CN115709439A - 一种增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置及方法。装置包括空气压缩机装置、微电脑射流控制装置、多相射流喷头装置、增材制造热管装置和抛光液配比装置，空气压缩机装置用于为整个抛光装置提供高压气源，并将高压气体输送到多相射流喷头装置中；抛光液配比装置用于产生液固抛光液，并将抛光液输送到多相射流喷头装置中；多相射流喷头装置用于实现液固抛光液与高压气体的充分混合雾化，并将形成的气液固多相射流喷射到增材制造热管装置中；微电脑射流控制装置用于对高压气体和抛光液的流量进行调节。本发明可实现大长径比管道内壁的抛光一致性。

Description

一种增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置及 方法

技术领域

本发明涉及增材制造零件抛光技术领域，具体而言，尤其涉及一种增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置及方法。

背景技术

热管是一种最常用的传热元件，具有很高的传热系数和传热能力。槽道热管是一类运行稳定可靠、用途广泛的热管，常见的槽道横截面积为矩形和Ω形，常用拉拔方式制造。但在航天器等方向为了减重、降低加工难度，增材制造的一体式热管逐渐开始应用。新型槽道热管有效长度200mm，管道直径5mm，壁厚为0.8mm，管壁内侧的沟槽仅有300μm，是典型的大长径比薄壁槽道结构。利用激光选区熔化(SLM)技术制造热管由于阶梯效应、粉末黏附、球化效应，导致成型表面附着有大量浮粉、熔渣，熔渣尺寸较大容易堵塞管道微通道，浮粉导致表面质量和成型精度较差，而管道内部微结构的成型精度、表面质量对于传热性能具有决定性影响。增材制造热管一般表面粗糙度Ra在10μm以上，热管沟槽底部存在大量100～200μm的熔渣，完全堵塞了微结构，增大了回流阻力，且表面形状偏差也在100μm以上，导致热管传热效率低下。

利用SLM技术制造热管作为一个新的方向，同时由于新型热管是大长径比薄壁槽道结构，传统抛光方法的抛光效果并不理想。例如，磨粒流抛光方法中磨粒流加工过程存在较为显著的壁面效应，造成工件表面粗糙度和表面形貌的差异以及入口处的过抛现象导致加工后表面质量一致性较差；磨粒气射流能够对表面进行简单的铣、钻等作用，但是其作用深度一般较小，且对热管微通道结构去除率较大、冲蚀作用严重。对槽道热管进行抛光，除了要具有较好的内表面质量以外，还应该保证其相应的尺寸精度、形状精度和抛光一致性，因此开发一种增材制造槽道热管内壁合适的抛光方法和装置尤为重要。

为解决以增材制造热管为代表的大长径比薄壁槽道管道的抛光难题，本发明提出一种增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光方法及装置。

发明内容

根据上述提出的增材制造槽道热管内壁存在大量浮粉、熔渣、传统抛光方法对零件损伤较大、大长径比薄壁管道抛光一致性差等技术问题，而提供一种增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置及方法。本发明主要采用气液固多相射流复合抛光，多相射流磨粒选用直径为600#的氧化铝，多相射流喷嘴与热管入口处通过夹具密封接触防止压力损失，在高压射流作用下在狭窄热管内部形成稳定流场，由于热管特殊结构小型空气压缩机即可满足压力需求，雾化小液滴包裹着磨粒以小角度从喷嘴射出，与热管内壁表面发生第一次冲击后，在稳定流场作用下，磨粒的运动受空气阻力的影响较小，将继续加速到接近喷射时的速度与内壁表面发生第二次冲击，第二次冲击后在稳定流场作用下继续加速与内壁表面发生冲击，小液滴包裹的磨粒经多次加速、多次冲击后从热管出口处喷出，实现大长径比管道内壁的抛光一致性。

本发明采用的技术手段如下：

一种增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置，包括：空气压缩机装置、微电脑射流控制装置、多相射流喷头装置、增材制造热管装置和抛光液配比装置，所述微电脑射流控制装置的一侧与空气压缩机装置相连，另一侧与多相射流喷头装置的一侧相连；所述多相射流喷头装置的一侧还与抛光液配比装置相连，另一侧与增材制造热管装置密封连接；所述空气压缩机装置用于为整个抛光装置提供高压气源，并将高压气体经微电脑射流控制装置输送到多相射流喷头装置中；所述抛光液配比装置用于产生液固抛光液，并将抛光液输送到多相射流喷头装置中；所述多相射流喷头装置用于实现液固抛光液与高压气体的充分混合雾化，形成气液固多相射流，并将气液固多相射流喷射到增材制造热管装置中，对工件进行多相射流复合抛光；所述微电脑射流控制装置用于对高压气体和抛光液的流量进行调节。

