CN110026911B - 一种用于强化研磨加工的送料喷头及物料混合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于强化研磨加工的送料喷头及物料混合方法，该喷头包括进气管、文丘里管以及喷管，所述文丘里管的喉管段的外侧设有两个与其连通的进料管；所述进料管的内径与喉管段的内径之比为K₁，K₁＝0.5；所述喉管段的内径与进气管的内径之比为K₂，K₂＝0.8。该混合方法包括以下步骤：进气管将高压的气体传送至文丘里管；高压的气体经过文丘里管时，在喉管段处产生负压；在负压的作用下，研磨液从其中一个进料管吸进喉管段中，研磨粉或/和钢珠从另一个进料管中吸进喉管段中；研磨物料进入喉管段后，进行充分的搅拌。该送料喷头能够同时将气、液、固三态的研磨物料进行充分的混合，不仅可避免发生堵塞的现象，还能够提高研磨加工的效果。

Description

一种用于强化研磨加工的送料喷头及物料混合方法

技术领域

本发明涉及研磨加工技术，具体涉及一种用于强化研磨加工的送料喷头及物料混合方法。

背景技术

强化研磨加工是一种基于复合加工方法的抗疲劳、抗腐蚀、抗磨损的金属材料表面强化加工方法，其原理是将钢珠、研磨粉、研磨液以及压缩气体混合并喷射至待加工的工件表面，斜向、高速喷射的混合喷射流会对加工工件的表面产生随机等概率碰撞(塑性加工，产生残余压应力)和微切削(研磨)，使金属工件获得较低的表面粗糙度及其一致性(控形)，同时还获得有利于润滑的“油囊”以及摩擦小、抗腐蚀、抗磨损、抗疲劳等等的高性能。其中，在混合喷射流冲击工件的表面时，会同时对工件进行表面塑性强化和两级研磨切削作用，提高工件的表面强度，改善工件的表面粗糙度，延长其使用寿命。

在研磨加工的过程中，通过喷头高速地将混合物料喷射到工件的表面，其中，由于混合物料为气、液、固三态物料的集合，其混合的均匀程度不仅会直接影响到研磨加工的效果，还会影响到送料系统的稳定性。具体地，如果研磨物料混合的均匀度不够，在远距离管道的输送中，容易造成沉淀、粘附、送料不均匀等现象，这样容易堵塞喷头，影响其喷射的效果。例如，公开号为CN204183420U的实用新型专利中公开了“一种数控喷丸机丸料喷射装置”，该丸料喷射装置将把丸料的进管设置成的弧形结构，保证丸料流下的时候拥有水平速度，加速更加方便，使得丸料出口时具有较高的初速度，但无法解决混合喷射流在输送过程中的沉淀、粘附和送料不均匀等问题，最后会造成管道和喷头堵塞等后果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种用于强化研磨加工的送料喷头，该送料喷头能够同时将气、液、固三态的研磨物料进行充分的混合，不仅可避免发生堵塞的现象，还能够提高研磨加工的效果。

本发明中的另一个目的在于提供一种用于强化研磨加工的物料混合方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种用于强化研磨加工的送料喷头，包括进气管、文丘里管以及喷管，所述进气管的首端与用于传送高压气体的输气管连通，末端与文丘里管的渐缩段连通；所述喷管的首端与文丘里管的渐扩段连通，末端为喷嘴段；

所述文丘里管的渐缩段与渐扩段之间为喉管段，该喉管段的外侧设有两个与其连通的进料管，两个进料管的内径相同；

所述进料管的内径与喉管段的内径之比为K₁，K₁＝0.5；所述喉管段的内径与进气管的内径之比为K₂，K₂＝0.8。

上述送料喷头的工作原理是：

工作时，输气管将高压的气体传送至进气管，高压气体经过进气管进入文丘里管，在文丘里管中，由于喉管段的直径小于进气管和喷嘴段的直径，所以气体在喉管段中的流速大于在进气管和喷嘴段的流速，因而会产生负压，从而可以通过进料管将管外的物料吸紧喉管段中。由于本发明的喉管段的外侧设有两个进料管，可以分别用于传输不同的研磨物料：其中一个进料管传输研磨液，另一个进料管传输研磨粉和钢珠。其中，在负压的作用下，两侧的研磨物料汇入喉管段，从而在喉管段中产生涡流，因此研磨物料会在喉管段中进行充分的搅拌，使得研磨液、研磨粉和钢珠三者得到充分的混合，有利于提高研磨加工的效果和避免发生堵塞的现象。

进一步，为了获得更好的喷射速度，本发明的喷头在管径比上进行优化，使得进料管的内径与喉管段的内径之比为0.5，喉管段的内径与进气管的内径之比为0.8，通过设置上述管径比，使得本发明的喷头的喷射效果更好。

