CN108247435B - 增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削装置及方法 - Google Patents

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Abstract

增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削装置及方法属于增材制造后处理技术领域。现有技术未能有效提高增材制造的微通道换热器内表面的光洁度。在本发明之磨削装置中，二维移动平台、磨料流循环系统、Z向电磁铁固定在一个基座上，Z向电磁铁位于二维移动平台上方并朝向二维移动平台，磨料流循环系统的柔性循环管伸向二维移动平台上方；二维移动平台中的伺服电机、磨料流循环系统中的循环泵、Z向电磁铁的线圈开关由一个PLC芯片控制。本发明之磨削方法包括：找到增材制造的待磨削微通道换热器的原有三维数字模型；编写G代码路径控制程序；装夹微通道换热器；由PLC芯片控制二维移动平台带动所述微通道换热器进行二维移动，对微通道内表面进行磁力研磨。

Description

增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削装置及方法
技术领域
本发明涉及一种增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削装置及方法，属于增材制造后处理技术领域。
背景技术
微通道换热器是一种在固体基质上制造的、可用于流体或者固体热传递的三维结构单元，如图1所示，具有热管理和余热回收功能，结构紧凑，被用在紧凑、可靠、强力、便携和高通量的微尺度燃烧系统中，例如，所述微尺度燃烧系统热通量已是以往燃烧系统的若干倍。微通道换热器内部的微通道至少一个内部尺寸壁至壁等于或小于1厘米，优选等于或小于2毫米，在一些实施方式中约等于或小于1毫米。另外，微通道换热器其内表面粗糙度与其传质、传热效能密切相关，需要最大程度地降低其内表面粗糙度。鉴于此，现有技术采用传统机加方法制作微通道换热器时，制作出上下对称的两部分，也就是分体加工，然后对向扣合组装，形成密闭的微通道，并且微通道内表面粗糙度能够做到很低，但是，由于存在装配缝隙，会导致热量逸散。
增材制造技术作为一种微制造技术，能够加工出尺寸更小、结构更复杂的三维结构。采用增材制造技术制造微通道散热器，不仅能够极大地增大微通道换热器单位体积的换热面积，如目前微通道换热器的换热能力已达到300MW·m-3·k-1，而且能够一次性直接完成制造过程，不存在所谓的装配缝隙，这种微通道换热器在使用中也就不会发生所谓的热量逸散。然而，采用增材制造技术制造的微通道换热器，其内表面粗糙度高，且尚无实用方法解决该问题。
现有磁力研磨(Magnetic Abrasive Finishing,MAF)技术能够有效和经济地提高金属、陶瓷工件内、外表面加工质量，往往不受工件尺寸、结构、形状所限。磁力研磨加工方法先将铁磁颗粒和磨料(氧化铝、碳化硅、立方氮化硼和金刚石等)烧结在一起形成铁磁性磨料，在磁力研磨过程中，在磁场的作用下，铁磁性磨料聚集到一起，形成磁力研磨刷，施加外力使磁力研磨刷与工件间发生相对运动，磁力研磨刷中的铁磁性磨料将对工件表面进行磨削。
发明内容
为了提高采用增材制造方法制造的微通道换热器内表面质量，我们发明了一种增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削装置及方法，应用磁力研磨技术，利用微通道换热器整体封闭的结构特点，在驱动磁性磨料流流经微通道的过程中，施加磁力，由其中的铁磁性磨料磨削微通道换热器内表面，大幅降低粗糙度。
本发明之增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削装置其特征在于，二维移动平台、磨料流循环系统、Z向电磁铁固定在一个基座上，Z向电磁铁位于二维移动平台上方并朝向二维移动平台，磨料流循环系统的柔性循环管伸向二维移动平台上方；二维移动平台中的伺服电机、磨料流循环系统中的循环泵以及Z向电磁铁的线圈开关由一个PLC(可编程逻辑控制器)芯片控制。
本发明之增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削方法其特征在于：
步骤一、找到增材制造的待磨削微通道换热器的原有三维数字模型，了解所述微通道换热器的内部微通道走向；
步骤二、根据所述微通道换热器的内部微通道走向规划二维移动平台的二维移动路径，将该路径编写为G代码路径控制程序；
步骤三、将所述微通道换热器固定于二维移动平台上，将磨料流循环系统的柔性循环管与所述微通道换热器的微通道进口、出口相接；
步骤四、根据所述微通道换热器的预定磨削量，调整Z向电磁铁与所述微通道换热器的间距；