进一步地，所述抛光液为纳米抛光液，由磨粒和水混合而成，所述磨粒采用600目纳米氧化铝。

进一步地，所述多相射流喷头装置包括输气管、多相混合雾化装置、雾化通道、雾化喷头和气液接口，所述输气管的一端与微电脑射流控制装置连接，另一端与气液接口的进气端连接，所述气液接口设置在多相混合雾化装置的一侧；所述雾化通道的一端连接在多相混合雾化装置的另一侧，另一端与雾化喷头连接，雾化喷头与增材制造热管装置进行密封连接；所述多相混合雾化装置上还设有调节开关；

所述输气管用于实现高压气体的输送，所述多相混合雾化装置用于将液固抛光液与高压气体充分混合雾化，形成气液固抛光液，并将雾化后的气液固抛光液经雾化通道从雾化喷头喷射到工件内表面。

进一步地，所述多相射流喷头装置还包括输液管，输液管的一端与气液接口的进液端相连，另一端与抛光液配比装置相连；所述抛光液配比装置用来配比不同磨粒浓度的抛光液；

所述抛光液配比装置包括储液箱、搅拌机和超声发生器，所述储液箱放置在超声发生器上，内部用于容纳抛光液；所述搅拌机包括支架以及安装在支架上的电机和搅拌桨叶，电机与搅拌桨叶相连，用于驱动搅拌桨叶转动并调节搅拌速度，搅拌桨叶的下端伸入至储液箱中，用于充分搅拌抛光液；所述超声发生器用于实现磨粒在水溶液中充分均匀分散；所述输液管伸入至储液箱中，用于将搅拌完成的抛光液经气液接口输送到多相混合雾化装置中。

进一步地，所述增材制造热管装置通过固定装置和密封圈与多相射流喷头装置的雾化喷头进行密封连接。

进一步地，通过空气压缩机装置提供的高压气流撞击，所述多相射流喷头装置将抛光液破碎成小雾滴，达到纳米级雾化效果；所述多相射流喷头装置采用耐高压的柔性衬管，两端通过O型圈密封，并采用管中套管的方式，实现气液固流动过程的全密封，在管道内部形成稳定地流场。

进一步地，所述多相混合雾化装置将气液固抛光液雾化为10微米以下的磨粒液滴，并在高压气体作用下，在高压气体中呈漂浮状态，喷出的雾化抛光液具有一定的速度但冲击力较小，在工件内部形成的稳定流场作用下，磨粒液滴多次对工件表面进行划擦抛光。

进一步地，所述气液接口与输气管和输液管的连接处均采用密封圈进行密封固定；所述输气管和输液管上与气液接口连接的端部均为快插接头，实现紧密性连接。

本发明还提供了一种增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置的抛光方法，包括如下步骤：

步骤一、通过固定装置和密封圈将雾化喷头与热管增材制造热管装置进行密封固定连接；

步骤二、启动抛光液配比装置，配置所需磨粒浓度的抛光液，利用搅拌桨叶将磨粒和水溶液进行充分搅拌，搅拌完成后通过输液管将抛光液经气液接口输送至多相射流喷头装置的多相混合雾化装置中，并通过调节开关调节抛光液的流量；

步骤三、启动空气压缩机装置，将高压气体通过输气管和微电脑智能控制器输送到多相混合雾化装置中，在多相混合雾化装置中将气体、液体和磨粒充分混合雾化，形成气液固抛光液，并在高压作用下将气液固抛光液以形成气液固多相射流的形式经雾化通道送至雾化喷头处，通过雾化喷头小角度喷射至增材制造热管装置，对工件表面进行气液固三相复合抛光；此过程中，通过微电脑射流控制装置来调节高压气体通过量，亦可设定工作时长，到达设定时间后抛光过程自动停止，满足自动化抛光需求。

