CN114750078B - 喷嘴、喷挡阀、以及光整装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喷嘴、喷挡阀以及光整装置。其中，用于喷挡阀的喷嘴包括从上游至下游依次分布的第一流线段，曲率半径10mm~50mm，长度24mm~40mm，从上游至下游为渐缩结构，最大口径5.94mm~8.1mm；第二斜线段，长度6mm~10mm，倾斜角为30°~35°；第三直线段，长度3mm~5mm，口径2.2~3mm。优选地，所述第一流线段的最大口径与所述第三直线段的口径之比为2.7：1，所述第一流线段与所述第二斜线段、所述第二斜线段与所述第三直线段的连接处的倒角半径为0.1mm‑0.5mm，喷嘴内壁的表面粗糙度Ra为0.05μm~0.4μm。喷嘴通过采用第一流线段、第二斜线段、第三直线段的结构，通过三者的协同作用，实现光整介质从喷嘴射出的流体具有稳定、约束不发散的射流状态。

Description

喷嘴、喷挡阀、以及光整装置

技术领域

本发明涉及内流道的精密加工领域，尤其涉及一种喷嘴、喷挡阀、以及光整装置。

背景技术

具有微细复杂内流道结构的零件在航空航天、船舶、核、汽车、模具等工业领域有着极其广泛的应用，特别是与流体动力系统相关的零部件常常具有微细流道、深小孔及微细流道与深小孔联通等复杂内腔结构，起到对流体的输运、交换或施加液压力等功能，如航空/航天/船舶/汽车各类发动机燃油喷嘴、热交换器、液压组件、油路控制节流器等。

可加工微细复杂内流道的工艺技术包括精密机加工、飞秒/水导/长脉冲激光加工、电火花加工及增材制造(3D打印)等。除增材制造技术外，其他单一工艺加工的微细复杂内流道结构相对简单，且长径比较小，需结合焊接等其他组合工艺才可加工微细复杂内流道。精密机加工的微细复杂内流道会产生毛刺、拐点尖角或接刀台阶等问题；飞秒激光加工的内流道表面会产生粘附的残渣颗粒和表面“台阶”效应；水导/长脉冲激光及电火花加工的内流道表面会产生重熔层；增材制造(3D打印)是一种将复杂三维结构零件模型离散为二维结构进行逐层叠加成形的技术，它使复杂微细复杂内流道零件一体化成型成为可能，因而在航空航天、汽车、模具等工业领域的应用日趋增多。然而，增材制造技术在成型零件过程中因存在温度梯度和逐层成型等自身工艺特点，导致零件内流道表面存在半烧结或粘结的粉末颗粒以及表面“台阶”效应。

机加工毛刺、飞秒激光加工内流道粘附烧结颗粒、增材制造内流道表面粘结粉末等都会影响零件的使用性能和安全性：当内流道中通入的流体与表层高速摩擦造成毛刺、粘附残渣颗粒或粘结粉末脱落时会成为多余物而随流体到处扩散，或堵塞油路或引起机械磨损故障，从而造成重大安全事故；粗糙度大的内表面在长期使用过程中易成为疲劳裂纹源，若是高温油路系统还易导致积碳现象发生；机加工流道表面的刀纹、拐点尖角或接刀台阶，飞秒激光及增材制造加工内流道表面的“台阶”现象等都会导致流体运动过程产生湍流、涡流和流体沿程阻力急剧增加，甚至造成流体失控，产生振动而降低零件使用寿命。粗糙表面也会使流体中产生大量空化气泡影响燃烧和液力，甚至产生空化腐蚀；对于一些特定材质的零件(如空心叶片)内流道及联通小孔，因重熔层表面易出现微裂纹而导致零件过早失效，因而要求减少重熔层厚度或不允许出现重熔层。

因此，通过精密机加工、飞秒/水导/长脉冲激光加工、电火花加工、增材制造(3D打印)等技术加工流体动力零部件内流道表面时，会带来毛刺、粘结粉末和烧结颗粒等残留物、表面粗糙及重熔层等不利问题，需要采用合适的表面光整技术消除这些不利影响后才能满足产品的性能要求。

但目前可以有效地对微细复杂内流道表面光整的技术尚未出现，以至于目前对于增材制造的微细复杂内流道工件，其内表面的粗糙度一般都只具有增材制造后的原始平均粗糙度Ra≥6.3μm，没有出现内流道的表面最优粗糙度Ra小于或等于1.6 μm的产品，对于激光加工、电火花加工的微细复杂内流道工件没有出现内流道的表面最优粗糙度Ra小于或等于0.8 μm的产品；以及对于机加工的微细复杂内流道工件没有出现内流道的表面最优粗糙度Ra小于或等于0.4μm的产品，而目前微细复杂内流道若具有S型弯、L型弯、U型弯、O型弯等复杂异形流道，无法采用只能进行直线进给的机加工实现，而只能通过增材制造等方式实现，因此目前也没有出现对于增材制造的微细异形复杂内流道表面最优粗糙度Ra小于或等于1.6 μm的产品。

发明内容

本申请的目的在于提供一种用于喷挡阀的喷嘴、喷挡阀、以及光整装置。

第一方面，本申请提供一种用于喷挡阀的喷嘴，包括从上游至下游依次分布的：第一流线段，曲率半径10mm~50mm，长度24mm~40mm，从上游至下游为渐缩结构，最大口径5.94mm~8.1mm；第二斜线段，长度6mm~10mm，倾斜角为30°~35°；第三直线段，长度3mm~5mm，口径2.2~3mm。

