CN115741486A - 超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置及方法，装置包括驱动装置、喷射装置、超声装置和超声抛光平台，沟槽热管通过夹紧装置固定在超声抛光平台上，驱动装置与喷射装置相连，用于驱动喷射装置进行偏心旋转；喷射装置用于形成抛光液，并在旋转运动下将抛光液喷射到沟槽热管内表面上，对沟槽热管内表面进行抛光；超声装置固定在超声抛光平台上，产生的超声振动作用于喷射到沟槽热管内表面的抛光液上，实现对沟槽热管待加工表面的高效复合抛光。本发明能够实现加工表面的微量材料去除，抛光效果稳定，满足高形状精度的加工要求。

Description

超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置及 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，尤其涉及一种超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置及方法。

背景技术

热管是现阶段狭窄空间散热的理想元件，在航天领域得到广泛应用。沟槽热管与普通热管相比，不仅继承拥有两相流动和相变传热的优良传热特性，而且具有微尺度传热、微流动和微相变的优势。随着航天领域开始使用拓扑优化进行结构设计，由于沟槽热管内部形状特殊，空间结构复杂，用传统拉拔方法制造的铜热管难以弯折形成该结构，铜热管与薄壁空间蒙皮点阵之间难以焊接，利用增材制造打印技术，可以实现复杂空间螺旋弯折或交叉结构热管和航天器结构件的一体化成型。但增材制造零件表面存在大量浮粉、熔渣，严重制约了沟槽热管的进一步应用，因此，增材制造沟槽热管内表面抛光问题急需解决。

中国专利CN109877710A中利用磨料水射流技术实现了对微型槽表面的周期性、柔性化抛光，但抛光效率低、管道内表面抛光效果差。国外的BEAUCAMP等人将超声换能器固定于磨粒水射流喷头处，利用聚焦超声对磨料流的空化效应提高了工件表面的抛光效率，但该方法核心抛光距离较短，难以抛光大长径比结构的沟槽热管。浙江工业大学的计时鸣等人利用软性磨粒流抛光方法，实现了细长管道内表面的微磨损、一致性抛光，但抛光时间较长，通常抛光10h以上达到稳定状态。随着航天领域对沟槽热管表面质量要求越来越高且结构日益复杂化，现有的抛光方法难以实现沟槽热管内表面的高效、高质量和一致性抛光需求。

因此，本发明提出一种兼具抛光效率高、抛光质量好、有效抛光距离长的沟槽热管内表面抛光方法及装置。

发明内容

根据上述提出的增材制造沟槽热管为大长径比结构、内表面存在大量浮粉、熔渣的特征，现有抛光方法难以解决沟槽热管内表面高效、高质量和一致性抛光的技术问题，而提供一种超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置及方法。本发明主要利用磨粒水射流抛光与超声振动结合形成的复合抛光方法解决沟槽热管的抛光难题，将热管通过夹具固定在超声抛光平台上，对溶液加压形成水射流后，纳米磨粒输送到装置混合腔内与水射流混合，由水射流带动磨粒混合加速，形成磨粒水射流。通过喷嘴将磨粒水射流喷射到热管内表面上，流场带动磨粒在工件表面相互冲击与剪切作用实现材料去除。喷嘴在电机驱动下小幅度地绕着热管的轴心旋转，让喷嘴中心能够对准沟槽微结构处而不是整个热管的中心部位，旋转运动能够让沟槽微结构全部被喷射到，喷嘴中心的速度更高、磨粒数量更多，更多的磨粒进入沟槽结构进行材料去除，因此旋转喷射方法的去除率更大。同时，在超声振动作用下，一方面振动辐射面直接驱动液体中的磨粒沿振动方向高速运动，对工件表面产生冲击；另一方面溶液在高速流动、撞击下产生了大量空化泡，空化泡在超声场作用下生长并不断聚集声场能量，空化泡随液体流动到刚性壁面附近时，远离壁面一侧的压强相对较大，压差作用下体积较大的空化泡上部开始整体向内凹陷，体积急剧减小直至溃灭，溃灭时将收集的声能量瞬间释放，在局部区域产生较大的瞬时压强和流速，撞击周围流场中的磨粒进而冲击壁面，产生微去除作用，超声场极大促进空化泡在近壁面发生膨胀-压缩-溃灭的周期性空化作用，使工件表面产生微塑性变形和微破损去除。空化强化了流场的无序性，磨粒的运动方向更加随机，可提高加工低效区的加工效率，同时又抑制了加工高效区的过加工现象，从而使磨粒流精密加工更加合理完善。磨粒在稳定流场作用下，可抵达任何复杂沟槽结构处，同时伴随着空化作用，复合抛光方法抛光一致性好、抛光质量优、抛光效率高。