进一步地，所述步骤三中，在高压射流作用下，工件内部形成稳定流场，混合雾化后形成的气液固抛光液呈现雾化小液滴包裹着磨粒，其以小角度从雾化喷头喷射出；

喷射出的磨粒包裹有一层液膜，液膜包裹的磨粒与工件内壁表面发生第一次冲击后，在稳定流场作用下，磨粒的运动受空气阻力的影响较小，将继续加速到接近喷射时的速度与内壁表面发生第二次冲击，第二次冲击后在稳定流场作用下继续加速与内壁表面发生冲击，液膜包裹的磨粒经多次加速、多次冲击后从工件出口处喷出，实现大长径比管道内壁的抛光一致性；其中，稳定流场为磨粒多次供能加速，实现磨粒在工件内部发生加速—冲击—加速的循环。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置及方法，多相射流相比传统传统抛光方法而言，磨粒被液体包裹，在与表面撞击时水膜及液体水锤静压起到的缓冲作用能够有效降低对表面的冲击作用，在同样的磨粒粒度情况下实现更均匀的表面去除和更好的表面粗糙度。

2、本发明提供的增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置及方法，多相射流装置中喷嘴和热管通过固定装置和密封圈密封固定连接，减少热管入口处的压力损失，在热管内部形成稳定的流场，磨粒液滴在热管内部与工件发生一次碰撞后会在流场中继续加速，然后再与表面碰撞继续发生材料去除。而一般的喷砂、喷雾方法在喷嘴出口处压力就已经完全损失，磨粒和液滴受到外界的空气阻力减速严重，二次碰撞次数减少。

3、本发明提供的增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置及方法，多相射流具有顺沿内壁仿形抛光特性，磨粒流与内壁紧贴接触，磨粒划擦内壁表面轮廓，抛光后的浮粉、熔渣被流动粘性磨粒湍流形式带走，能够实现微结构细长管道的自动化、柔性化加工。

4、本发明提供的增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置及方法，多相射流具有无尘抛光优势，由于喷出来的是液滴，很快凝聚沉降，抛光磨粒不会引起粉尘危害。

5、本发明提供的增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置及方法，多相射流抛光装置结构简单、运行维护成本低、稳定性高，空气压缩机即可满足装置气压需求。

综上，应用本发明的技术方案能够解决以增材制造热管为代表的大长径比薄壁槽道管道内壁抛光困难、抛光损伤大以及抛光一致性的问题。

基于上述理由本发明可在抛光等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明纳米多相射流复合抛光装置结构示意图。

图2为本发明增材制造热管剖面结构示意图，其中(a)为一种增材制造热管，(b)为另一种增材制造热管。

图3为本发明抛光前、传统抛光方法和多相射流复合抛光方法稳定抛光时长下的管道内壁抛光效果图，其中(a)为抛光前的管道内壁示意图，(b)为传统抛光方法得到的管道内壁抛光效果图，(c)为多相射流复合抛光方法得到的管道内壁抛光效果图。

图中：1、空气压缩机；2、微电脑智能控制器；3-1、输气管；3-2、调节开关；3-3、多相混合雾化装置；3-4、雾化通道；3-5、雾化喷头；3-6、固定装置；3-7、气液接口；3-8、输液管；4、增材制造热管装置；5-1、储液箱；5-2、超声发生器；5-3、搅拌桨叶。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

为克服现有技术的不足，针对增材制造槽道热管内壁存在大量浮粉、熔渣、传统抛光方法对零件损伤较大、大长径比薄壁管道抛光一致性差等问题，本发明提出一种增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光方法。该方法采用气液固多相射流复合抛光，多相射流磨粒选用直径为600#的氧化铝，多相射流喷嘴(即雾化喷头)与热管入口处通过夹具(即固定装置)密封接触防止压力损失，在高压射流作用下在狭窄热管内部形成稳定流场，由于热管特殊结构，小型空气压缩机即可满足压力需求，雾化小液滴包裹着磨粒以小角度从喷嘴射出，与热管内壁表面发生第一次冲击后，在稳定流场作用下，磨粒的运动受空气阻力的影响较小，将继续加速到接近喷射时的速度与内壁表面发生第二次冲击，第二次冲击后在稳定流场作用下继续加速与内壁表面发生冲击，小液滴包裹的磨粒经多次加速、多次冲击后从热管出口处喷出，实现大长径比管道内壁的抛光一致性。