本申请实施例的技术方案中，喷挡阀喷嘴通过采用第一流线段、第二斜线段、第三直线段的结构，通过三者的协同作用，实现光整介质从喷嘴射出的流体具有稳定、约束不发散的射流状态，其原理在于，通过第一流线段该流线结构起到导流作用并使流体缓慢收缩并加速，使流体加速过程保持较稳的平流状态进入第二斜线段，而第二斜线段对喷嘴内部流体运动产生约束力，同时流体受到的约束力是渐进增大，斜线使流体有一个渐进的约束汇聚过程，保证约束汇聚过程中流体各质量元间运动角度差异逐渐减小，而第三直线段抑制湍流同时使流体完全汇聚且各质量元间的运动角度基本一致，使射出的流体的射流长度和射流稳定性提高，从而保证了喷挡阀中挡板受液体射流作用力的响应速度和运动的稳定性，并且通过所述喷档阀喷嘴各段尺寸以及角度的参数，使得液体既可以得到充分的加速，约束汇聚，又不至于形成湍流而失稳，实现了对流体速度、汇聚后各质量元间的运动角度以及流体平流稳定性的平衡，保证了喷挡阀最终的响应速度以及可靠性。

在一些实施例中，所述第一流线段的长度、所述第二斜线段的长度、所述第三直线段的长度之比为8:2:1。

在一些实施例中，所述第一流线段的最大口径与所述第三直线段的口径之比为2.7：1。

在一些实施例中，所述第一流线段与所述第二斜线段、所述第二斜线段与所述第三直线段的连接处的倒角半径为0.1mm-0.5mm。

在一些实施例中，所述喷嘴的材料为硬质合金。

在一些实施例中，喷嘴内壁的表面粗糙度Ra为0.05μm~0.4μm。

第二方面，本申请提供一种喷挡阀，包括如第一方面所述的喷嘴，以及挡板；其中，流体能够从所述喷嘴喷出以推动挡板至喷挡阀的关闭状态。

在一些实施例中，所述流体为光整介质，所述光整介质为两相流光整介质，所述光整介质的液体相的黏度小于1000cP，所述光整介质的固体相为磨粒。

第三方面，本申请提供一种光整装置，包括：推力系统；密封系统，密封系统包括活塞、与所述活塞配合的缸体，用于容纳进行光整加工的光整介质，所述推力系统与所述活塞的一端连通，对所述密封系统提供驱动力，以推动所述光整介质从所述缸体的出口端输出；输送管路系统，所述输送管路系统输送对应的密封系统容纳的所述光整介质至进行光整的内流道工件的端口，所述输送管路系统的上游端与所述密封系统的出口端连接，下游端用于输出光整介质进行内流道工件的光整；回收系统，包括回收容器、回收管路、回流管路、压力组件、以及控制阀组件，所述控制阀组件包括喷挡阀、第二阀，所述喷挡阀为第二方面所述的喷挡阀，所述回收容器通过所述回收管路连通所述工件，通过所述回流管路连通所述密封系统；所述喷挡阀与所述密封系统以及低压力环境配合，所述第二阀位于所述回流管路，与所述回流容器以及所述密封系统配合，所述压力组件与所述回收容器连通，能够对所述回收容器提供压力；所述光整介质包括液体相以及固体相，所述液体相黏度<1000cP，所述固体相包括磨粒，进行光整的工件为微细内流道件，口径小于或等于3mm以及长径比大于或等于50:1。

在一些实施例中，所述光整装置具有第一状态以及第二状态，其中：在所述第一状态，所述密封系统向所述输送管路系统输送光整介质，所述密封系统容纳的光整介质作用于所述喷挡阀的喷嘴使得所述喷挡阀关闭，并且所述第二阀关闭；在所述第二状态，所述密封系统停止向所述输送管路系统输送光整介质，所述密封系统容纳的光整介质停止作用于所述喷挡阀的喷嘴，使得所述喷挡阀开启，所述密封系统与所述外界的低压力环境连通，并且所述第二阀开启，所述压力组件对所述回收容器施加动力至第一动力，使得所述回收容器与所述密封系统之间具有所述第一压力与所述外界的低压力环境的压力差。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1是根据本申请的一些实施例的光整方法的流程示意图。

图2是根据本申请的一些实施例的光整装置的结构示意图。

图3是根据图2的A处的局部放大图。

图4是根据本申请的一些实施例的喷挡阀的喷嘴的结构示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一些实施例、又一些实施例、再一些实施例等表述中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

另外，所述的平均粗糙度，即在测量的表面选取多个区域进行测量取平均值，得到该测量表面的平均粗糙度。以下所述的最优粗糙度，即在测量的表面选取多个区域进行测量并取最小值，得到该测量表面的最优粗糙度。例如进行粗糙度测量时，例如粗糙度测量某个区域可以为长度为8mm的管路段，在测量的管路选取多个长度为8mm的管路段测量并去最小值。

具有微细复杂内流道结构的零件在航空航天、船舶、核、汽车、模具等工业领域有着极其广泛的应用，然而，目前的加工工艺，例如通过精密机加工、飞秒/水导/长脉冲激光加工、电火花加工、增材制造(3D打印)等技术加工流体动力零部件内流道表面时，会带来毛刺、粘结粉末和烧结颗粒等残留物、粗糙表面及重熔层等不利问题，需要采用合适的表面光整技术消除这些不利影响后才能满足产品的性能要求。

目前对于增材制造的微细内流道工件没有出现内流道的表面最优粗糙度Ra小于或等于1.6 μm的产品，对于激光加工、电火花加工的微细内流道工件没有出现内流道的表面最优粗糙度Ra小于或等于0.8 μm的产品；以及对于机加工的微细内流道工件没有出现内流道的表面最优粗糙度Ra小于或等于0.4μm的产品，而微细内流道若具有S型弯、L型弯、U型弯、O型弯等异形流道结构，无法采用直线进给的机加工实现，而只能通过增材制造等方式实现，因此目前也没有出现对于增材制造的微细内流道表面最优粗糙度Ra小于或等于1.6μm的产品。