本发明采用的技术手段如下：

一种超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置，包括：驱动装置、喷射装置、超声装置和超声抛光平台，沟槽热管通过夹紧装置固定在超声抛光平台上，所述驱动装置与喷射装置相连，用于驱动喷射装置进行偏心旋转；所述喷射装置用于形成抛光液，并在旋转运动下将抛光液喷射到沟槽热管内表面上，对沟槽热管内表面进行抛光；所述超声装置固定在超声抛光平台上，产生的超声振动作用于喷射到沟槽热管内表面的抛光液上，实现对沟槽热管待加工表面的高效复合抛光。

进一步地，所述抛光液为由磨料和水混合而成的磨粒抛光液。

进一步地，所述喷射装置包括壳体内部具有的混合腔以及与混合腔相连通的磨粒箱、高压水泵和喷嘴，所述高压水泵设置在壳体后端一侧，用于将水溶液喷射到混合腔中，形成水射流；所述磨粒箱设置在壳体后端另一侧，用于将磨粒输送到混合腔内与水射流混合，形成抛光液；所述喷嘴设置在壳体前端，用于将抛光液以磨粒水射流的形式喷射出。

进一步地，所述驱动装置包括驱动电机、偏心轮和联轴器，驱动电机的电机轴与偏心轮连接，偏心轮通过联轴器与喷射装置的壳体后端连接，驱动电机的电机轴的中轴线与联轴器的中轴线进行偏心设置，喷嘴的中轴线与联轴器的中轴线同轴，加工过程中，沟槽热管的中轴线与电机轴的中轴线同轴；通过驱动电机驱动偏心轮旋转，进而带动喷射装置绕沟槽热管的轴心进行旋转，喷嘴处喷射出的磨粒水射流中心对准沟槽热管内的微结构。

进一步地，所述喷嘴与沟槽热管间的距离为0.5-2mm。

进一步地，还包括供电装置，用于对超声装置供电。

进一步地，所述磨粒为纳米磨粒，其采用直径为0.5-50μm的氧化铝，所述抛光液中磨粒含量为5-20％。

本发明还提供了一种超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置的抛光方法，包括如下步骤：

步骤一、将沟槽热管通过夹紧装置固定在超声抛光平台上，利用高压水泵对水溶液加压喷射到混合腔中形成水射流后，通过磨粒箱将纳米磨粒输送到混合腔内与水射流混合，由水射流带动磨粒混合加速，形成磨粒水射流，并通过喷嘴将磨粒水射流喷射到沟槽热管内表面上进行抛光加工，利用流场带动磨粒在工件表面相互冲击与剪切作用实现材料去除；

步骤二、在加工过程中，通过驱动电机和偏心轮驱动喷嘴小幅度地绕沟槽热管的轴心进行旋转，使喷嘴中心对准沟槽热管内的微结构处，通过旋转运动使沟槽热管的微结构全部被喷射到，基于喷嘴中心的速度更高、磨粒数量更多，更多的磨粒进入沟槽结构进行材料去除；

步骤三、在加工过程中，同时启动超声装置，产生的超声振动作用于沟槽热管内的磨粒流上，利用超声振动能量与流体动能相结合，从而实现对沟槽热管待加工表面的高效复合抛光。

进一步地，在喷嘴处高速射出的抛光液的磨粒以一定角度冲击沟槽热管内时，对沟槽热管内表面产生垂直和水平两个方向的作用，垂直方向上作用力对沟槽热管内表面产生撞击和挤压作用，水平方向作用力对沟槽热管内表面的粗糙凸峰进行剪切作用，两方面的综合实现沟槽热管内表面的抛光。

