CN102166735B - 软性磨粒流约束流道装置 - Google Patents

Abstract

软性磨粒流约束流道装置，包括底座和盖板，底座设工件沉槽，加工流道的顶部设有密封沉槽，密封沉槽内设有与其适配的密封垫；加工流道内设有约束模块和固定约束模块的夹具，磨料流体经由约束模块冲击待加工工件，约束模块上设通孔；盖板通过螺栓与底座连接，盖板底部设凸台；底座上设有多个允许无磨粒的流体流入加工流道内的流道孔，其中一个流道孔与允许加工流道内的流体流出的管道接口连接、形成泄流口，其余流道孔均与阻止加工中流体返流的单向阀连接；盖板上设有允许混有磨粒的流体进入加工通道内的磨粒流入口，磨粒流入口与单向阀连接。本发明具有加工效果好、避免加工效果不均匀，加工效率高的优点。

Description

软性磨粒流约束流道装置

技术领域

本发明涉及一种软性磨粒流约束流道装置。 

技术背景

传统抛光方法虽然已能达到很高精度，但对于抛光工具达不到的加工表面却无法加工，比如在模具制造中所涉及的沟、槽、孔、棱柱、棱锥、窄缝等结构化表面。液-固两相软性磨粒流加工是应用软性磨粒流在被加工工件的结构化表面形成湍流流动，配以约束模块，使被加工表面成为流道壁面的一部分，形成磨粒流道，磨粒流过该通道时，对壁面的粗糙处进行切削，实现结构化表面的无工具精密加工。 

加工流道的底座设计，约束流道和约束模块的设计与安装，软性磨粒流的输出、循环、回收都是重要部分。固-液两相软性磨粒流加工是以磨粒流的湍流理论为依据，以磨粒间的相互碰撞及磨粒与壁面间的碰撞为基础，对磨粒进行动力学分析，利用湍流流场中磨粒对壁面的切削作用，对被加工工件壁面粗糙处进行精密加工。该技术有效弥补了传统光整加工方法对结构化表面加工的劣势，同时也能够对其他复杂工件的表面加工，并且能够实现自动控制。 

目前，加工所用的软性磨粒流加工流道采用单入口、单出口方式，流体从流道的入口流入，出口流出，最终回流至磨粒流储存箱。约束模块的设计主要限制在不同外形表面的变化上。按照软性磨粒流加工的原理，对工件进行加工的软性磨粒流在磨粒流道内必须形成湍流流 动，并且湍流形成充分与否决定了磨粒在流道中流动随机性的高低，同时直接影响加工表面纹理的无序化和加工精度。基于前期的实验状况，单一的约束模块设计与简单的单输入、单输出的加工流道和存在以下缺点：①磨粒流粘度过大和约束模块作用不明显导致边界层范围过大，湍流效果和磨粒在工件表面附近的流动无序性不明显，参与加工的磨粒数量过少，加工一段时间后，工件表面出现条纹，没有达到所期望的效果；②流体在流道入口的速度达到或超过产生湍流的最小速度，但是由于加工流道较长，在流动过程中能量损失，湍动能下降，在加工工件的后一部分和边缘部分，磨粒流基本为层流状态，致使工件后部分加工效果不明显，从而导致整个工件加工表面的加工效果不均匀。③加工一段时间后，打开约束流道会发现有磨粒沉积堵塞现象发生。 

发明内容

为克服现有技术的上述问题，本发明提供了一种加工效果好、避免加工效果不均匀，加工效率高的软性磨粒流约束流道装置。 

软性磨粒流约束流道装置，包括内设加工流道的底座和覆盖于底座之上的盖板，所述的底座的底板上设有容纳待加工工件的工件沉槽，所述的加工流道的顶部设有密封沉槽，所述的密封沉槽内设有与其适配的密封垫； 

所述的加工流道内设有约束模块和固定约束模块的夹具，磨料流体经由约束模块冲击待加工工件，所述的约束模块上设有允许磨料流体通过的倾斜的通孔； 

所述的盖板通过螺栓与所述的底座连接，所述的盖板底部设有与所述的密封垫适配、将密封垫向底座压紧的凸台； 

其特征在于：所述的底座上设有多个允许无磨粒的流体流入加工流道内的流道孔，其中一个流道孔与允许加工流道内的流体流出的管道接口连接、形成泄流口，其余流道孔均与阻止加工中流体返流的单向阀连接； 