发明人经过深入研究，对多种的内流道表面光整方法进行了尝试以及对比，发现对于零件内流道口径较大(>3mm)、长径比较小(＜50：1)，且呈近似直线走向时，可采用手工抛磨、化学、电化学、电浆、磁力、磁流变、磨粒流、水射流及超声波等常见方法进行光整，然而，对于内流道口径较小(小于或等于3mm)、长径比较大(大于或等于50:1)的微细内流道而言：

(1)采用磨粒流技术，利用刚性较大的半固态软性膏体光整介质对内腔通过挤压衍磨机理光整，发明人发现，这种雷诺数极小状态的蠕变流体很难通过复杂长程微细流道实现均匀加工，易于在拐弯及死角堵塞，强行通过会造成流道变形甚至憋裂流道。即使勉强通过长径比≥50:1内流道时，也会出现随流体行程增加而压力及流速急剧衰减，导致内流道端口“过磨抛”而内部由于压力和流速损失过大而“未磨抛”。此外，不溶于水的胶体磨粒流介质易在内流道拐弯、死角处残留，在完成加工后很难甚至根本无法被彻底清除。

(2)采用磨料水射流技术，也被称为微磨料浆体射流、高速流及高速水粒子光整，通过对水射流喷嘴施加液压力，利用喷嘴喷出带有磨粒的水射流冲击动能冲蚀去除工件表层材料，水射流喷嘴与零件表面保持较短的距离，因此磨料水射流技术很难作用于内流道口径较小(小于或等于3mm)、长径比较大(大于或等于50:1)的微细内流道；

(3)采用磁力光整技术，其只能对口径>3mm且呈近直线走向的内流道表面做轻微光亮化加工，而无法对口径小于或等于3mm且呈三维空间走向的含S型弯、L型弯、U型弯、O型弯、螺旋弯微细复杂内流道进行有效的表面光整，其原因在于，磁力光整是利用较大尺寸磁针磨粒的一种柔性加工，其原理是表面凸点和凹点在外加磁场的作用下会被同时加工，因而这些柔性加工手段只能对表面做轻微光亮化改善，即使材料去除量很大也不能显著改善表面的“台阶”效应、降低表面粗糙度及大尺度剥离表面粘附的粉末、颗粒和毛刺改善；另外，这种方法由于受制磁场运动也无法应对零件上呈三维空间走向的复杂内流道光整；

(4)采用化学光整的方法，当内流道口径很小，可容纳的腐蚀溶液较少，化学光整方法的效率会极低甚至局部出现反应气泡塞积而无法光整；

(5)采用电化学、电浆光整及超声波方法，因很难在狭小呈三维空间走向的含S型弯、L型弯、U型弯、O型弯、螺旋弯等流道内放置仿形电极，从而无法光整微细复杂内流道；

另外，对于(4)、(5)，化学、电化学、电浆光整等方法还会对流道基体材料显微组织产生多种腐蚀及变质层缺陷，腐蚀液和反应气体也会对环境和设备有不利影响；同时，(4)、(5)也是一种柔性加工手段，同样会面临(3)类似的缺点，只能对表面做轻微光亮化改善，即使材料去除量很大也不能显著改善表面的“台阶”效应、降低表面粗糙度及大尺度剥离表面粘附的粉末、颗粒和毛刺。

综上所述，发明人经过深入研究发现，上述的加工方法，其对于微细内流道的结构而言，都会面临很难深入微细内流道的内部光整和/或光整质量不理想的问题，因此很难适用于微细内流道的光整加工。

基于以上，发明人进一步深入研究，发明了一种微细内流道的表面光整方法，通过采用黏度为小于1000cP液体相的两相流光整介质，两相流的光整介质在微细内流道内的流速>5m/s，以及在微细内流道的一端流入其内部的流量，达到所述微细内流道的口径所能容纳流量的饱和值，内流道内部的液压力处于憋压状态，形成液体相对微细内流道的饱和流量的手段，即通过低黏度的液体相、光整介质的流体流速以及饱和流量这三者的协同作用，解决了微细内流道光整加工的难题。其原理在于，首先，由于低黏度的液体相、流体流速以及饱和流量这三者的协同作用，使得光整介质可以流畅地进入微细复杂内流道并且在微细复杂内流道内形成类似于非牛顿流体的状态，流体边界层平行内流道表面，如“刀具般”坚硬的非牛顿流体中的磨粒剪切摩擦实现表面凸点靶向加工。另外，以上三者的协同作用，使得光整介质中磨粒与微细复杂内流道表面产生的摩擦微切削力，因此可以不受微细复杂内流道的材料限制而能够获得表面最优粗糙度与磨粒刃尖平均接触长度范围一致，甚至可以实现表面最优粗糙度Ra为0.05μm的超镜面质量，这突破了磨粒流、水射流技术的原理的限制，其原理在于，磨粒流技术切削机制为磨粒挤压表面产生的体积力，因此加工硬度低的金属及高分子柔性材料易出现坑和麻点(Ra>0.8μm)。磨料水射流技术中切削力为磨粒冲击表面产生的冲蚀力，加工软质金属易表面粗化(Ra>0.8μm)。

为了开发对应以上表面光整方法的光整装置，发明人发现，光整装置需要采用密封系统容纳进行光整加工的光整介质，输送管路系统输送对应的密封系统容纳的所述光整介质至进行光整的内流道工件的端口。