进一步地，所述步骤三中，在超声振动作用下，一方面振动辐射面直接驱动液体中的磨粒沿振动方向高速运动，对沟槽热管内表面产生冲击；另一方面溶液在高速流动、撞击下产生大量空化泡，空化泡在超声场作用下生长并不断聚集声场能量，空化泡随液体流动到刚性壁面附近时，远离壁面一侧的压强相对较大，压差作用下体积较大的空化泡上部开始整体向内凹陷，体积急剧减小直至溃灭，溃灭时将收集的声能量瞬间释放，在局部区域产生较大的瞬时压强和流速，撞击周围流场中的磨粒进而冲击壁面，产生微去除作用，超声场极大促进空化泡在近壁面发生膨胀-压缩-溃灭的周期性空化作用，使沟槽热管内表面产生微塑性变形和微破损去除。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置及方法，以流体抛光液为主，对沟槽管道复杂结构有较强的适应性，在一定压力下磨粒随溶液不间断流经被加工表面，从而完成对零件待加工表面的抛光加工。传统方法难以满足当前结构要求，复合抛光方法抛光一致性好，适合抛光复杂型面零件。

2、本发明提供的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置及方法，磨粒直径较小，且有液体包裹，能够实现加工表面的微量材料去除，抛光效果稳定，满足高形状精度的加工要求。

3、本发明提供的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置及方法，传统增压方式以提高磨粒流喷射速度来提高抛光效率的方法，不仅对增压装置要求较高，同时抛光装置稳定性较差。本发明通过超声空化作用，增加了磨粒撞击壁面的次数，有效提高了抛光效率，装置稳定性高。

4、本发明提供的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置及方法，通过复合抛光方法，超声动能和流体动能在热管内部分布均匀，磨粒在管道内部不同位置抛光效果相近，有效解决了传统磨粒射流抛光方法中细长管道出、入口抛光效果差异大的难题，实现了大长径比沟槽管道的抛光一致性。

5、本发明提供的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置及方法，具有更加复杂结构的S形、U形、螺旋形等沟槽热管的抛光距离更长，传统抛光方法难以实现。超声振动在液体中形成具有一定强度和分布规律的速度流场，稳定流场下实现抛光磨粒加速-冲击-再加速的往复循环，实现了复杂结构沟槽管道的长距离抛光。

6、本发明提供的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置及方法，复合抛光方法中磨粒在流体动能作用下，以一定速度划擦工件表面进行材料去除，同时在超声空化等作用下，一部分磨粒改变运动状态，通过撞击工件表面进行材料去除，由于磨粒直径较小，撞击比划擦更易得到光整抛光表面。

7、本发明提供的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置及方法，由流体力学可知，喷嘴射流中心速度、磨粒数量均高于边缘，喷嘴射流中心的材料去除率最大。传统的固定喷嘴瞄准的是沟槽热管中心，因此很多高速磨粒无法进入微沟槽区域进行材料去除。设计驱动装置带动喷嘴围绕热管轴心旋转，喷嘴射流中心对准沟槽微结构处，旋转运动使热管沟槽结构全部被喷射到。该装置及方法能够有效提高抛光效率，相较于手动旋转喷嘴更加省时省力。

8、本发明提供的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置及方法，复合抛光方法成本更低，可操作性强、相较于磨粒气射流方法更环保。

综上，应用本发明的技术方案能够有效解决现有抛光方法对增材制造大长径比复杂沟槽热管内表面抛光一致性差，以及抛光时间长、抛光质量低的问题。

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为本发明超声辅助纳米水射流抛光装置结构示意图。

图2为本发明一种直筒沟槽热管的结构示意图，其中(a)为轴测图，(b)为主视图，(c)为剖视图。

图中：1、驱动电机；2、偏心轮；3、联轴器；4、磨粒箱；5、高压水泵；6、混合腔；7、喷嘴；8、夹紧装置；9、电源；10、沟槽热管；11、超声装置；12、超声抛光平台。

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，针对增材制造沟槽热管为大长径比结构、内表面存在大量浮粉、熔渣的特征，现有抛光方法难以解决沟槽热管内表面高效、高质量和一致性抛光的技术问题，本发明提出了一种增材制造沟槽热管内表面的超声辅助纳米磨粒水射流复合抛光方法及装置，加工工件为沟槽热管。