所述的盖板上设有允许混有磨粒的流体进入加工流道内的磨粒流入口，所述的磨粒流入口与单向阀连接。 

进一步，所述的加工流道内设有压力传感器。 

进一步，所述的底座和加工流道均呈长方体，所述的底座的两侧板上沿长度方向对称地分布多个流道孔，所述的泄流口位于底座的一个端板上，底座的另一个端板上设有与所述的泄流口对位的流道孔。 

进一步，所述的夹具包括用于安放约束模块的安装板和分别与安装板的四个角固接的支撑腿，所述的支撑腿与加工流道四角的支点固接；所述的安装板上设有允许所述的待加工工件通过的开口。 

进一步，所述的约束模块为与所述的约束流道的横截面形状、大小相同的平板。 

进一步，所述的约束模块的通孔为圆孔。 

或者，所述的约束模块上对称地开设有一对倾斜的通孔，通孔的横截面呈三角形。 

进一步，所述的加工流道的中线与工件沉槽的中线重合。 

本发明的技术构思为：本发明采用多个流体进口，1个泄流口， 分别位于加工工件的四周和顶端。混有磨粒的流进入流道内后首先通过约束模块，流体在约束模块上孔的作用下形成流型，再流入约束流道下层冲击加工工件。流体也可以同时从两侧的入口流入控制加工方向。这样可以提高加工的效率和可控性，同时也提高了加工精度。再加工一段时间后还可以关闭磨粒流入口，只开启流道孔从而对加工流道进行清洗、防止堵塞。 

本发明的有益效果在于： 

1、通过改变约束模块上孔的形状和方向对大部分磨粒入射角和流型实现可控，提高加工效率； 

2、改变约束模块上孔的位置实现加工区域的控制，并可以通过更换约束实现加工的工序化； 

3、加工中根据加工情况更换约束模块方便；可定期清洗流道，防止流道堵塞； 

4、在一套模具的加工中，更换几次约束模块就可以达到理想的加工效果，在一定程度上实现工程化。 

附图说明

图1是本发明装置的部件构成图。 

图2是本发明的结构示意图。 

图3是图2的俯视图。 

图4是底座的结构示意图。 

图5是图4的俯视图。 

图6是夹具的结构示意图。 

图7是第一种约束模块的示意图。 

图8是图7从中剖开后的示意图。 

图9是第二种约束模块的示意图。 

图10是图9从中剖开后的示意图。 

图11是盖板的示意图。 

图12是图11的俯视图。 

具体实施方式

实施例一 

参照图1-8，图11、12 

软性磨粒流约束流道装置，包括内设加工流道11的底座1和覆盖于底座1之上的盖板2，所述的底座1的底板上设有容纳待加工工件的工件沉槽12，所述的加工流道11的顶部设有密封沉槽13，所述的密封沉槽13内设有与其适配的密封垫14； 

所述的加工流道11内设有约束模块3和固定约束模块3的夹具4，磨料流体经由约束模块3冲击待加工工件，所述的约束模块3上设有允许磨料流体通过的倾斜的通孔31； 

所述的盖板2通过螺栓4与所述的底座1连接，所述的盖板2底部设有与所述的密封垫14适配、将密封垫14向底座1压紧的凸台21； 

所述的底座1上设有多个允许无磨粒的流体流入加工流道内的流道孔15，其中一个流道孔与允许加工流道内的流体流出的管道接口5连接、形成泄流口16，其余流道孔15均与阻止加工中流体返流 的单向阀6连接； 

所述的盖板2上设有允许混有磨粒的流体进入加工流道内的磨粒流入口22，所述的磨粒流入口22与单向阀连接。 

所述的加工流道11内设有压力传感器。 

所述的底座1和加工流道11均呈长方体，所述的底座1的两侧板上沿长度方向对称地分布多个流道孔15，所述的泄流口16位于底座的一个端板上，底座的另一个端板上设有与所述的泄流口16对位的流道孔15。 