对于一些光整装置而言，可以采用多个密封系统且通过工件相互连通实现流体交换，例如通过两个密封系统以及两个输送管路系统，每个输送管路系统输送对应的密封系统容纳的所述光整介质至进行光整的内流道工件的不同端口，即一个密封系统向工件输出光整介质，另一个密封系统接收从工件流出的光整介质，当一个密封系统的光整介质消耗完毕时，另一个密封系统可以通过其接收的光整介质与之前反向地对工件继续进行光整加工，即该另一个密封系统此时向工件输出光整介质，而消耗完毕的密封系统此时再次接收从工件流出的光整介质，这样使得总是有至少一个密封系统中容纳的光整介质可以提供至工件，保证工件的持续不间断地进行光整作业，使得光整过程高效。

但发明人经过进一步研究发现，对于一些微细内流道工件，无法采用上述的双向加工的方案，因此也无法适用多个密封系统的光整装置，例如微细内流道工件存在以下结构：

1)微细内流道两个端口中只有一个端口可以进行高强度密封连接，另一个端口无法进行高强度密封连接，例如其端口形状为异形或薄壁结构，导致无法机加工其对应的密封接头，或不具有高强度密封链接下所能承受的强度；

2)微细内流道如特斯拉阀具有特殊节流导流功能构型，只能满足一个流向上的流体流动，另一个流向上流体只能低速流动甚至不流动；

3)微细内流道和密集孔群联通，例如航空发动机的单晶叶片的气模孔，一端为单晶叶片的内腔端口，另一端由叶身上不同异形片区的密集小孔构成。

当面对以上结构时，两相流的光整介质只能从内流道一个指定的端口输入而从其它端口输出，而无法反向，即无法采用多个密封系统且通过工件相互连通实现流体交换，例如两个密封系统对工件进行双向加工的方案。

而对于单向加工的方案，经过进一步研究发现，由于光整介质的流速快，因此光整过程中，密封系统消耗光整介质的速度很快，因此需要快速地对密封系统进行光整介质的自动回流补充。

基于以上，发明人经过深入研究，通过设置回收系统，回收系统采用喷挡阀、第二阀以及两者与密封系统、回收容器、回流管路、压力组件的协同作用，既保证了密封系统的回流与密封系统输送光整介质的输出流两者避免相互干扰，同时也使得回收系统中容纳的光整介质可以快速地回流至密封系统，实现对密封系统的光整介质的快速补充，保证了光整加工的效率。

发明人进一步发现，对于单向加工的光整装置，其与密封系统配合的喷挡阀的要求相当严格，需要在承受光整介质的高速、高压的冲击以及磨粒磨损疲劳腐蚀的基础上，仍可以实现快速响应以及可靠工作。而发明人经过研究后发现，若采用机械阀，则需要机械结构的附件，例如电机等，控制复杂性高且可靠性低，而若采用电磁阀，则配套的传感器需要承受光整介质的磨粒的高速高压的冲击，可靠性和寿命无法保证，因此选择液力可以直接驱动的喷挡阀作为喷挡阀的研究方向。

然而发明人发现，由于光整介质的高压高速的形态，因此喷挡阀的喷嘴的流动很难形成稳定的约束流，会面临发散流、旋流、脉动等问题，而无法稳定地推动喷挡阀的挡板。

基于此，发明人经过深入研究，设计了一种喷挡阀作为阀门，其喷挡阀的喷嘴采用第一流线段、第二斜线段、第三直线段的结构，通过三者的协同作用，实现光整介质在从喷嘴射出的流体具有稳定、约束不发散的射流状态，其原理在于，通过第一流线段该流线结构起到导流作用并使流体缓慢收缩并加速，使流体加速过程保持较稳的平流状态进入第二斜线段，而第二斜线段对喷嘴内部流体运动产生约束力，同时流体受到的约束力是渐进增大，斜线使流体有一个渐进的约束汇聚过程，保证约束汇聚过程中流体各质量元间运动角度差异逐渐减小，而第三直线段抑制湍流同时使流体完全汇聚且各质量元间的运动角度基本一致，使射出的流体的射流长度和射流稳定性提高，从而保证了喷挡阀中挡板受液体射流作用力的响应速度和运动的稳定性，并且通过所述喷档阀喷嘴各段尺寸以及角度的参数，使得液体既可以得到充分的加速，约束汇聚，又不至于形成湍流而失稳，实现了对流体速度、汇聚后各质量元间的运动角度以及流体平流稳定性的平衡，保证了喷挡阀最终的响应速度以及可靠性。以实现喷挡阀在承受光整介质的高速、高压的冲击以及磨粒磨损、疲劳腐蚀和冲蚀的基础上，仍可以实现快速响应以及可靠工作，从而使得光整介质的回收系统能够可靠、快速地回流光整介质至密封系统。

可以理解到，本申请实施例公开的喷挡阀喷嘴，实现光整介质的高速、稳定的喷射射流，以使得对应的喷挡阀具备快速响应以及可靠工作的优点，从而使得光整介质的回收系统能够可靠、快速地切换导流及回流系统，加工时不发生抛光介质从密封系统喷档阀射出，加工后收集系统中抛光介质会迅速的回流到密封系统中。本申请实施例公开的不仅适用于介绍的光整介质作为流体，也可以喷射其他流体。

首先介绍本申请的喷挡阀喷嘴、喷挡阀可以适用的微细内流道的表面光整方法以及光整装置，以便于理解喷挡阀的效果。

参照图1，本申请提供了一种内流道的表面光整方法，包括：

采用液体固体两相流光整介质，所述光整介质的液体相黏度<1000cP，固体相为磨粒；

对所述光整介质施加预定压力，使得所述光整介质在所述微细内流道内以>5m/s的流速流动，并且所述光整介质在微细内流道的一端流入其内部的流量，达到所述微细内流道的口径所能容纳流量的饱和值，内流道内部的液压力处于憋压状态；