本发明主要利用磨粒水射流抛光与超声振动结合形成的复合抛光方法解决沟槽热管的抛光难题，将热管通过夹具固定在超声抛光平台上，对溶液加压形成水射流后，纳米磨粒输送到装置混合腔内与水射流混合，由水射流带动磨粒混合加速，形成磨粒水射流。通过喷嘴将磨粒水射流喷射到热管内表面上，流场带动磨粒在工件表面相互冲击与剪切作用实现材料去除。喷嘴在电机驱动下小幅度地绕着热管的轴心旋转，让喷嘴中心能够对准沟槽微结构处而不是整个热管的中心部位，旋转运动能够让沟槽微结构全部被喷射到，喷嘴中心的速度更高、磨粒数量更多，更多的磨粒进入沟槽结构进行材料去除，因此旋转喷射方法的去除率更大。同时，在超声振动作用下，一方面振动辐射面直接驱动液体中的磨粒沿振动方向高速运动，对工件表面产生冲击；另一方面溶液在高速流动、撞击下产生了大量空化泡，空化泡在超声场作用下生长并不断聚集声场能量，空化泡随液体流动到刚性壁面附近时，远离壁面一侧的压强相对较大，压差作用下体积较大的空化泡上部开始整体向内凹陷，体积急剧减小直至溃灭，溃灭时将收集的声能量瞬间释放，在局部区域产生较大的瞬时压强和流速，撞击周围流场中的磨粒进而冲击壁面，产生微去除作用，超声场极大促进空化泡在近壁面发生膨胀-压缩-溃灭的周期性空化作用，使工件表面产生微塑性变形和微破损去除。空化强化了流场的无序性，磨粒的运动方向更加随机，可提高加工低效区的加工效率，同时又抑制了加工高效区的过加工现象，从而使磨粒流精密加工更加合理完善。磨粒在稳定流场作用下，可抵达任何复杂沟槽结构处，同时伴随着空化作用，复合抛光方法抛光一致性好、抛光质量优、抛光效率高。

本实施方式中，磨粒水射流抛光是以磨料和水混合而成的磨粒抛光液，在高压水泵的推动下作用于被加工工件的表面，磨料水射流具有高柔性、高流速等特点，能够实现加工表面的微量材料去除，从而降低工件表面粗糙度的抛光技术。磨粒气射流抛光方法虽然同样采用高压驱动磨料颗粒冲击材料表面，达到微量去除工件材料的方法，但干式气射流抛光对工作环境要求高，易造成粉尘污染。

本实施方式中，抛光液通过高压水泵的加压作用从喷嘴高速射向热管内表面过程中，高压水先经过磨粒箱，再经过喷射装置，由于磨粒具有切削作用，磨粒抛光液对喷射装置内部结构磨损较为严重。通过在喷射装置中增加混合腔，将高压水流与磨粒在混合腔中混合形成抛光液，在细长喷嘴处形成磨粒水射流，此方法可有效降低喷射装置的磨损情况。

本实施方式中，沟槽热管为中部通孔结构，而磨粒水射流中心部位速度最高、磨粒最集中，为此设计驱动装置实现喷嘴围绕热管轴心旋转、磨粒水射流中心直接冲击热管沟槽微结构处。

本实施方式中，在喷嘴处高速射出的抛光液磨粒以一定角度冲击工件时，对工件表面产生垂直和水平两个方向的作用，垂直方向上作用力对工件表面产生撞击和挤压作用，水平方向作用力对工件表面的粗糙凸峰进行剪切作用，两方面的综合实现表面抛光。而无磨料的纯水射流，即使在压力高达120MPa时也没有明显的材料去除。

本实施方式中，抛光液磨粒选用直径为0.5-5μm的氧化铝，该磨粒是一种高硬度的化合物，无味无毒，抛光效果好。

沟槽热管相较于普通热管运行更加稳定可靠，用途更加广泛。增材制造制备热管是基于堆积离散原理，在软件和数控系统控制下以高能束(激光、离子束、电弧等)为热源将丝材、粉末材料熔化逐层堆积成形。该方法会导致成形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。沟槽结构增加了管道内部存留的浮粉、熔渣，也增加了管道内表面抛光难度。