本发明的一个优选方案，其中，所述渐缩段的渐缩角为α，α＝25°；所述渐扩段的渐扩角为β，β＝8°。其中，除了可以在管径比上进行具体的优化外，还能在角度上进行具体的设计，本优选的方案中，在管径比分别为K₁＝0.5，K₂＝0.8的前提下，经过大量正交试验，对比得到：将渐缩角α设为25°，将渐扩角β设为8°时，得到的空气速度和水流速度为最优值。

本发明的一个优选方案，其中，两个进料管对称设置在喉管段上，这样不仅可以确保两个进料管处具有足够且相等的负压作用力，还能增大两侧的研磨物料在汇入喉管段后的接触概率，从而获得更均匀的混合物料。

优选地，工作时，两个进料管分别位于喉管段的上下两侧，位于上方的进料管用于传送液态的物料，位于下方的进料管用于传送固态的物料，亦即上方的进料管吸入研磨液，下方的进料管吸入研磨粉和钢珠，其原因在于：上方的进料管的开口朝上，需要通过中间管道对物料进行吸取，而下方的进料管的开口朝下，可以直接对放置的物料进行吸取；由于研磨液为液体，可以通过弯曲的管道进入喉管中，因而从两个进料管进入均可；而研磨粉和钢珠为固体，将其放置在位于下方的进料管的下方，这样确保有足够的负压力直接对研磨粉和钢珠进行吸取。

本发明的一个优选方案，其中，所述进料管往靠近进气管的方向倾斜。

本发明的一个优选方案，其中，所述喷管的内径等于进气管的内径。

一种用于强化研磨加工的物料混合方法，包括以下步骤：

进气管将高压的气体传送至文丘里管；高压的气体经过文丘里管时，在喉管段处产生负压；在负压的作用下，研磨液从其中一个进料管吸进喉管段中，研磨粉或/和钢珠从另一个进料管中吸进喉管段中；研磨物料进入喉管段后，在汇合处形成涡流，进行充分的搅拌；快速流动的高压气体带着混合均匀的研磨物料从喷嘴段喷向工件。

本发明的一个优选方案，其中，两个进料管分别位于喉管段的上方和下方，研磨液从位于上方的进料管吸进喉管段中，研磨粉或/和钢珠从下方的进料管吸进喉管段中。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明的送料喷头通过在喉管段的外侧设置两个进料管，可以分别用于传输不同的研磨物料：其中一个进料管传输研磨液，另一个进料管传输研磨粉和钢珠，在负压的作用下，两侧的研磨物料同时汇入喉管段，从而在喉管段中产生涡流，因此研磨物料会在喉管段中进行充分的搅拌，使得研磨液、研磨粉和钢珠三者得到充分的混合，有利于提高研磨加工的效果和避免发生堵塞的现象。

2、本发明可以通过三条管道通入不同的研磨物料，并在文丘里管喉部处进行混合，改变了传统的先混合再通入管中的方式，这样不仅具有混合充分的优点，还能有效避免研磨物料在文丘里管中堵塞，使得混合物料有序进入喷嘴段，确保研磨效率及效果。

3、本发明的送料喷头在管径比上进行具体的优化，使得进料管的内径与喉管段的内径之比为0.5，喉管段的内径与进气管的内径之比为0.8，通过设置上述管径比，进一步获得更好的喷射速度。

附图说明

图1为本发明中的用于强化研磨加工的送料喷头的剖视图。

图2为本发明中的送料喷头的空气速度云图。

图3为本发明中的送料喷头的水流速度云图。

图4为本发明中的送料喷头的空气压力云图。

图5为本发明中的送料喷头的水流压力云图。

图6为本发明中的送料喷头的压力分布图。

图7为本发明中的文丘里管的渐缩角α的收敛段压降图。

图8为本发明中的文丘里管的渐扩角β的收敛段压降图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

参见图1，本实施例中的用于强化研磨加工的送料喷头，包括进气管1、文丘里管以及喷管2，所述进气管1的首端与用于传送高压气体的输气管连通，末端与文丘里管的渐缩段3连通；所述喷管2的首端与文丘里管的渐扩段4连通，末端为喷嘴段6；所述文丘里管的渐缩段3与渐扩段4之间为喉管段5，该喉管段5的外侧设有两个与其连通的进料管7，两个进料管7的内径相同。

为了进一步提高喷头的喷射性能，本实施例对管径进行具体的优化，其中，主要从管径比入手，通过大量的实验(实验一)和仿真，得出最优的管径比：所述进料管7的内径d₁与喉管段5的内径d₂之比为K₁，K₁＝0.5；所述喉管段5的内径d₂与进气管1的内径d₃之比为K₂，K₂＝0.8。