此处的液体，其具有黏度<1000cP的性质，本申请中关于黏度的数值的描述，均是指常温下（25摄氏度左右）的乌氏黏度。不同材料、尺寸以及初始平均粗糙度的微细内流道对应的光整方法对应的液体相的黏度的最佳值可以通过在一个下限值的基础上不断增加黏度得到。目前实施例的黏度下限值为50cP左右，发明人经过大量试验数据得到，对于常见的材料例如钛合金、高温合金、钢铁、陶瓷、铝合金、高分子材料等的微细内流道，液体相的黏度至少需要在50cP，光整后才达到粗糙度的目标值。而此处的临界值1000cP也一般并非为最佳值，而是光整介质持续、流畅、稳定地在微细内流道中流动的极限值。

实施例中描述的液体相，以水基液体相为例，在去离子水的基础上加入一定增粘剂使得水基液体具备一定的黏度。采用水基液体的有益效果在于，其成本低易于获得，并且较为环保，且在光整结束后光整介质也容易被清洗。但可以理解到，此处的液体相也不限于水基液体，只要是满足黏度μ<1000cP的液体即可。

固体相磨粒的材料，可以是常见的磨粒材料，例如碳化物陶瓷：包括碳化硅、碳化钨等；氧化物陶瓷：包括氧化铝、氧化锆、氧化铈等；氮化物陶瓷：包括氮化硼、氮化铬等；天然矿物：包括金刚石/砂、云母、石英、橄榄石等。优选的，可以是金刚石/砂、氧化物陶瓷的一种或者多种组合。

在选择磨粒的粒径和质量浓度时，一般在一个下限值的基础上逐步增加得到最佳值的范围。若磨粒的粒径、质量浓度低于下限值，则无法达到预期的光整效果，即微细内流道无法达到表面粗糙度的目标值，其原理在于，若粒径过小导致磨粒自身质量过低，无法产生足够的动能实现有效磨抛，若质量浓度过小，则磨削表面加工点位的概率降低导致无法实现有效磨抛，下限值的选取一般较为保守，例如可以是，在不超过粒径上限值的前提下保守的选择任意一个下限值，内流道口径与磨粒的粒径的比值下限通常为20，即内流道口径要保证至少20个磨粒并行通过时不堵塞，即磨粒的粒径的上限通常为内流道口径的1/20，而磨粒的下限值一般为上限值的1/5。磨粒的质量浓度的下限值一般为10g/L，下限值的选择，一般是较为保守的，因为系统的压力较大，若发生磨粒堵塞，会导致工件和系统的报废、甚至出现憋裂和爆炸。因此在规定的下限的基础上，逐步增加磨粒的粒径、磨粒的质量浓度直至发生因磨粒粒径过大或者质量浓度过高产生显著的流阻而引发流速流量的下降、以及磨粒颗粒间的相互碰撞影响流速继而降低流速流量和磨削效果，即最佳值可以在下限值的基础上通过试验得到。

对所述光整介质施加预定压力，使得所述光整介质在微细内流道内以>5m/s的流速流动。此处的预定压力，指的是在光整过程的初始状态下使用该压力下使得光整介质在微细内流道的内部就以>5m/s的流速流动，随着光整的进行，内流道表面粗糙度的降低，同样的压力条件下，光整介质在在微细内流道内的流速会越来越快。可以理解到，由于达到的流速是一个范围，此处的预定压力是一个范围的概念，而不是对光整介质只能施加一个特定值。测量光整介质在微细内流道的内部的流动流速，无法采用浸入式测量，否则磨粒会损坏任何传感器探头。可以采用超声测速的方法，也可以利用黏性流体的哈根-泊阿苏依定律：

进行间接的测量；在公式中，其中D是内流道口径，l为微细内流道的长度，p为作用在微细内流道两端的压强差，即液压压力p，Re为雷诺数 ，u _m 为水基两相流中液体相流速，ρ _l 为液体相的密度，液体相的流速大致等同于光整介质的流速。

光整介质的流速大于5m/s，根据理论上形成非牛顿流体的临界条件以及发明人长期实践得到的临界值。工程流体力学资料表明（例如图书资料：杨树人, 汪志明, 何光渝,等. 工程流体力学[M]. 石油工业出版社, 2006.），纯水黏度1cP达到非牛顿流体的临界运动流速>16.6m/s，而本实施例的液体相的黏度的下限值为50cP，大于1cP，因此非牛顿流体的临界流速是小于16.6m/s的。同时结合实践结果，发明人发现小于5m/s时无法得到理想的加工效果，因此临界值为5m/s。