传统磨粒气射流抛光零件时磨粒离开喷嘴后会快速泄压，同时磨粒运动还受到空气阻力的影响，导致有效抛光距离仅有50mm左右，且抛光效果随抛光距离的增加而降低。随着需求的进一步增加，目前热管长度可达200mm以上，而管道直径仅为5mm，管道长径比为40：1，因此，传统磨粒气射流抛光方法难以满足以增材制造热管为代表的大长径比薄壁槽道管道的抛光需求。本发明的纳米多相射流复合抛光方法将喷嘴与热管入口密封接触，高压气流在狭长热管内部流通过程中形成稳定流场，稳定流场内空气阻力和压力损失较小。稳定流场可为磨粒多次供能加速，实现磨粒在管道内部发生加速—冲击—加速的循环，大大增加了磨粒的抛光距离，稳定抛光距离可达400mm以上，约为传统抛光距离的8倍；同时由于稳定流场的存在，每次加速后磨粒的速度与射出时速度几乎相同，管道出口位置的抛光效果接近于入口位置，有效缓解了传统抛光方法中抛光效果随抛光距离的增加而降低的问题，多相射流复合抛光方法对热管等大长径比槽道管道的抛光一致性效果显著提高。

传统磨粒气射流抛光方法中的磨粒直接冲击管道内表面，塑性划痕明显，管道内表面粗糙度较差。传统磨粒水射流抛光方法水压为几十至几百兆帕，以每秒几百米的速度高速喷出磨料，这种方法将对热管内部微通道结构造成毁灭性冲击。

本发明纳米多相射流复合抛光方法采用气液固三相混合抛光，喷嘴喷射出的磨粒包裹有一层液膜，气压较小且相同气压下多相射流喷射出来的磨粒速度更低，管壁内表面会形成一层水膜，液膜包裹的磨粒与管壁内表面撞击时，水锤静压力起到缓冲效应。多相射流复合抛光方法有效降低了材料塑性去除深度，表面粗糙度更优，保证了管道使用寿命以及尺寸、形状精度。

本发明方法与传统抛光方法对比的新颖性：

(1)多相射流相比传统传统抛光方法而言，磨粒被液体包裹，在与表面撞击时水膜及液体水锤静压起到的缓冲作用能够有效降低对表面的冲击作用，在同样的磨粒粒度情况下实现更均匀的表面去除和更好的表面粗糙度。

(2)多相射流装置中喷嘴和热管通过固定装置和密封圈密封固定连接，减少热管入口处的压力损失，在热管内部形成稳定的流场，磨粒液滴在热管内部与工件发生一次碰撞后会在流场中继续加速，然后再与表面碰撞继续发生材料去除。而一般的喷砂、喷雾方法在喷嘴出口处压力就已经完全损失，磨粒和液滴受到外界的空气阻力减速严重，二次碰撞次数减少。

(3)多相射流具有顺沿内壁仿形抛光特性，磨粒流与内壁紧贴接触，磨粒划擦内壁表面轮廓，抛光后的浮粉、熔渣被流动粘性磨粒湍流形式带走，能够实现微结构细长管道的自动化、柔性化加工。

(4)多相射流具有无尘抛光优势，由于喷出来的是液滴，很快凝聚沉降，抛光磨粒不会引起粉尘危害。

(5)多相射流抛光装置结构简单、运行维护成本低、稳定性高，空气压缩机即可满足装置气压需求。

本发明提供了一种增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置，包括：微电脑射流控制装置、多相射流喷头装置、抛光液配比装置、增材制造热管装置和空气压缩机装置。所述多相射流喷头装置一方面用于充分混合气体、液体和磨粒，可调节抛光液的进入量，另一方面装置在高压作用下，通过喷嘴将抛光液小角度喷射至热管内表面；所述微电脑射流控制装置可以精准控制、调节高压气体通过量；所述空气压缩机装置为整个装置提供高压气流；所述抛光液配比装置用来配比不同磨粒浓度的抛光液，并通过输液管进入多相射流喷头装置。

本实施方式中，所述微电脑射流控制装置可智能化进行调节，有效控制气压流通性。微电脑射流控制装置可设定工作时长，到达设定时间后抛光过程自动停止，满足自动化抛光需求。

本实施方式中，多相射流喷头装置为纳米多相射流复合抛光装置的气液固混合端及输出端，该装置通过空气压缩机提供的高压气流撞击下，从而将抛光液破碎成小雾滴，达到纳米级雾化效果。多相射流喷头装置采用耐高压的柔性衬管，两端通过O型圈密封，另外采用管中套管的方式，实现气液固流动过程的全密封，在管道内部形成稳定地流场。此装置的优点在于雾化效果非常好，压力需求不高，适合抛光细长管道精密零件。