所述的夹具4包括用于安放约束模块3的安装板41和分别与安装板41的四个角固接的支撑腿42，所述的支撑腿42与加工流道11四角的支点固接；所述的安装板41上设有允许所述的待加工工件通过的开口43。 

所述的约束模块3为与所述的约束流道3的横截面形状、大小相同的平板。 

所述的约束模块3的通孔31为圆孔。 

所述的加工流道11的中线与工件沉槽12的中线重合。 

在Preston方程中，将磨粒的速度和磨粒对壁面压力之外的所有因素的作用都归为一个比例常数k_p，称为Preston常数。 

$\mathrm{\Δz}={\∫}_0^t{k}_p\mathrm{vpdt}$

式中，Δ_z‐‐‐‐‐‐磨削去除量； 

v‐‐‐‐‐‐磨粒在近壁区的相对运动速度； 

p------磨粒在近壁区的相对压强； 

k_p------与磨粒本身相关的部分因素。 

在k_p中影响最大的因素为磨粒入射角，并且在入射角为90°和0°时加工效果最差。在本发明中，可以通过设计约束模块有效调节磨粒流的入射角度。 

磨粒磨损是当磨粒以一定的角度与材料表面相接触时，作用在磨粒上的力可分解为垂直于材料表面的分力和平行于材料表面的分力。垂直分力使磨粒压入材料表面，水平分力使压入表面的磨粒作切向运动，在材料表面产生擦伤和显微切削作用，结果在材料表面留下磨痕。当被磨损材料具有一定塑性时，压入的磨粒可分为两类。一类是其运动方向和棱角较有利于切削，对金属表面产生显微切削作用。另一类是压入深度较浅的圆滑磨粒，倾向于只在材料表面造成擦伤而产生塑性变形，即在磨粒作用处材料被磨粒挤压而推移到磨粒运动路径的两侧，中间形成犁沟，两侧形成堆积隆起，这种沿着擦痕两侧堆积的材料已收到严重的塑性损伤，很容易在其他磨粒的作用下而磨掉。当被磨材料塑性很差时，犁沟可能由于裂纹扩展而导致材料的剥落所形成。由磨粒磨损理论可以看出：工件在单输入单输出的软性磨粒流加工流道中加工很容易产生犁沟，导致加工精度不高。解决的办法只能是加入不同方向的流体进行多方向加工，本发明中正是基于此理论基础加入了约束模块的设计方法使磨粒流流动更加多样化并且加入多个流体入口对磨粒流进行控制。 

粘性流体在湍流模式下流经流道壁面时可以分成两个性质不同的区域，由于粘性的作用贴近壁面的流体薄层内会产生一个很大的速 度梯度，随着流速和雷诺的降低，湍流变为层流。除了流道壁面产生边界层之外磨粒表面也会产生边界层，在湍流作用下磨粒进入壁面层流区域后，颗粒表面边界层流体会对颗粒产生一个绕流阻力，在绕流阻力的作用下磨粒速度下降较大，直接导致加工效果不明显。 

潜入射流分为：自由射流区、冲击区、壁射流区。在自由射流区内，由于射流的卷吸作用射流股和流量都随之增大；进入冲击区后，由于主流受床面影响，流速迅速减小，压强急剧增大；由此导致壁面流速从零值迅速增大。入射流速u₀与离入射断面x距离处的中心流速u_m之间的关系为： 

$\frac{u_m}{u_0}={\left(\frac{2b_0}{b_e}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}\right)}^{\frac{1}{2}}$

式中，b₀------入射流厚度 

b_e------离入射断面x距离处的射流厚度，与x成正比，比例系数ε由实验确定。 

在冲击区，主流受床面的影响，流速迅速减小，压强急剧增大。沿壁面最大流速u_mp在冲击区内沿壁面方向的流速由零值迅速增大。 

$u_{\mathrm{mp}}=\frac{(1+\cos \mathrm{\β})u_0}{2}{\left(\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}\right)}^{\frac{1}{2}}{\left(\frac{2b_0\sin \mathrm{\β}}{\mathrm{\η}{h}_t}\right)}^{\frac{1}{2}}$

