专利名称：软性磨粒流逐层加工装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种软性磨粒流逐层加工装置。
背景技术：
在模具加工中，抛光作为产品加工的最后一道工序被广泛应用，但对于沟、槽、孔、 棱柱、棱锥、窄缝等抛光工具达不到的结构化表面仍无法加工。液-固两相软性磨粒流加工方法是利用软性磨粒流在被加工工件的结构化表面形成湍流流动，配以约束模块，使被加工表面成为流道壁面的一部分，形成磨粒流道，磨粒流流过该通道时，对壁面的粗糙处进行切削，实现结构化表面的无工具化精密加工。加工流道的底座设计，约束流道和约束模块的设计与安装，软性磨粒流的输出、循环、回收都是重要部分。固-液两相软性磨粒流加工是以磨粒流的湍流理论为依据，以磨粒间的相互碰撞及磨粒与壁面间的碰撞为基础，对磨粒进行动力学分析，利用湍流流场中磨粒对壁面的切削作用，对被加工工件壁面粗糙处进行精密加工。该技术有效弥补了传统光整加工方法对结构化表面加工的劣势，同时也能够对其他复杂工件的表面加工，并且能够实现自动控制。在目前软性磨粒流加工系统中，磨粒流在泵的作用下以一定的速度进入加工流道，流体达到一定速度后可达到湍流流态，磨粒在湍流的作用下无序的撞击加工表面。基于前期实验结果可以发现此种加工存在一些问题①在加工的前5-10小时内，加工工件表面的粗糙度有明显的降低，但在其后的加工中粗糙度不仅没有下降反而在某些加工区域有上升的趋势。②在显微成像设备观察下加工表面的加工纹理明显并大多与流体流动方向一致，无序性不够明显，导致在非流动方向上的粗糙度值偏高。
发明内容
为克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种能提高磨粒利用率，避免磨粒对表面的不必要刮擦，保证粗糙表面凸出部分首先被加工，加工精度稳步提高的软性磨粒流逐层加工装置。软性磨粒流逐层加工装置，包括箱体和通过紧固螺钉与箱体连接的盖板，所述的箱体上设有允许无磨粒流体进入箱体内腔的溶液入口和允许流体流出箱体内腔的出液通道，所述的出液通道中设有允许磨粒流流经的磨粒流通道，所述的磨粒流通道的管身位于所述的出液通道内部，所述的管身与所述的出液通道同轴设置，所述的磨粒流通道的入口外露于所述的出液通道，所述的出液通道的出口处形成外层为无磨粒流体、内部为磨粒流体的复合环状混合流体；所述的出液通道与内置有待加工工件的加工流道连接。进一步，所述的溶液入口包括低粘度切削液入口和增稠剂入口 ；所述的盖板上设有电机和与电机连动、均勻搅拌切削液和增稠剂的螺旋搅拌棒， 所述的电机通过传动齿轮箱与所述的螺旋搅拌棒连接。进一步，所述的低粘度切削液入口和增稠剂入口均设有防止液体倒流、调节液体流量的流量调节阀，所述的磨粒流通道的入口设有单向阀。进一步，所述的盖板与箱体之间设有密封垫。本发明的工作过程为在加工开始前先开启搅拌装置，通入两种不同粘度流体配合成溶液，起初要求溶液粘性偏大，所以驱动增稠剂的泵流量调节大一些，待溶液充满流道之后，再打开驱动磨粒流的泵使磨粒流通入溶液管路，待流体稳定后，通过调节泵的流量逐渐降低外层溶液的粘度，同时检测外层混合溶液的粘度与磨粒流粘度的大小关系，由于流量的调节，流速也会相应发生变化，此时为保证伴随射流的速度差复合加工要求，相应也要调节磨粒流的流量。加工可分为两种方式进行，其一是不断调节外层溶液粘度，使之由高到低反复进行，在此种加工方式下，加工表面会受到磨粒由浅到深的反复切割；其二是找到适合加工的粘度值，使加工表面的某些凸出部分进入磨粒流的扩散范围内，使它们持续受到加工效应。 