本实施方式中，多相射流喷头装置另一端为气液固多相射流混合装置，包括呈Y形且内部连通的联合管道，联合管道的Y形两通道的一端为液固端，另一端为进气端，单通道一侧流出气液固混合物称为混合端。气压设置为0.6MPa，抛光液在气压作用下自动流入多相射流喷头装置，固液和进气管道为8mm的快插接头，可以实现与联合管道的紧密性连接。通过联合管道的Y形结构，同时通入气体、抛光液后，由于通过的混合件为多孔结构，孔隙可产生微小气泡，因而在混合端可以达到气液固多相均匀混合的效果，从而满足抛光需求。

本实施方式中，空气压缩机作为纳米多相射流复合抛光装置的高压气源，将抛光液在装置中高速冲击后雾化成微米小液滴，推动小液滴在多相射流喷头的喷嘴处喷射而出，并在增材制造热管装置内部形成稳定流场。由于抛光管道直径较小，出气通道直径较小，因此空气压缩机即可满足需求。

本实施方式中，抛光液配比装置为纳米多相射流复合抛光装置提供纳米抛光液。选用纯水作为抛光磨粒的载体，600目纳米氧化铝作为磨粒。但纳米磨粒在水溶液在不易充分悬浮，会导致抛光不均匀、堵塞通道等问题。设计一种抛光液配比装置，满足在抛光液配比装置中加入适量的水和纳米磨粒并按一定含量进行调制，获得以水为载体的、磨粒分布均匀的纳米抛光液。

本实施方式中，抛光液配比装置包括储液箱、实验室用小型搅拌机和超声发生器。为使获得的纳米抛光液中磨粒分布均匀，需要搅拌机对抛光液在抛光前和抛光过程中进行充分搅拌。搅拌机适用于实验室或户外实验的低、中粘度液体的混合搅拌，搅拌机内的物料，同时存在轴向运动和圆周运动，因而同时存在剪切搅拌和扩散搅拌等几种搅拌形式，能够使纳米磨粒在抛光液中均匀分布。但现有的小型搅拌装置仍难以实现纳米磨粒在水溶液中完全均匀分散，因此进一步提出以超声技术辅助实现磨粒在水溶液中充分均匀分散。超声发生器结合小型搅拌机可有效实现纳米磨粒在水溶液中均匀分散，该装置可有效解决纳米多相射流复合抛光中出现的磨粒难以在水溶液中均匀分散的问题。

通过本发明方法及装置与现有方法及装置进行实验对比，得出本发明方法在热管内部形成稳定流场，磨粒可多次加速对表面浮粉、熔渣进行划擦去除，由于存在水膜包覆磨粒，抛光表面精度较高，且细长热管抛光一致性效果显著，热管内壁无明显磨损和划痕，抛光效果显著且稳定。

本发明还提供了一种增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置的抛光方法，包括如下步骤：

步骤一、通过固定装置和密封圈将雾化喷头与热管增材制造热管装置进行密封固定连接；

步骤二、启动抛光液配比装置，配置所需磨粒浓度的抛光液，利用搅拌桨叶将磨粒和水溶液进行充分搅拌，搅拌完成后通过输液管将抛光液经气液接口输送至多相射流喷头装置的多相混合雾化装置中，并通过调节开关调节抛光液的流量；

步骤三、启动空气压缩机装置，将高压气体通过输气管和微电脑智能控制器输送到多相混合雾化装置中，在多相混合雾化装置中将气体、液体和磨粒充分混合雾化，形成气液固抛光液，并在高压作用下将气液固抛光液以形成气液固多相射流的形式经雾化通道送至雾化喷头处，通过雾化喷头小角度喷射至增材制造热管装置，对工件表面进行气液固三相复合抛光；此过程中，通过微电脑射流控制装置来调节高压气体通过量，亦可设定工作时长，到达设定时间后抛光过程自动停止，满足自动化抛光需求。