所述光整介质在微细内流道的一端流入其内部流量，达到所述微细内流道的口径所能容纳流量的饱和值，内流道内部的液压力处于憋压状态，即本领域所称的饱和流量的状态。

此处的容纳流量的饱和值以及饱和流量的状态的含义，为流体流入管道时充满管道截面，管道截面并行容纳流体分子的最大数量。

可以理解到，采用以上实施例的光整方法的有益效果在于：

通过采用光整介质的液体相的黏度为小于1000cP的液体，两相流的光整介质在微细内流道内的流速>5m/s，以及在微细内流道的一端流入其内部的流量，达到所述微细内流道的口径所能容纳流量的饱和值，内流道内部的液压力处于憋压状态，形成液体相对微细内流道的饱和流量的手段，即通过低黏度的液体相、流体流速以及饱和流量这三者的协同作用，解决了微细内流道光整加工的难题。其原理在于，首先，由于低黏度的液体相、流体流速以及饱和流量这三者的协同作用，使得光整介质为低黏度高流速的状态从而可以流畅地进入微细内流道并且在微细内流道内形成非牛顿流体的状态，流体边界层平行内流道表面，如“刀具般”坚硬的液体相中磨粒剪切摩擦实现表面凸点靶向加工，从原理上克服了柔性加工中表面凸点和凹点被同时加工只能轻微光亮化的问题，同时因为光整介质的磨粒与微细内流道表面摩擦产生的微切削力，因此可以不受微细内流道的材料限制，而能够获得与磨粒刃尖平均接触长度范围一致的表面最优粗糙度，这突破了磨粒流、水射流技术的原理的限制，其原理在于，磨粒流技术切削机制为磨粒挤压表面产生的体积力，因此加工硬度低的金属及高分子柔性材料易出现坑和麻点(Ra>0.8μm)。磨料水射流技术中切削力为磨粒冲击表面产生的冲蚀力，加工软质金属易表面粗化(Ra>0.8μm)。另外，低黏度高流速的流体动力学随形加工方式使内流道表面台阶、尖角、几何轮廓曲率等不符合流体工程学的位置被磨抛的更重，拐点、尖边、内流道轮廓曲率及孔型将实现几何学流线型整形，进一步提高内流道的流体运动性能。另外，以上实施例提出了利用光整介质的流速实现类似如刀具般的坚硬的非牛顿流体及磨粒剪切摩擦实现表面凸点靶向加工的临界流速为5m/s。

至于光整介质在微细内流道的加工时间，可以是光整介质在标准时间段光整所述微细内流道，至所述微细内流道的表面最优粗糙度为目标值。此处的标准时间段，可以是预定的连续的一段时间，也可以是间断的多段时间，也可以是开始后非预定的连续的一段时间后，检测到光整介质的流速流量达到微细内流道的表面最优粗糙度为目标值对应的流速流量后，光整过程自动停止，例如承上所述的，在一些实施例中，开始加工后，通过测量光整介质在微细内流道内的流动流速或流量，间接地表征得到表面最优粗糙度，当流速或流量值达到规定值，则对应的表面最优粗糙度对应即达到目标值，此时手动或者自动地停止光整加工。此处的表面最优粗糙度为目标值的含义，并非限定需要直接测量表面最优粗糙度，而也可以间接地表征，例如以上介绍的，可以表征光整介质在微细内流道的内部的流速、流量等等方法。以上目标值指的是设定的表面最优粗糙度值，一般指的就是对微细内流道最终的表面最优粗糙度的要求，但也不排除在以上光整步骤之后继续进一步的光整，此时设定的便不是最终的表面最优粗糙度的要求。

综上，以上实施例介绍的光整方法，通过构建在待加工内流道两端的液压力系统，利用低黏性、高速的固液两相流体、达到待加工内流道饱和流量、两相流中磨粒高速摩擦内流道表面产生的微切削机理等手段的结合，解决了行业中长期存在的口径在小于或等于3mm、长径比大于或等于50:1的微细内流道光整的难题。

参考图2至图3所示的，其中图3为根据图2的A处的局部放大图。在一些实施例中，本案提供一种光整装置100，包括：推力系统101、密封系统102、输送管路系统103以及回收系统104。密封系统102包括活塞21、与活塞21配合的缸体18，用于容纳进行光整加工的光整介质8，推力系统101与活塞21的一端连通，对活塞21提供驱动力，以推动光整介质8从缸体18的出口端输出。输送管路系统103输送对应的密封系统102容纳的光整介质8至进行光整的内流道工件34的单向加工端口，例如图2所示的单个的密封系统102以及输送管路系统103对应工件34的单向加工端口。此处的单向加工端口的含义，即为前文内容已经介绍的，工件34中指定用于输入光整介质的端口。

回收系统104包括回收容器35、回收管路36、回流管路37、压力组件130、以及控制阀组件140，控制阀组件140包括喷挡阀38、第二阀39。回收容器35通过回收管路36连通工件34，通过回流管路37连通密封系统102；喷挡阀38与密封系统102以及低压力环境配合，此处的低压力环境，是相对于压力组件130制造的高压力而言的，低压力环境例如可以是光整装置100所放置的室内环境开放压力。第二阀39位于回流管路37，与回流容器35以及密封系统102配合，压力组件130与回收容器35连通，能够对回收容器35提供压力。

以上介绍的实施例的有益效果在于，通过设置回收系统，回收系统采用喷挡阀38、第二阀39以及两者与密封系统102、回收容器35、回流管路37、压力组件130的协同作用，既保证了密封系统的回流与密封系统输送光整介质的输出流两者避免相互干扰，同时也使得回收系统中容纳的光整介质可以快速地回流至密封系统，实现对密封系统的光整介质的快速补充，保证了光整加工的效率。

参考图2至图3所示的，在一些实施例中，喷挡阀38、第二阀39与密封系统102、回收容器35、回流管路37、压力组件130的协同作用的具体方式可以是：光整装置100具有第一状态以及第二状态。

在第一状态，即进行光整加工的过程中，单个密封系统102向输送管路系统103输送光整介质至工件34的单向加工端口，由于密封系统102中活塞推动容纳的光整介质8的压力很大，因此光整介质8也以较大的压力推动设置于缸体18的顶部的喷挡阀38，而喷挡阀38的喷嘴受到光整介质8的压力的作用，将射出光整介质推动挡板使得喷挡阀处于关闭状态，使得喷挡阀38关闭，并且此时第二阀39也处于关闭状态。光整介质8的流动方向为从密封系统102输出至工件34再从工件34输出至回收容器35存放。在一些实施例中，回收容器35的容器壁具有容积刻度线43，如此可以判断单位时间内进入回收容器35的光整介质的体积。