式中，β------潜流入射角 

h_t------流体深度 

η------水深减缩系数 

潜入射流理论和边界层理论表明，潜入射流角度β决定了颗粒进入边界层并撞击壁面的速度，适当的增大β可以在颗粒入射壁面角度 变化较小的情况下较大地增大颗粒入射速度，有效提高材料去除率，并且解决了以往磨粒划痕方向性明显的问题。 

本发明的工作过程为：根据经验、不同加工工件的表面结构和加工过程选择相应的约束模块。其中包括加工区域的选择，加工流型的选择，根据不同的加工要求设计不同类型的约束模块，包括开孔位置、开孔方向、开孔横截面形状。每次装配约束模块，先在槽内加入加工工件，再在上面装配约束模块的夹具，然后放置约束模块，最后在密封槽加上橡胶密封垫盖上盖板并用螺钉固定。加工一段时间后，取出工件判断加工效果，如果此阶段加工完成再加入下一个约束模块进行加工，在不更换约束模块的情况下还可以通过调节两侧不同流道孔的流体流入速度控制经过约束模块后的磨粒流的流动方向。根据不同的加工要求和加工效果可以有很多相应的解决方案，通过若干次的替换与调节后可以完成加工，并且在加工中实时测量流道内压力值，如果压力过大说明磨粒出现沉积堵塞现象，为避免磨粒堵塞引发的事故，可以在检测到压力值偏大后停止磨粒流的注入，只开启无磨粒流体泵对流道进行清洗，待压力值降低后再继续加工。 

实施例二 

参照图9、10 

本实施例与实施例一的区别之处在于：所述的约束模块3上对称地开设有一对倾斜的通孔31，通孔31的横截面呈三角形。 

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够 想到的等同技术手段。 

Claims (8)

1.软性磨粒流约束流道装置，包括内设加工流道的底座和覆盖于底座之上的盖板，所述的底座的底板上设有容纳待加工工件的工件沉槽，所述的加工流道的顶部设有密封沉槽，所述的密封沉槽内设有与其适配的密封垫；

所述的加工流道内设有约束模块和固定约束模块的夹具，磨料流体经由约束模块冲击待加工工件，所述的约束模块上设有允许磨料流体通过的倾斜的通孔；

所述的盖板通过螺栓与所述的底座连接，所述的盖板底部设有与所述的密封垫适配、将密封垫向底座压紧的凸台；

其特征在于：所述的底座上设有多个允许无磨粒的流体流入加工流道内的流道孔，其中一个流道孔与允许加工流道内的流体流出的管道接口连接、形成泄流口，其余流道孔均与阻止加工中流体返流的单向阀连接；

所述的盖板上设有允许混有磨粒的流体进入加工流道内的磨粒流入口，所述的磨粒流入口与单向阀连接。

2.如权利要求1所述的软性磨粒流约束流道装置，其特征在于：所述的加工流道内设有压力传感器。

3.如权利要求1或2所述的软性磨粒流约束流道装置，其特征在于：所述的底座和加工流道均呈长方体，所述的底座的两侧板上沿长度方向对称地分布多个所述的流道孔，所述的泄流口位于底座的一个端板上，底座的另一个端板上设有与所述的泄流口对位的流道孔。

4.如权利要求3所述的软性磨粒流约束流道装置，其特征在于：所述的夹具包括用于安放约束模块的安装板和分别与安装板的四个角固接的支撑腿，所述的支撑腿与加工流道四角的支点固接；所述的安装板上设有允许所述的待加工工件通过的开口。

5.如权利要求4所述的软性磨粒流约束流道装置，其特征在于：所述的约束模块为与所述的约束流道的横截面形状、大小相同的平板。

6.如权利要求5所述的软性磨粒流约束流道装置，其特征在于：所述的约束模块的通孔为圆孔。

7.如权利要求5所述的软性磨粒流约束流道装置，其特征在于：所述的约束模块上对称地开设有一对倾斜的通孔，通孔的横截面呈三角形。

8.如权利要求1所述的软性磨粒流约束流道装置，其特征在于：所述的加工流道的中线与工件沉槽的中线重合。

Images