实施例1

如图1所示，本发明的这种纳米多相射流复合抛光装置，包括空气压缩机装置(选用空气压缩机1)、微电脑射流控制装置(选用微电脑智能控制器2)、多相射流喷头装置、增材制造热管装置4和抛光液配比装置。多相射流喷头装置包括输气管3-1、多相混合雾化装置3-3、雾化通道3-4、雾化喷头3-5、气液接口3-7和输液管3-8。抛光液配比装置包括储液箱5-1、搅拌机和超声发生器5-2，搅拌机包括支架、电机和搅拌桨叶5-3。

空气压缩机装置为整个抛光装置提供高压气源，并将高压气体通过输气管3-1输送到微电脑智能控制器2；微电脑智能控制器2一端连接空气压缩机装置，另一端通过输气管3-1连接多相射流喷头装置，对高压气体及抛光液流量具有调节作用；多相射流喷头装置将液固抛光液与高压气体在多相混合雾化装置3-3中充分混合雾化，再通过装置的主管道(雾化通道3-4)和喷嘴(雾化喷头3-5)将磨粒抛光液喷射到增材制造热管装置；抛光液配比装置通过电机驱动搅拌桨叶5-3旋转，将纳米磨粒与水溶液充分混合形成抛光液，再通过输液管3-8输送到多相射流喷头装置。

本实施例中，微电脑射流控制装置能有效调节空气压缩机装置气体流通量。

本实施例中，多相射流喷头装置中气液接口3-7分别与输气管3-1和输液管3-8连接，连接处均采用密封圈进行密封固定，同时气液固流通性较好，输气管3-1和输液管3-8上与气液接口3-7连接的端部均为快插接头，实现紧密性连接；输气管3-1将微电脑智能控制器2和雾化喷头3-5连接，输液管3-8将抛光液配比装置和雾化喷头3-5连接，连接方式气密性良好；多相射流喷头装置将抛光液雾化为10微米以下的磨粒液滴，并在高压气体作用下，在高压气体中呈漂浮状态，喷出的雾化抛光液具有一定的速度但冲击力较小，在热管内部形成的稳定流场作用下，磨粒液滴多次对工件表面进行划擦抛光。多相射流喷头装置上还设置有调节开关3-2，调节开关3-2与微电脑智能控制器连接，用于调节输送至多相射流喷头装置内的抛光液的流量。

本实施例中，增材制造热管装置4通过固定装置3-6和密封圈与多相射流喷头装置的雾化喷头3-5相连接，气密性、稳定性良好。如图2所示为本实施例中两种增材制造热管(待加工工件)的结构示意图。

本实施例中，抛光液配比装置中搅拌机的支架用于固定驱动电机和搅拌桨叶5-3，驱动电机可调节搅拌桨叶5-3的搅拌速度，搅拌桨叶5-3充分搅拌纳米抛光液，抛光液储存于储液箱5-1中，储液箱5-1放置于超声发生器5-2上，利用超声辅助进一步使纳米磨粒均匀分布于水溶液中。输液管3-8下端伸入至储液箱5-1中，将搅拌完成的抛光液经气液接口3-7输送到多相混合雾化装置3-3中。

本实施例中，选用目数为600的氧化铝纳米磨粒，分别配置磨粒含量为0、0～5％、5～10％、10～15％、15～20％、20～25％的抛光液进行抛光效果探究，气压设定为0.6MPa，抛光时长为15min，具体参数如下表所示。

本实施例中，将抛光喷嘴与热管稳定、密封连接，先启动抛光液配比装置，再启动空气压缩机装置，开始抛光。抛光结束后，通过电子显微镜观察管道微流道内表面宏观形貌。

结果表明，磨粒含量为0时，微流道内壁是由台阶效应形成的材料层，且有大量熔渣堵塞通道，大量熔化的浮粉附着表面，管道内表面质量很差；当抛光磨粒含量为0～5％时，磨粒将微流道内壁中较为松散的大颗粒熔渣冲走，同时抛光液滴中的磨粒对突起的材料层进行了初步的微切削，使得表面的凸起纯化。当抛光磨粒含量为5～10％时，微流道内壁的光整程度较磨粒含量为0～5％时有了改观，但仍能观察到较为明显的小颗粒浮粉、熔渣附着于管道内壁；当磨粒含量达到5～10％、10～15％时，微流道内壁表面质量进一步改善；当磨粒含量达到15～20％时，微流道内壁整体呈现出较好的表面质量，形状精度提高，槽底熔渣完全清除，表面基本平坦化；当磨粒含量达到20～25％时，微流道内壁的粗糙度值变化不大，但在管壁内表面出现了细微的磨粒分流痕迹，在表面形成了明显的划痕轨迹，不符合高质量抛光的要求。因此，在不同抛光磨粒含量下，微流道内壁的抛光效果也不相同。在相同抛光时间内，微流道内壁表面抛光效果随磨粒含量的增大先上升后降低，磨粒含量为15～20％时较为合理。