在第二状态，即由于密封系统102能够容纳的光整介质有限，活塞将缸体中的光整介质推空后，密封系统停止向输送管路系统输送光整介质，此时由于密封系统容纳的光整介质停止作用于喷挡阀38的喷嘴，使得喷挡阀38的喷嘴不再射出光整介质，喷档阀中挡板复位至开启喷挡阀38的位置，使得密封系统102与外界的低压力环境连通。而此时第二阀39因感应器感知回收容器中的质量阈值后而开启，回收容器35与密封系统102通过回流管路37直接连通，压力组件130对回收容器35施加压力至第一压力，使得回收容器35与所述密封系统之间具有第一压力与外界低压力环境的压力差，在该压力差的作用下，容纳于回收容器35的光整介质通过回流管路37快速地回流至密封系统。压力组件130的具体结构可以是空压装置或气泵装置40以及压力管41，从而对回收容器35增压，但不以此为限制。另外，可以通过设置感应器42以用于感测回收容器35容纳的光整介质8的质量，第二阀39根据感应器42感测的结果开启或关闭。

采用喷挡阀的方案实现第一状态与第二状态的切换，喷挡阀38的运行可靠。其原理在于，喷挡阀中喷嘴可以适应较大的压力以及对于高速的光整介质具有足够的强度、密封和射流性能，从而有效推动挡板保证喷档阀状态切换的高灵敏性以及可靠性。

在一些实施例中，喷挡阀38包括喷嘴1以及挡板，在光整装置的第一状态，光整介质通过喷嘴1形成射流喷射至挡板，提供足够的压力以使得挡板保持喷挡阀于关闭的状态。而在第二状态，空气通过喷嘴1，则无法提供足够的压力至挡板，挡板回复至使得喷挡阀开启的位置，使得喷挡阀38开启，密封系统102与外界连通，即密封系统102的压力为外界大气压力。

参考图4所示的，喷挡阀38的喷嘴1包括从上游至下游依次分布的：

第一流线段11，曲率半径r _s为10mm~50mm，长度L _s1为24mm~40mm，从上游至下游为渐缩结构，口径D _s1为5.94mm~8.1mm；第二斜线段12，长度L _s2为6mm~10mm，倾斜角α为30°~35°；以及第三直线段13，长度L _s3为3mm~5mm，口径D _s3为2.2mm~3mm。

此处的上游、下游，是相对于流体在喷嘴1中的流动方向作为参照的，即流体的流动方向为从上游流动至下游。

喷挡阀38的含义，为本领域的“喷嘴挡板阀”，其挡板即可以起到相当于阀芯的作用，实现喷档阀阀体或阀套的开关和闭合。当然，也不排除喷嘴1通过挡板驱动阀芯的结构，但对于以上实施例介绍的光整介质为高速高压的流体而言，直接推动挡板即可，结构简单可靠。

可以理解到，此处的流线、斜线、直线均是对喷嘴1的截面结构的形象化描述，喷嘴1的实际结构为上述流线、斜线、直线绕喷嘴的轴线360°形成的腔室结构，例如斜线绕轴线360°形成圆锥状腔室结构，直线绕轴线360°形成圆柱状腔室结构。

此处的流线，即流体光滑的线条，与本领域技术人员通常认为的“流线型”是相同的概念，例如可以通过样条曲线的方法拟合得到。

发明人发现采用以上实施例的喷嘴结构，采用第一流线段、第二斜线段、第三直线段的结构，通过三者的协同作用，实现光整介质在从喷嘴射出的流体具有稳定、约束不发散的射流状态，从而实现喷挡阀的快速响应以及可靠工作。其原理在于，通过第一流线段该流线结构起到导流作用并使流体缓慢收缩并加速，使流体加速过程保持较稳的平流状态进入第二斜线段，而第二斜线段对喷嘴内部流体运动产生约束力，同时流体受到的约束力是渐进增大，斜线使流体有一个渐进的约束汇聚过程，保证约束汇聚过程中流体各质量元间运动角度差异逐渐减小，而第三直线段抑制湍流同时使流体完全汇聚且各质量元间的运动角度基本一致，使射出的流体的射流长度和射流稳定性提高，从而保证了喷挡阀中挡板受液体射流作用力的响应速度和运动的稳定性，并且通过所述喷档阀喷嘴各段尺寸以及角度的参数，使得液体既可以得到充分的加速，约束汇聚，又不至于形成湍流而失稳，实现了对流体速度、汇聚后各质量元间的运动角度以及流体平流稳定性的平衡，保证了喷挡阀最终的响应速度以及可靠性。以实现喷挡阀在承受光整介质的高速、高压的冲击以及磨粒磨损、疲劳腐蚀和冲蚀的基础上，仍可以实现快速响应以及可靠工作，从而使得光整介质的回收系统能够可靠、快速地回流光整介质至密封系统。

以上的参数中，长度L _s1为24mm~40mm提供了足够的导流加速长度，但也不至于流路过长形成湍流，第二斜线段12的长度以及倾斜角使得流体可以在该区域收缩汇聚，各质量元受力及角度差异不会过大，而第三直线段13，长度L _s3为3mm~5mm即可，较短的长径比保证了流体在射出前平流状态及各质量元角度进一步同向，使最终射出的流体为稳定的约束流，不出现发散、旋流和脉动等状态。而所述第三直线段13的口径2.2mm~3mm是射流推动挡板时可以实现最大推力效果，可以理解而到，根据推力计算公式：F=πR ²×p。其中第三直线段的口径对应的半径值R过小，则虽然射流速度及压力p高但尺度太细推力不够，端口半径R过大，则虽然射流尺度较粗但速度低压力p低推力仍然不够。实践中，最佳的推力并不像推力计算公式这样简单，而在口径有一个较佳的范围对应射流推力最大，即为口径2.2mm~3mm。

