粘弹流体磨粒两相流磨粒滑移速度测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及机械工程中的流固两相流体和磨料流加工技术领域，具体是一种能够实现粘弹流体磨粒两相流中对磨粒相滑移速度进行测量的装置和方法。

背景技术：

在磨料流光整加工（Abrasive Flow Machining，AFM）领域，流体相为粘度较高的流动性高分子聚合物材料，是典型的非牛顿流体，在流动的过程中会在与其接触的壁面处产生相对运动，称为壁面滑移，而与普通的牛顿型流体在壁面处的流速为零完全不同，壁面滑移是大量非牛顿型粘弹性高分子聚合物流体在流动时的固有现象。在磨料流光整加工领域中，使用粘弹性流体与磨粒组成的流体磨料对弯曲的管件内孔或细小狭缝等封闭区域进行光整加工，正是利用粘弹性流体的壁面滑移特性来带动磨粒在壁面以一定的速度滑移，对这些零件的表面进行光整加工，降低表面粗糙度。随着制造业的发展，对光整加工时的加工精度要求越来越高，要求对加工的工艺参数进行严格控制；依据光整加工理论，光整加工的材料去除量与所使用的介质密切相关、与介质在待光整表面的法向压力和相对速度均成正比，对粘弹流体与磨粒组成的流体磨料，磨粒的滑移速度与AFM的材料去除量成正比，明确流体磨料中磨粒的滑移速度对提高AFM的光整加工精度、扩大磨料流加工技术的使用范围，使AFM光整加工向精密、超精密的方向发展，促进我国制造业自主创新能力的提升具有重要的意义。

粘弹流体与磨粒组成的两相流中，粘弹流体相的滑移速度通过多年的研究已具有一些具体的测量方法。其中，通过示踪粒子跟踪实验法进行测量被广泛采用；而磨粒相由于在光整加工过程中对壁面的微切削、滑擦和犁耕作用，其速度与粘弹流体的速度不一致，而低于粘弹流体的滑移速度。由于流体磨料加工的材料主要为金属材料和硬脆非金属材料，很难测量磨粒相的滑移速度。目前，只在申请号为CN201510981780.7的专利中给出了一种气固两相流中颗粒滑移速度的方法，以及在申请号为CN201310737293.7的专利给出了一种微尺度下测量滑移速度的装置与测量方法，磨粒的速度测试方法与本发明均不相同，其它对粘弹流体与磨粒两相流中磨粒相滑移速度的测试未见明确的报道。

已有的研究表明粘弹性流体磨粒两相流在光整加工试样时，在试样表面会留下与两相流流动方向一致的划痕；这样在粘弹性流体磨粒两相流加工试样时，使试样以一已知转速旋转，在复合运动的作用下，试样表面的划痕将向与试样旋转的反方向偏转，划痕的偏转角与试样的转速和磨粒在工件表面的滑移速度将满足一定的数学关系；通过测量偏转角度，由已知的试样旋转速度，即可得到磨粒微切削时的滑移速度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：如何解决粘弹性流体磨粒两相流光整加工过程中磨粒相滑移速度难测量的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种粘弹流体磨粒两相流磨粒滑移速度的测量装置，包括机架、安装在机架上的推料缸、安装在推料缸上的推料活塞、安装在推料缸一侧的加料筒、给推料活塞提供动力的液压缸、固定在机架上处于推料缸底部的挤料圆管、安装在机架上处于挤料圆管下方的移动工作台、推动移动工作台上下移动的第一电机、安装在移动工作台上用于夹取圆柱形试样的夹盘、带动夹盘转动的第二电机，挤料圆管的内腔与推料缸连通，安装时圆柱形试样的中心线与第二电机的回转轴线重合，挤料圆管的中心线与第二电机的回转轴线重合。