通过实验装置对比验证多相射流抛光方法与传统抛光方法的抛光效果，实验选用相同目数、相同材料的磨粒配置相同浓度的抛光液，对同一批增材制造大长径比槽道热管进行抛光实验，以热管内壁表面粗糙度和结构尺寸偏差进行结果分析。

本实施例中，磨粒含量和磨粒目数相同的前提下，对比传统磨粒气射流抛光方法和多相射流复合抛光方法的抛光效果。如图3所示为抛光前、传统抛光方法和多相射流复合抛光方法稳定抛光时长下的管道内壁抛光效果图。

结果表明，达到稳定抛光状态时，传统抛光方法抛光管道内表面粗糙度从抛光前的15μm下降至6μm，多相射流复合抛光方法抛光管道内表面粗糙度从抛光前的15μm下降至3μm，较传统抛光方法提高了一倍左右；多相射流复合抛光方法抛光管道内部底端结构尺寸偏差下降了30μm，传统抛光方法抛光管道内部底端结构尺寸偏差下降了90μm，材料去除量为新方法的三倍，破坏了管道内部微流道结构，过抛现象严重。且由于多相射流复合抛光方法中磨粒在管道内部相对稳定地运动，所以磨粒对管道内壁槽道的材料去除较为平衡，管道入口和出口处抛光效果相近，达到了一致性抛光效果，为以增材制造热管为代表的大长径比薄壁槽道管道内壁的抛光难题提出了一种有效的方法和装置。

综上，本发明方法及装置对增材制造矩形、Ω形槽道热管内壁表面质量的改善具有显著效果，没有破坏热管结构的尺寸精度，抛光一致性效果明显，可以达到预期目标。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置，其特征在于，包括：空气压缩机装置、微电脑射流控制装置、多相射流喷头装置、增材制造热管装置(4)和抛光液配比装置，所述微电脑射流控制装置的一侧与空气压缩机装置相连，另一侧与多相射流喷头装置的一侧相连；所述多相射流喷头装置的一侧还与抛光液配比装置相连，另一侧与增材制造热管装置(4)密封连接；所述空气压缩机装置用于为整个抛光装置提供高压气源，并将高压气体经微电脑射流控制装置输送到多相射流喷头装置中；所述抛光液配比装置用于产生液固抛光液，并将抛光液输送到多相射流喷头装置中；所述多相射流喷头装置用于实现液固抛光液与高压气体的充分混合雾化，形成气液固多相射流，并将气液固多相射流喷射到增材制造热管装置(4)中，对工件进行多相射流复合抛光；所述微电脑射流控制装置用于对高压气体和抛光液的流量进行调节。

2.根据权利要求1所述的增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置，其特征在于，所述抛光液为纳米抛光液，由磨粒和水混合而成，所述磨粒采用600目纳米氧化铝。

3.根据权利要求1或2所述的增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置，其特征在于，所述多相射流喷头装置包括输气管(3-1)、多相混合雾化装置(3-3)、雾化通道(3-4)、雾化喷头(3-5)和气液接口(3-7)，所述输气管(3-1)的一端与微电脑射流控制装置连接，另一端与气液接口(3-7)的进气端连接，所述气液接口(3-7)设置在多相混合雾化装置(3-3)的一侧；所述雾化通道(3-4)的一端连接在多相混合雾化装置(3-3)的另一侧，另一端与雾化喷头(3-5)连接，雾化喷头(3-5)与增材制造热管装置(4)进行密封连接；所述多相混合雾化装置(3-3)上还设有调节开关(3-2)；

所述输气管(3-1)用于实现高压气体的输送，所述多相混合雾化装置(3-3)用于将液固抛光液与高压气体充分混合雾化，形成气液固抛光液，并将雾化后的气液固抛光液经雾化通道(3-4)从雾化喷头(3-5)喷射到工件内表面。

4.根据权利要求3所述的增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置，其特征在于，所述多相射流喷头装置还包括输液管(3-8)，输液管(3-8)的一端与气液接口(3-7)的进液端相连，另一端与抛光液配比装置相连；所述抛光液配比装置用来配比不同磨粒浓度的抛光液；

