請人:蘇舍美特科(美國)公司