对于流出加工流道的磨粒流体，先进行磨粒沉降过滤，磨粒回收继续配制成一定粘度与浓度的磨粒流溶液进行加工，废弃的溶液进行稀释回收，这样保证加工系统中加工材料的反复利用与持续加工。在该装置中采用以下控制加工层的方法构造一种外层为无磨粒粘度可调溶液，内层为粘度小湍流流态的固液两相磨粒流的复合双层流体，内层磨粒流中磨粒在湍流的作用下无序运动，外层流体由于粘性较大湍流不易形成，所以外层流体以层流流态为主。两种流体在进入加工流道前分别位于出液通道和出液通道内的磨粒流通道内，两种流体在进入加工流道后发生接触，同时不同流体之间开始发生扩散现象，由于外层流体密度相对内层流体密度大，所以内层流体受到外层流体的浮力作用，流体所受惯性力与浮力的比例对流体运动起决定性作用，这两种力的对比可以用密度弗汝德数衡量，当密度弗汝德数大时，惯性力起主导作用，因此射流出口起始动量决定射流运动的性质，当密度弗汝德数到达极限无穷大时，浮力为零，即为等密度射流。反之，密度弗汝德数小时，浮力起主导作用，射流性质由浮力决定。通过外层流体粘性的调节可以调节密度弗汝德数的大小，从而控制内层流体向外扩散的程度。两种流体的速度差也影响着流体间的扩散程度。内外两层流体的速度均可调节的特性使混合流体形成伴随射流流态，伴随流的存在，能较大地抑制中心射流的向外扩张，随着伴随流速度的增大，伴随流的抑制作用愈强，故射流的扩张角愈小。和自由射流一样，伴随流卷吸量与轴线到喷口距离呈线性关系，伴随流能增强射流卷吸能力，伴随流体速度越大，射流沿程卷吸量也越大。在本发明中磨粒流在外层伴随流和密度差引起的浮力的作用下，射流扩张角会比射入静止环境中小，同时由于浮力作用中心磨粒流溶液向周围的扩散作用会随密度差增大而减小。加工开始后首先设置外层流体为大粘度溶液，此时湍流形态的磨粒流在伴随流和浮力的作用下基本限制在中心区流动，有少数进入外层溶液的磨粒由于密度大会下沉， 但此时磨粒速度会由于周围流体粘度突然升高而大幅度降低，不会对加工表面造成切削影响。只有极少数磨粒会接触到加工表面，并且磨粒接触的是加工表面最凸出部分。一段时间过后待流动趋于平稳后调节外层流体的粘度，使之逐渐减小，这时浮力作用逐渐减小，射流的扩散程度变大，射流厚度也随之变大，具有湍流流态的磨粒更加接近教工表面，当粘度调节到一定数值时，加工表面最凸出部在磨粒的作用下产生磨损，随着加工的进行，粘度不断减小，加工表面的凸出部分都已此种方式逐层地参与到加工中，此种加工方法可以有效提高加工磨粒的利用率，保证加工加工精度稳步提高。本发明的有益效果在于通过外部调节泵流量控制加工层，提高磨粒利用率，避免磨粒对表面的不必要刮擦，保证粗糙表面凸出部分首先受到加工，加工精度稳步提高；加工过程中可以控制加工效率和加工区域，可实现工程自动化。
图1是本发明装置的结构组成图。图2是本发明的主体单元结构示意图。图3是本发明箱体结构示意图。图4是箱体剖开后的示意图。图5是本发明带有搅拌棒的盖板结构示意图。图6是本发明中的系统流程图。