所述抛光液配比装置包括储液箱(5-1)、搅拌机和超声发生器(5-2)，所述储液箱(5-1)放置在超声发生器(5-2)上，内部用于容纳抛光液；所述搅拌机包括支架以及安装在支架上的电机和搅拌桨叶(5-3)，电机与搅拌桨叶(5-3)相连，用于驱动搅拌桨叶(5-3)转动并调节搅拌速度，搅拌桨叶(5-3)的下端伸入至储液箱(5-1)中，用于充分搅拌抛光液；所述超声发生器(5-2)用于实现磨粒在水溶液中充分均匀分散；所述输液管(3-8)伸入至储液箱(5-1)中，用于将搅拌完成的抛光液经气液接口(3-7)输送到多相混合雾化装置(3-3)中。

5.根据权利要求1或2所述的增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置，其特征在于，所述增材制造热管装置(4)通过固定装置(3-6)和密封圈与多相射流喷头装置的雾化喷头(3-5)进行密封连接。

6.根据权利要求5所述的增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置，其特征在于，通过空气压缩机装置提供的高压气流撞击，所述多相射流喷头装置将抛光液破碎成小雾滴，达到纳米级雾化效果；所述多相射流喷头装置采用耐高压的柔性衬管，两端通过O型圈密封，并采用管中套管的方式，实现气液固流动过程的全密封，在管道内部形成稳定地流场。

7.根据权利要求6所述的增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置，其特征在于，所述多相混合雾化装置(3-3)将气液固抛光液雾化为10微米以下的磨粒液滴，并在高压气体作用下，在高压气体中呈漂浮状态，喷出的雾化抛光液具有一定的速度但冲击力较小，在工件内部形成的稳定流场作用下，磨粒液滴多次对工件表面进行划擦抛光。

8.根据权利要求4所述的增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置，其特征在于，所述气液接口(3-7)与输气管(3-1)和输液管(3-8)的连接处均采用密封圈进行密封固定；所述输气管(3-1)和输液管(3-8)上与气液接口(3-7)连接的端部均为快插接头，实现紧密性连接。

9.一种如权利要求1-8任意一项权利要求所述的增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置的抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、通过固定装置(3-6)和密封圈将雾化喷头(3-5)与热管增材制造热管装置(4)进行密封固定连接；

步骤二、启动抛光液配比装置，配置所需磨粒浓度的抛光液，利用搅拌桨叶(5-3)将磨粒和水溶液进行充分搅拌，搅拌完成后通过输液管(3-8)将抛光液经气液接口(3-7)输送至多相射流喷头装置的多相混合雾化装置(3-3)中，并通过调节开关(3-2)调节抛光液的流量；

步骤三、启动空气压缩机装置，将高压气体通过输气管(3-1)和微电脑智能控制器输送到多相混合雾化装置(3-3)中，在多相混合雾化装置(3-3)中将气体、液体和磨粒充分混合雾化，形成气液固抛光液，并在高压作用下将气液固抛光液以形成气液固多相射流的形式经雾化通道(3-4)送至雾化喷头(3-5)处，通过雾化喷头(3-5)小角度喷射至增材制造热管装置(4)，对工件表面进行气液固三相复合抛光；此过程中，通过微电脑射流控制装置来调节高压气体通过量，亦可设定工作时长，到达设定时间后抛光过程自动停止，满足自动化抛光需求。

10.根据权利要求9所述的增材制造槽道热管内壁的纳米多相射流复合抛光装置的抛光方法，其特征在于，所述步骤三中，在高压射流作用下，工件内部形成稳定流场，混合雾化后形成的气液固抛光液呈现雾化小液滴包裹着磨粒，其以小角度从雾化喷头喷射出；

喷射出的磨粒包裹有一层液膜，液膜包裹的磨粒与工件内壁表面发生第一次冲击后，在稳定流场作用下，磨粒的运动受空气阻力的影响较小，将继续加速到接近喷射时的速度与内壁表面发生第二次冲击，第二次冲击后在稳定流场作用下继续加速与内壁表面发生冲击，液膜包裹的磨粒经多次加速、多次冲击后从工件出口处喷出，实现大长径比管道内壁的抛光一致性；其中，稳定流场为磨粒多次供能加速，实现磨粒在工件内部发生加速—冲击—加速的循环。

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