目前，利用SLM技术制备沟槽热管有效长度可达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结构，热管长度的增加进一步增大了热管的抛光难度。

沟槽热管由于尺寸较小、结构复杂，传统精密加工方法，难以满足当前抛光要求。本发明磨粒水射流具有很高的柔性、很强的复杂型面适应性，其使用非固定的自由颗粒能够到达许多难以抛光的地方，这对于复杂沟槽结构的热管具有良好的抛光效果。但传统水射流抛光方法难以有效抛光200mm的距离，难以满足当前零件尺寸抛光要求。

超声波振动对固体物质作用效果有限，但能促进溶液中的空化作用，极大增强溶液中细小磨粒的运动。

单一的抛光方式难以满足实际需求，本发明在磨粒水射流的基础上加入超声发生装置，沟槽热管与超声发生装置固定安装，提出超声辅助磨粒水射流复合抛光方法。该方法是通过超声振动系统把超声振动作用于热管内的磨粒流，由超声振动能量与流体动能相结合完成抛光加工，综合了磨料射流和超声振动的优势。

本发明复合抛光方法相较于单一水射流抛光方法具有以下优势：

(1)超声振动直接驱动磨粒冲击工件表面。当磨粒与工件表面距离较近时，超声振动工具的振动辐射面直接驱动液体中的磨粒沿振动方向高速运动，对工件表面产生冲击，使工件表面产生微塑性变形和微破损去除。

(2)超声空化射流对工件表面的冲击作用。射流冲击过程中，在超声振动作用下，空化泡在工件表面周期性地产生、生长和坍塌，空化泡溃破产生的高压射流推动液体和磨粒冲击工件表面，产生微去除作用。

(3)超声振动强化了磨料流的湍流状态，使流体湍动能的分布更均匀，速度和压力变化更加剧烈。由于湍流流体形态无序化，磨料颗粒作无序化运动，使工件表面划痕无序化。空化气泡溃破更增加了湍流，使工件的复杂沟槽表面得到均匀的抛光。

由于管道内部流体特性，在管道内表面附近，远离壁面一侧的压强相对较大，从而使得空化泡发生凹陷，最终形成了冲击表面的微射流，有效提升超精密加工精度和效率。

在水射流流速确定情况下，空化泡的体积越大，带动磨粒对工件表面的冲击力越大，空化泡的数量越多，带动磨粒对工件表面的冲击次数越多，材料去除越多。

超声频率对空化泡的生长溃灭具有重要作用，超声频率过高时，超声波的拉伸相持续时间就会缩短，作用于空化泡也不够充分，空化泡无法生长到足够的大小，无法获得足够的能量，也就无法发生溃灭，因此合适的超声频率也将影响抛光质量。

实施例1

如图1所示，一种超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置，包括：驱动装置、喷射装置、超声装置11、超声抛光平台12和供电装置，沟槽热管10通过夹紧装置8固定在超声抛光平台12上，驱动装置与喷射装置相连，用于驱动喷射装置进行偏心旋转；喷射装置用于形成抛光液，并在旋转运动下将抛光液喷射到沟槽热管10内表面上，对沟槽热管10内表面进行抛光；超声装置11固定在超声抛光平台12上，产生的超声振动作用于喷射到沟槽热管10内表面的抛光液上，实现对沟槽热管10待加工表面的高效复合抛光。供电装置选用电源9，对超声装置11供电。

具体地，喷射装置包括壳体内部具有的混合腔6以及与混合腔6相连通的磨粒箱4、高压水泵5和喷嘴7，高压水泵5设置在壳体后端一侧，磨粒箱4设置在壳体后端另一侧，喷嘴7设置在壳体前端。驱动装置包括驱动电机1、偏心轮2和联轴器3，驱动电机1的电机轴与偏心轮2连接，偏心轮2通过联轴器3与喷射装置的壳体后端连接，驱动电机1的电机轴的中轴线与联轴器3的中轴线进行偏心设置，喷嘴7的中轴线与联轴器3的中轴线同轴，加工过程中，沟槽热管10的中轴线与电机轴的中轴线同轴。驱动电机1带动偏心轮2旋转，偏心轮2通过联轴器3带动混合腔6及喷嘴7旋转，高压水泵5将水溶液喷射到混合腔6中，磨粒箱4中的磨粒进入混合腔6中与水射流混合，随后从细长喷嘴7喷出。超声抛光平台12与沟槽热管10通过夹紧装置8固定连接，超声装置11与超声抛光平台12固定连接。