一种粘弹流体磨粒两相流磨粒滑移速度的测量方法，按照如下的步骤进行：

步骤一、将半径为r的圆柱形试样夹持在测量装置的夹盘上，通过加料筒在推料缸中装满粘弹性流体磨粒两相流组成的流体磨料；

步骤二、通过第一电机提升移动工作台，将安装在夹盘上的圆柱形试样头部移动到挤料圆管内；

步骤三、液压缸以确定的工作压力和流量推动推料活塞，将流体磨料沿圆柱形试样外圆面和挤料圆管内表面构成的圆环形流道挤出，圆柱形试样表面形成与试样轴线方向一致的划痕；

步骤四、启动第二电机，使其以确定的转速ω正向或逆向旋转，该转速即为圆柱形试样的旋转速度，圆柱形试样表面形成偏转划痕；

步骤五、在第二电机旋转角度α后，液压缸停止工作，流体磨料停止挤出；

步骤六、通过第一电机使移动工作台下降，将试样从圆环形流道内移出，从夹盘上取出圆柱形试样；

步骤七、获取试样圆柱表面的图像，通过图像处理的方法，将试样的圆柱面SEM图像转换为展开的平面图像；

步骤八、通过图像处理和边缘检测，求取试样轴线方向的划痕与偏转划痕间的夹角，即为划痕偏转角θ；

步骤九、通过速度矢量的合成，由已知的圆柱形试样旋转速度ω，即可得到粘弹流体磨粒两相流光整加工时磨粒的滑移速度V_slip，由式进行计算。

作为一种优选方式：步骤四中，使圆柱形试样表面的划痕沿圆柱形试样轴向的方向偏转。

本发明的有益效果是：通过测量光整加工时试样表面切削划痕偏转角的方法，结合试样的旋转速度，间接计算得到磨粒的壁面滑移速度，方法紧凑，试验步骤简单；划痕偏转角的获取采用边缘检测的图像处理方法，技术成熟，角度求取方法简单易行；提供了一种简单有效的测量粘弹性流体磨料光整加工时磨粒壁面滑移速度的测量方法。

附图说明

图1是本发明所使用的装置结构示意图；

图2是本发明速度矢量合成的示意图；

其中，1、第一电机，2、第二电机，3、夹盘，4、挤料圆管，5、加料筒，6、液压缸，7、推料活塞，8、推料缸，9、圆柱形试样，10、移动工作台，11、机架，V_slip-颗粒滑移速度， ω-试样转速，r-试样半径，θ-划痕偏转角。

具体实施方式

实施方式一：

一种粘弹流体磨粒两相流磨粒滑移速度的测量装置，如图1所示，包括机架、安装在机架上的推料缸、安装在推料缸上的推料活塞、安装在推料缸一侧的加料筒、给推料活塞提供动力的液压缸、固定在机架上处于推料缸底部的挤料圆管、安装在机架上处于挤料圆管下方的移动工作台、推动移动工作台上下移动的第一电机、安装在移动工作台上用于夹取圆柱形试样的夹盘、带动夹盘转动的第二电机，挤料圆管的内腔与推料缸连通，安装时圆柱形试样的中心线与第二电机的回转轴线重合，挤料圆管的中心线与第二电机的回转轴线重合。第一电机为升降电机，第二电机为旋转步进电机。

一种粘弹流体磨粒两相流磨粒滑移速度的测量方法，按照如下步骤进行：

（1）启动测量装置并初始化，使推料活塞位于推料缸上方限位的位置，移动工作台位于下方限位的位置，旋转步进电机复位；

（2）通过加料筒，在料缸中装满粘弹性流体磨料；

（3）将半径为r的圆柱形试样夹持在夹盘上；

（4）启动升降电机，使移动工作台向上平动，将试样移动到测量装置的挤料圆管内；

（5）启动测量装置的液压缸，在确定的工作压力和流量下带动推料活塞使流体磨料沿挤料圆管和圆柱形试样构成的圆环形流道挤出；

（6）在观察到圆环形流道有流体磨料挤出时，启动旋转步进电机，使试样以确定的转速ω正向或逆向旋转；

（7）在旋转步进电机旋转角度α后，液压缸停止工作，流体磨料停止挤出；

（8）启动升降电机，使移动工作台向下平动，将试样从测量装置的挤料圆管内移出，从夹盘上取下试样；

（9）使用扫描电镜获取该试样圆柱表面的SEM图像，通过图像处理的方法，将试样的圆柱面SEM图像，转换为展开的平面SEM图像；

（10）通过图像的边缘检测，求取平面SEM图像中试样轴向划痕与偏转划痕间的平均夹角，记为划痕偏转角θ；

（11）通过图2所示速度矢量的合成方法，由已知的试样旋转速度ω，由式可得到粘弹性流体磨料光整加工时磨粒的壁面滑移速度V_slip。

实施方式二：

一种粘弹流体磨粒两相流磨粒滑移速度的测量装置及其测量方法，在实施方式一的基础上，去掉移动工作台升降装置中的升降电机，采用手动方式移动工作台，将试样移动到测试系统的挤料圆管内后，进行其余的测试步骤。

实施方式三：

一种粘弹流体磨粒两相流磨粒滑移速度的测量装置及其测量方法，在实施方式一的基础上，采用数字显微镜获取试样表面的划痕图像，进行图像处理，求取磨粒的壁面滑移速度。