在一些实施例中，第一流线段11的长度、第二斜线段12的长度、第三直线段13的长度之比为8:2:1，此为发明人在实践中得到的三者长度的较佳比例，可以保证流体的稳定汇聚及加速效果，同时也保证流体在流动路线上避免形成湍流，使得流体保持稳定不发散的射流。可以理解到，以上8:2:1的比例并非严格限制，而是允许一定的误差范围内，例如5%的误差范围内。

在一些实施例中，第一流线段11的D _s1口径与第三直线段13口径D _s3之比为2.7：1，此处的第一流线段11的口径指的是其上游端即最大处的口径。此比例为发明人在实践中得到的较佳比例值，其原因在于，兼顾了流体的汇聚增压加速效果使射流对挡板具有快速和足够推力，发明人发现，第一流线段11的口径越大，最终泄压时流体汇聚后的速度越高，射出的流体力量越大，但如此对第二斜线段12的构型设计难度很大，因为第二斜线段若过长，很容易形成湍流而导致流体运动失控甚至发散，第二斜线段若过短又不能让流体各质量元有足够的运动距离实现各方向的收敛一致。可以理解到，以上2.7:1的比例并非严格限制，而是允许一定的误差范围内，例如5%的误差范围内。

在一些实施例中，第一流线段11与第二斜线段12、第二斜线段12与第三直线段13的连接处的倒角半径R _s为0.1mm ~ 0.5mm，如此可以消除连接处流体运动过程对台阶/尖端产生的应力集中，避免台阶/尖端因对流体扰动而形成湍流。

在一些实施例中，喷嘴1的材料为硬质合金，具体可以是钨钢，其具有坚硬耐磨、且自润滑性好的特性，尤其适合作为实施例中介绍的作为光整介质的喷挡阀的喷嘴材料，以降低使用过程中光整介质的磨粒在高速高压的流动中对喷嘴1内壁的冲击和摩擦磨损。另外，喷嘴1的内壁的表面粗糙度Ra为0.05μm ~ 0.4μm。具体的加工方法，可以采用磨粒流进行加工，例如磨粒流抛光介质具体为金刚石磨粒且粒径为300目~800目，加工压力5MPa~6MPa，加工时间为10min~30min，磨粒流抛光喷嘴内壁后，喷嘴内腔的镜面抛光和整形将显著抑制湍流，降低流体运动的边界层阻力，提高射流长度和稳定性，同时降低使用过程磨粒对喷嘴内腔的摩擦磨损。

本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光整装置，其特征在于，包括：

推力系统；

密封系统，包括活塞、与所述活塞配合的缸体，用于容纳进行光整加工的光整介质，所述推力系统与所述活塞的一端连通，对所述密封系统提供驱动力，以推动所述光整介质从所述缸体的出口端输出；

输送管路系统，所述输送管路系统输送对应的密封系统容纳的所述光整介质至进行光整的内流道工件的端口，所述输送管路系统的上游端与所述密封系统的出口端连接，下游端用于输出光整介质进行内流道工件的光整；

回收系统，包括回收容器、回收管路、回流管路、压力组件、以及控制阀组件，所述控制阀组件包括喷挡阀、第二阀，所述喷挡阀包括喷嘴以及挡板，所述喷嘴包括从上游至下游依次分布的：第一流线段，曲率半径10mm~50mm，长度24mm~40mm，从上游至下游为渐缩结构，最大口径5.94mm~8.1mm；第二斜线段，长度6mm~10mm，倾斜角为30°~35°；第三直线段，长度3mm~5mm，口径2.2~3mm；其中，流体能够从所述喷嘴喷出以推动挡板至喷挡阀的关闭状态；所述回收容器通过所述回收管路连通所述工件，通过所述回流管路连通所述密封系统；所述喷挡阀与所述密封系统以及低压力环境配合，所述第二阀位于所述回流管路，与所述回收容器以及所述密封系统配合，所述压力组件与所述回收容器连通，能够对所述回收容器提供压力；

所述光整装置执行以下光整方法：

采用液体固体两相流光整介质，所述光整介质的液体相黏度<1000cP，所述光整介质的固体相为磨粒；

对所述光整介质施加预定压力，使得所述光整介质在微细内流道内以>5m/s的流速流动，并且所述光整介质在所述微细内流道的一端流入其内部的流量达到所述微细内流道的口径所能容纳流量的饱和值，使内流道内部的液压力处于憋压状态。

2.如权利要求1所述的光整装置，其特征在于，所述光整装置具有第一状态以及第二状态，其中：

在所述第一状态，所述密封系统向所述输送管路系统输送光整介质，所述密封系统容纳的光整介质作用于所述喷挡阀的喷嘴使得所述喷挡阀关闭，并且所述第二阀关闭；

在所述第二状态，所述密封系统停止向所述输送管路系统输送光整介质，所述密封系统容纳的光整介质停止作用于所述喷挡阀的喷嘴，使得所述喷挡阀开启，所述密封系统与所述低压力环境连通，并且所述第二阀开启，所述压力组件对所述回收容器施加压力至第一压力，使得所述回收容器与所述密封系统之间具有所述第一压力与所述低压力环境的压力差。

3.如权利要求1所述的光整装置，其特征在于，所述第一流线段的长度、所述第二斜线段的长度、所述第三直线段的长度之比为8:2:1。

4.如权利要求1所述的光整装置，其特征在于，所述第一流线段的最大口径与所述第三直线段的口径之比为2.7：1。

5.如权利要求1所述的光整装置，其特征在于，所述第一流线段与所述第二斜线段、所述第二斜线段与所述第三直线段的连接处的倒角半径为0.1mm-0.5mm。

6.如权利要求1所述的光整装置，其特征在于，喷嘴的材料为硬质合金。

7.如权利要求6所述的光整装置，其特征在于，喷嘴内壁的表面粗糙度Ra为0.05μm~0.4μm。

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