本实施例中，如图2所示，沟槽热管为圆柱形结构(中部具有通孔)，将热管通过夹紧装置固定在超声抛光平台上。

本实施例中，高压水泵压强设为6MPa，将水溶液喷射至混合腔，同时在气压作用下将磨粒吸入混合腔。

本实施例中，磨粒和水溶液在混合腔进行充分混合形成抛光液，随后在喷嘴处抛光液高速喷出。

本实施例中，驱动电机带动偏心轮旋转，偏心轮通过联轴器带动喷射装置旋转，喷嘴处磨粒水射流中心对准沟槽微结构。

本实施例中，喷嘴水射流中心小幅度绕热管轴心旋转，旋转运动能够让热管沟槽微结构全部被喷射到，喷嘴与沟槽热管间距离为0.5-2mm(即图1中喷嘴右端与沟槽热管左端面间的距离)。

本实施例中，磨粒是直径为0.5-50μm的氧化铝，抛光液中纳米磨粒含量为5-20％。

本实施例中，超声频率在一定范围内变化时，流场内部绝对压力差值发生变化，这将直接影响空化作用，从而影响工件表面的抛光效果。采用20kHz的超声频率分别抛光三次。

本实施例中，设置装置稳定抛光时长，完成抛光。

下面通过实施例和两个对比例对本发明作进一步说明。

(1)实施例

采用超声辅助纳米水射流的复合抛光方法，配置纳米氧化铝磨粒含量为5～20％的抛光液，设置超声装置频率为20kHz，抛光时长为1h，通过电子显微镜观察抛光表面。

(2)对比例1

采用纳米水射流的抛光方法，配置纳米氧化铝磨粒含量为5-20％的抛光液，抛光时长为1h，通过电子显微镜观察抛光表面。

(3)对比例2

采用超声振动的方法，设置超声装置频率为20Kw，抛光时长为1h，通过电子显微镜观察抛光表面。

表面抛光结果如下表所示。

	抛光方法	超声频率	抛光时长	抛光效果
					实施例	复合抛光	20kHz	1h	光亮平整
对比例1	磨粒水射流抛光	0	1h	较平整
					对比例2	超声振动抛光	20kHz	1h	较粗糙

本发明复合抛光方法使沟槽管道结构尺寸偏差从150μm降到30μm以内，表面粗糙度从20μm降到5μm以内，抛光表面光亮平整；磨粒水射流抛光有一定效果，但熔渣等大颗粒附着物抛光效果不好，同样单一超声振动抛光去除效果不好。

实验结果表明，本发明复合抛光方法对大长径比复杂沟槽热管内表面抛光效果大大优于磨粒水射流和超声振动抛光方法，复合抛光方法抛光沟槽热管具有明显优势。

综上，本发明提出的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光方法及装置能够实现抛光一致性、抛光效率高以及抛光质量好的目标。

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)

1.一种超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置，其特征在于，包括：驱动装置、喷射装置、超声装置(11)和超声抛光平台(12)，沟槽热管(10)通过夹紧装置(8)固定在超声抛光平台(12)上，所述驱动装置与喷射装置相连，用于驱动喷射装置进行偏心旋转；所述喷射装置用于形成抛光液，并在旋转运动下将抛光液喷射到沟槽热管(10)内表面上，对沟槽热管(10)内表面进行抛光；所述超声装置(11)固定在超声抛光平台(12)上，产生的超声振动作用于喷射到沟槽热管(10)内表面的抛光液上，实现对沟槽热管(10)待加工表面的高效复合抛光。

2.根据权利要求1所述的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置，其特征在于，所述抛光液为由磨料和水混合而成的磨粒抛光液。