具体地，在上述实验过程中，对喷头的性能的评价指标主要是空气速度和水流速度，先选取一定压力的进气气流，例如0.7MP，再选取进气管1的内径d₃＝30mm，确定渐缩角α＝15°，渐扩角β＝8°，设K₁＝d₁/d₂(强化研磨液或者强化研磨粉和钢珠的进料管的内径与喉管段的内径之比)，K₂＝d₂/d₃(喉管段的内径与进气管的内径之比)。在保证实验数据准确的前提下，为了减少多余的试验项目，可以直接排除极端化的数值，亦即每个K值的取值范围为0.4～0.9。

通过正交试验改变不同的管径，选取出2个因素的最优组合，分别用A、B表示K₁、K₂，每个因素有6个水平，用1，2，3，4，5，6表示2个因素的水平，共36组实验，如表1所示。

表1为喷头管径正交试验结果

注：T_ij代表i因素j水平对应的试验指标和，t_ij代表T_ij的均值，R_j为t_ij最大值与最小值之差。

从表1极差分析结果看出，空气速度中的R_B比R_A大214，水流速度中的R_B比R_A大746，由此可知，喉管段5的内径与进气管1的内径之比K₂对空气速度和水流速度影响最大，即因素的影响程度是B＞A。

表2正交实验方差分析

从表2方差分析结果看出，由显著性检验可知，B(K₂)对应的F值为17.52，比A(K₁)对应的F值17.36大0.16，所以B比A对通过文丘里管后的空气速度和水流速度的影响大，即因素的影响程度是B＞A。综合分析，当K₁＝0.5，K₂＝0.8时为参数的最佳组合，通过文丘里管后的空气速度和水流速度最优，可以实现强化研磨的高效加工。

进一步，已知d₃＝30mm，求得d₁＝12mm，d₂＝24mm；参见图2-5，可以看到在气流进口压力为0.7MPa，渐缩角α＝15°，渐扩角β＝8°，K₁＝0.5，K₂＝0.8的喷头的空气、水流速度云图，截面速度云图和空气、水流压力云图。

参见图6，高浓度气、液、固混合物通过文丘里管的流动及气、液、固之间相互作用，以及相应的动量和能量交换，这些情况决定了文丘里管中显著的压力损失。

进一步，本实施例除了在管径比上进行具体的优化外，在文丘里管的角度上进行具体的设计，通过大量的实验(实验二)和仿真，得到最后的角度：所述渐缩段3的渐缩角为α，α＝25°；所述渐扩段4的渐扩角为β，β＝8°。

具体地，在上述探索文丘里管的角度的实验过程中，先选取气流进口压力，例如0.7MP，同样选定d₃＝30mm，并直接使用实验一中得到的最优管径比：第K₁＝0.5，K₂＝0.8；通过改变渐缩角α(5°～30°)，每隔5°模拟一次数据，渐扩角β(4°～12°)，每隔2°模拟一次数据，模拟得到的数据绘制成正交表如表3所示。

表3文丘里管的渐缩角和渐扩角正交试验结果

在相同进口压力条件下，采用单参数变化模拟方法，其他参数不变，亦即选取进口压力P₁＝0.7MP，K₁＝0.5，K₂＝0.8，β＝8°时，通过改变α(5°～30°)，每隔5°模拟一次数据，绘制成曲线如图7所示。

在相同进口压力条件下，其他参数不变，当取进口压力P₁＝0.7MP，α＝25°，K₁＝0.5，K₂＝0.8，改变渐扩角β(4°～12°)，每隔2°模拟一次数据，模拟得到的数据如图8所示。

综合上述两组单参数变化模拟实验，通过对正交表的极差、方差分析和设置不同梯度的渐缩角α、渐扩角β的比较可得，最佳的文丘里喷头的组合为K₁＝0.5，K₂＝0.8，即强化研磨液、强化研磨粉和钢珠的进料管7的内径d₁＝12mm，喉管段5的内径d₂＝24mm，进气管1的内径d₃＝30mm，渐缩角α＝25°，渐扩角β＝8°。当然，由于本实施例中的管径比和文丘里管的渐缩角与渐扩角为固定的，在实验中，选取不同的已知管径(d3)，可以得到不同的与其成比例的其他管径(d₁和d₂)；例如，选取d₃＝40mm，根据K₁＝0.5，K₂＝0.8的比例，可知直接得到d₁＝16mm，d₂＝32mm，亦即在该管径的尺寸下，可以使得整个喷头得到最优的喷射性能。