步骤五、由PLC芯片控制开启Z向电磁铁的线圈开关以及启动磨料流循环系统中的循环泵，再由PLC芯片执行G代码路径控制程序，控制二维移动平台带动所述微通道换热器进行二维移动，对微通道内表面接近Z向电磁铁的一侧进行磁力研磨；
步骤六、翻转所述微通道换热器，使其微通道内表面的另一侧接近Z向电磁铁，重复步骤五，完成所述微通道换热器的微通道内表面的磁力研磨。
本发明取得了预期的技术效果。继人们提出采用增材制造技术制造微通道换热器而又无法解决微通道内表面粗糙问题之后，本发明应用磁力研磨技术，利用微通道换热器整体封闭的结构特点，在驱动磁性磨料流流经微通道的过程中，施加磁力，由其中的铁磁性磨料磨削微通道换热器内表面，大幅降低粗糙度，提高微通道换热器的传质和传热效能。磨料流中的铁磁性磨料的粒度只有微通道最小尺寸的1/5，在加上Z向电磁铁在二维移动平台配合下从两侧密集扫描微通道，能够实现微通道内表面的无死角磨削。在磨削完成后，还能够再次利用微通道进口、出口由气泵将微通道内残留的铁磁性磨料清除，这使得本发明趋于实用。
本发明之增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削装置结构简单，各组成部分均为现有技术中成熟的零部件，成功地将磁力研磨技术应用到微通道换热器的微通道内表面的磨削加工中来。
附图说明
图1是微通道换热器局部剖视示意图。
图2是本发明之增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削装置结构示意图，该图同时作为摘要附图。
图3是本发明之增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削装置中的夹持机构结构及夹持待磨削微通道换热器形态示意放大图。
图4是采用本发明之增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削方法的二维移动路径示意图。
具体实施方式
本发明之增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削装置中的二维移动平台、磨料流循环系统、Z向电磁铁固定在一个基座1上，如图2所示，Z向电磁铁2位于二维移动平台上方并朝向二维移动平台，磨料流循环系统的柔性循环管3伸向二维移动平台上方。
在所述二维移动平台中，自下而上依次为X向平移机构4、Y向平移机构5、夹持机构6；所述X向平移机构4、Y向平移机构5的结构相同，平移方向互成90°，各由一个伺服电机7驱动；所述夹持机构6由平口钳担当，如图3所示，由夹持机构6夹持微通道换热器8，使之固定于二维移动平台上。
在所述磨料流循环系统中，磁性磨削液槽9、循环泵10由柔性循环管3连通，柔性循环管3的两端与待磨削微通道换热器8的微通道进口、出口相接，形成磨料流回路，如图2～4所示。
所述Z向电磁铁2经由龙门支架11固定在基座1上。
二维移动平台中的伺服电机7、磨料流循环系统中的循环泵10、Z向电磁铁2的线圈开关由一个PLC(可编程逻辑控制器)芯片控制。
本发明之增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削方法包括以下步骤：
步骤一、找到增材制造的待磨削微通道换热器8的原有三维数字模型，了解所述微通道换热器8的内部微通道走向，例如，将待磨削微通道换热器8的原有三维数字模型装入PLC芯片。
步骤二、根据所述微通道换热器8的内部微通道走向规划二维移动平台的二维移动路径，将该路径编写为G代码路径控制程序，由该G代码路径控制程序确定一个一次走遍所述微通道换热器8的所有内部微通道的连续路径12，如图4所示。
步骤三、将所述微通道换热器8固定于二维移动平台上，也就是由二维移动平台中的夹持机构6夹持所述微通道换热器8，如图2、图3所示，由将磨料流循环系统的柔性循环管3与所述微通道换热器8的微通道进口、出口相接，如图2所示；
将铁磁颗粒和磨料(氧化铝、碳化硅、立方氮化硼和金刚石等)烧结在一起形成铁磁性磨料，铁磁性磨料的粒度为微通道换热器8中的微通道最小尺寸的1/3～1/8，如1/5；将铁磁性磨料加入切削液中配制磁性磨削液，将磁性磨削液加入到磁性磨削液槽9中。
步骤四、根据所述微通道换热器8的预定磨削量，调整Z向电磁铁2与所述微通道换热器8的间距，如3～5mm，获得所需大小的磨削力，例如，预定磨削量大，则减小Z向电磁铁2与所述微通道换热器8的间距，以获得较大的磨削力；或者以调整Z向电磁铁2线圈电流大小的方式获得所需大小的磨削力。
步骤五、由PLC芯片控制开启Z向电磁铁2的线圈开关、启动磨料流循环系统中的循环泵10，再由PLC芯片执行G代码路径控制程序，控制二维移动平台带动所述微通道换热器8进行二维移动，相当于Z向电磁铁2沿G代码路径控制程序确定的二维移动路径扫描微通道内表面，如图4所示，对微通道内表面接近Z向电磁铁2的一侧进行磁力研磨，在15～25分钟内重复扫描微通道内表面5～10遍。
步骤六、翻转所述微通道换热器8，使其微通道内表面的另一侧接近Z向电磁铁2，重复步骤五，完成所述微通道换热器8的微通道内表面的磁力研磨。