3.根据权利要求1或2所述的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置，其特征在于，所述喷射装置包括壳体内部具有的混合腔(6)以及与混合腔(6)相连通的磨粒箱(4)、高压水泵(5)和喷嘴(7)，所述高压水泵(5)设置在壳体后端一侧，用于将水溶液喷射到混合腔(6)中，形成水射流；所述磨粒箱(4)设置在壳体后端另一侧，用于将磨粒输送到混合腔(6)内与水射流混合，形成抛光液；所述喷嘴(7)设置在壳体前端，用于将抛光液以磨粒水射流的形式喷射出。

4.根据权利要求3所述的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置，其特征在于，所述驱动装置包括驱动电机(1)、偏心轮(2)和联轴器(3)，驱动电机(1)的电机轴与偏心轮(2)连接，偏心轮(2)通过联轴器(3)与喷射装置的壳体后端连接，驱动电机(1)的电机轴的中轴线与联轴器(3)的中轴线进行偏心设置，喷嘴(7)的中轴线与联轴器(3)的中轴线同轴；通过驱动电机(1)驱动偏心轮(2)旋转，进而带动喷射装置绕沟槽热管(10)的轴心进行旋转，喷嘴(7)处喷射出的磨粒水射流中心对准沟槽热管(10)内的微结构。

5.根据权利要求4所述的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置，其特征在于，所述喷嘴(7)与沟槽热管(10)间的距离为0.5-2mm。

6.根据权利要求1所述的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置，其特征在于，还包括供电装置，用于对超声装置(11)供电。

7.根据权利要求3所述的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置，其特征在于，所述磨粒为纳米磨粒，其采用直径为0.5-50μm的氧化铝，所述抛光液中磨粒含量为5-20％。

8.一种如权利要求1-7任意一项权利要求所述的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面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、将沟槽热管(10)通过夹紧装置(8)固定在超声抛光平台(12)上，利用高压水泵(5)对水溶液加压喷射到混合腔(6)中形成水射流后，通过磨粒箱(4)将纳米磨粒输送到混合腔(6)内与水射流混合，由水射流带动磨粒混合加速，形成磨粒水射流，并通过喷嘴(7)将磨粒水射流喷射到沟槽热管(10)内表面上进行抛光加工，利用流场带动磨粒在工件表面相互冲击与剪切作用实现材料去除；

步骤二、在加工过程中，通过驱动电机(1)和偏心轮(2)驱动喷嘴(7)小幅度地绕沟槽热管(10)的轴心进行旋转，使喷嘴(7)中心对准沟槽热管(10)内的微结构处，通过旋转运动使沟槽热管(10)的微结构全部被喷射到，基于喷嘴(7)中心的速度更高、磨粒数量更多，更多的磨粒进入沟槽结构进行材料去除；

步骤三、在加工过程中，同时启动超声装置(11)，产生的超声振动作用于沟槽热管(10)内的磨粒流上，利用超声振动能量与流体动能相结合，从而实现对沟槽热管(10)待加工表面的高效复合抛光。

9.根据权利要求8所述的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置的抛光方法，其特征在于，在喷嘴(7)处高速射出的抛光液的磨粒以一定角度冲击沟槽热管(10)内时，对沟槽热管(10)内表面产生垂直和水平两个方向的作用，垂直方向上作用力对沟槽热管(10)内表面产生撞击和挤压作用，水平方向作用力对沟槽热管(10)内表面的粗糙凸峰进行剪切作用，两方面的综合实现沟槽热管(10)内表面的抛光。

10.根据权利要求9所述的超声辅助纳米磨粒水射流沟槽热管内表面复合抛光装置的抛光方法，其特征在于，所述步骤三中，在超声振动作用下，一方面振动辐射面直接驱动液体中的磨粒沿振动方向高速运动，对沟槽热管(10)内表面产生冲击；另一方面溶液在高速流动、撞击下产生大量空化泡，空化泡在超声场作用下生长并不断聚集声场能量，空化泡随液体流动到刚性壁面附近时，远离壁面一侧的压强相对较大，压差作用下体积较大的空化泡上部开始整体向内凹陷，体积急剧减小直至溃灭，溃灭时将收集的声能量瞬间释放，在局部区域产生较大的瞬时压强和流速，撞击周围流场中的磨粒进而冲击壁面，产生微去除作用，超声场极大促进空化泡在近壁面发生膨胀-压缩-溃灭的周期性空化作用，使沟槽热管(10)内表面产生微塑性变形和微破损去除。

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