参见图1，两个进料管7对称设置在喉管段5上，这样不仅可以确保两个进料管7处具有足够且相等的负压作用力，还能增大两侧的研磨物料在汇入喉管段5后的接触概率，从而获得更均匀的混合物料。

工作时，两个进料管7分别位于喉管段5的上下两侧，位于上方的进料管7用于传送液态的物料，位于下方的进料管7用于传送固态的物料，亦即上方的进料管7吸入研磨液，下方的进料管7吸入研磨粉和钢珠，其原因在于：上方的进料管7的开口朝上，需要通过中间管道对物料进行吸取，而下方的进料管7的开口朝下，可以直接对放置的物料进行吸取；由于研磨液为液体，可以通过弯曲的管道进入喉管中，因而从两个进料管7进入均可；而研磨粉和钢珠为固体，将其放置在位于下方的进料管7的下方，这样确保有足够的负压力直接对研磨粉和钢珠进行吸取。

参见图1，所述进料管7往靠近进气管1的方向倾斜，所述喷管2的内径等于进气管1的内径。

上述送料喷头的工作原理是：

工作时，输气管将高压的气体传送至进气管1，高压气体经过进气管1进入文丘里管，在文丘里管中，由于喉管段5的直径小于进气管1和喷嘴段6的直径，所以气体在喉管段5中的流速大于在进气管1和喷嘴段6的流速，因而会产生负压，从而可以通过进料管7将管外的物料吸紧喉管段5中。由于本发明的喉管段5的外侧设有两个进料管7，可以分别用于传输不同的研磨物料：其中一个进料管7传输研磨液，另一个进料管7传输研磨粉和钢珠。其中，在负压的作用下，两侧的研磨物料汇入喉管段5，从而在喉管段5中产生涡流，因此研磨物料会在喉管段5中进行充分的搅拌，使得研磨液、研磨粉和钢珠三者得到充分的混合，有利于提高研磨加工的效果和避免发生堵塞的现象。

参见图1，本实施中，应用于上述的送料喷头的物料混合方法，包括以下步骤：

进气管1将高压的气体传送至文丘里管；高压的气体经过文丘里管时，在喉管段5处产生负压；在负压的作用下，研磨液从其中一个进料管7吸进喉管段5中，研磨粉或/和钢珠从另一个进料管7中吸进喉管段5中；研磨物料进入喉管段5后，在汇合处形成涡流，进行充分的搅拌；快速流动的高压气体带着混合均匀的研磨物料从喷嘴段6喷向工件。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于强化研磨加工的送料喷头，其特征在于，包括进气管、文丘里管以及喷管，所述进气管的首端与用于传送高压气体的输气管连通，末端与文丘里管的渐缩段连通；所述喷管的首端与文丘里管的渐扩段连通，末端为喷嘴段；

所述文丘里管的渐缩段与渐扩段之间为喉管段，该喉管段的外侧设有两个与其连通的进料管，两个进料管的内径相同；所述渐缩段的渐缩角为α，α＝25°；所述渐扩段的渐扩角为β，β＝8°；

所述进料管的内径与喉管段的内径之比为K₁，K₁＝0.5；所述喉管段的内径与进气管的内径之比为K₂，K₂＝0.8。

2.根据权利要求1所述的用于强化研磨加工的送料喷头，其特征在于，两个进料管对称设置在喉管段上。

3.根据权利要求2所述的用于强化研磨加工的送料喷头，其特征在于，工作时，两个进料管分别位于喉管段的上下两侧，位于上方的进料管用于传送液态的物料，位于下方的进料管用于传送固态的物料。

4.根据权利要求2所述的用于强化研磨加工的送料喷头，其特征在于，所述进料管往靠近进气管的方向倾斜。

5.根据权利要求1所述的用于强化研磨加工的送料喷头，其特征在于，所述喷管的内径等于进气管的内径。

6.一种应用于权利要求1-5任一项所述的用于强化研磨加工的送料喷头的物料混合方法，其特征在于，包括以下步骤：

进气管将高压的气体传送至文丘里管；高压的气体经过文丘里管时，在喉管段处产生负压；在负压的作用下，研磨液从其中一个进料管吸进喉管段中，研磨粉或/和钢珠从另一个进料管中吸进喉管段中；研磨物料进入喉管段后，在汇合处形成涡流，进行充分的搅拌；快速流动的高压气体带着混合均匀的研磨物料从喷嘴段喷向工件。

7.根据权利要求6所述的用于强化研磨加工的送料喷头的物料混合方法，其特征在于，两个进料管分别位于喉管段的上方和下方，研磨液从位于上方的进料管吸进喉管段中，研磨粉或/和钢珠从下方的进料管吸进喉管段中。

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