Claims (4)

1.一种增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削方法，在所采用的增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削装置中，二维移动平台、磨料流循环系统、Z向电磁铁(2)固定在一个基座(1)上，Z向电磁铁(2)位于二维移动平台上方并朝向二维移动平台，磨料流循环系统的柔性循环管(3)伸向二维移动平台上方；二维移动平台中的伺服电机(7)、磨料流循环系统中的循环泵(10)以及Z向电磁铁(2)的线圈开关由一个PLC芯片控制；在所述磨料流循环系统中，磁性磨削液槽(9)、循环泵(10)由柔性循环管(3)连通；
其特征在于：
步骤一、找到增材制造的待磨削微通道换热器(8)的原有三维数字模型，了解所述微通道换热器(8)的内部微通道走向；
步骤二、根据所述微通道换热器(8)的内部微通道走向规划二维移动平台的二维移动路径，将该路径编写为G代码路径控制程序；
步骤三、将铁磁颗粒和磨料烧结在一起形成铁磁性磨料，铁磁性磨料的粒度为微通道换热器(8)中的微通道最小尺寸的1/3～1/8；将铁磁性磨料加入切削液中配制磁性磨削液，将磁性磨削液加入到磁性磨削液槽(9)中；将所述微通道换热器(8)固定于二维移动平台上，将磨料流循环系统的柔性循环管(3)与所述微通道换热器(8)的微通道进口、出口相接；
步骤四、根据所述微通道换热器(8)的预定磨削量，调整Z向电磁铁(2)与所述微通道换热器(8)的间距；
步骤五、由PLC芯片控制开启Z向电磁铁(2)的线圈开关以及启动磨料流循环系统中的循环泵(10)，再由PLC芯片执行G代码路径控制程序，控制二维移动平台带动所述微通道换热器(8)进行二维移动，对微通道内表面接近Z向电磁铁(2)的一侧进行磁力研磨；
步骤六、翻转所述微通道换热器(8)，使其微通道内表面的另一侧接近Z向电磁铁(2)，重复步骤五，完成所述微通道换热器(8)的微通道内表面的磁力研磨。
2.根据权利要求1所述的增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削方法，其特征在于，以将待磨削微通道换热器(8)的原有三维数字模型装入PLC芯片的方式找到增材制造的待磨削微通道换热器(8)的原有三维数字模型。
3.根据权利要求1所述的增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削方法，其特征在于，所述G代码路径控制程序能够确定一个一次走遍所述微通道换热器(8)的所有内部微通道的连续路径(12)。
4.根据权利要求1所述的增材制造微通道换热器内表面磨料流磨削方法，其特征在于，在步骤五中，在15～25分钟内重复扫描微通道内表面5～10遍，对微通道内表面接近Z向电磁铁(2)的一侧进行磁力研磨。
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