具体实施例方式参照附图，进一步说明本发明软性磨粒流逐层加工装置，包括箱体4和通过紧固螺钉6与箱体4连接的盖板1， 所述的箱体4上设有允许无磨粒流体进入箱体4内腔的溶液入口和允许流体流出箱体内腔的出液通道10，所述的出液通道中设有允许磨粒流流经的磨粒流通道14，所述的磨粒流通道14的管身位于所述的出液通道10内部，所述的管身与所述的出液通道15同轴设置，所述的磨粒流通道14的入口 9外露于所述的出液通道15，所述的出液通道15的出口 3处形成外层为无磨粒流体、内部为磨粒流体的复合环状混合流体；所述的出液通道15与内置有待加工工件的加工流道连接。所述的溶液入口包括低粘度切削液入口 11和增稠剂入口 12 ；所述的盖板1上设有电机5和与电机5连动、均勻搅拌切削液和增稠剂的螺旋搅拌棒3，所述的电机5通过传动齿轮箱13与所述的螺旋搅拌棒3连接。所述的低粘度切削液入口 12和增稠剂入口 11均设有防止液体倒流、调节液体流量的流量调节阀7，所述的磨粒流通道14的入口 9设有单向阀2。所述的盖板1与箱体4之间设有密封垫。本发明的工作过程为在加工开始前先开启搅拌装置，通入两种不同粘度流体配合成溶液，起初要求溶液粘性偏大，所以驱动增稠剂的泵流量调节大一些，待溶液充满流道之后，再打开驱动磨粒流的泵使磨粒流通入溶液管路，待流体稳定后，通过调节泵的流量逐渐降低外层溶液的粘度，同时检测外层混合溶液的粘度与磨粒流粘度的大小关系，由于流量的调节，流速也会相应发生变化，此时为保证伴随射流的速度差复合加工要求，相应也要调节磨粒流的流量。加工可分为两种方式进行，其一是不断调节外层溶液粘度，使之由高到低反复进行，在此种加工方式下，加工表面会受到磨粒由浅到深的反复切割；其二是找到适合加工的粘度值，使加工表面的某些凸出部分进入磨粒流的扩散范围内，使它们持续受到加工效应。对于流出加工流道的磨粒流体，先进行磨粒沉降过滤，磨粒回收继续配制成一定粘度与浓度的磨粒流溶液进行加工，废弃的溶液进行稀释回收，这样保证加工系统中加工材料的反复利用与持续加工。在该装置中采用以下控制加工层的方法构造一种外层为无磨粒粘度可调溶液，内层为粘度小湍流流态的固液两相磨粒流的复合双层流体，内层磨粒流中磨粒在湍流的作用下无序运动，外层流体由于粘性较大湍流不易形成，所以外层流体以层流流态为主。两种流体在进入加工流道前分别位于出液通道和出液通道内的磨粒流通道内，两种流体在进入加工流道后发生接触，同时不同流体之间开始发生扩散现象，由于外层流体密度相对内层流体密度大，所以内层流体受到外层流体的浮力作用，流体所受惯性力与浮力的比例对流体运动起决定性作用，这两种力的对比可以用密度弗汝德数衡量，当密度弗汝德数大时，惯性力起主导作用，因此射流出口起始动量决定射流运动的性质，当密度弗汝德数到达极限无穷大时，浮力为零，即为等密度射流。反之，密度弗汝德数小时，浮力起主导作用，射流性质由浮力决定。通过外层流体粘性的调节可以调节密度弗汝德数的大小，从而控制内层流体向外扩散的程度。两种流体的速度差也影响着流体间的扩散程度。内外两层流体的速度均可调节的特性使混合流体形成伴随射流流态，伴随流的存在，能较大地抑制中心射流的向外扩张，随着伴随流速度的增大，伴随流的抑制作用愈强，故射流的扩张角愈小。和自由射流一样，伴随流卷吸量与轴线到喷口距离呈线性关系，伴随流能增强射流卷吸能力，伴随流体速度越大，射流沿程卷吸量也越大。在本发明中磨粒流在外层伴随流和密度差引起的浮力的作用下，射流扩张角会比射入静止环境中小，同时由于浮力作用中心磨粒流溶液向周围的扩散作用会随密度差增大而减小。加工开始后首先设置外层流体为大粘度溶液，此时湍流形态的磨粒流在伴随流和浮力的作用下基本限制在中心区流动，有少数进入外层溶液的磨粒由于密度大会下沉， 但此时磨粒速度会由于周围流体粘度突然升高而大幅度降低，不会对加工表面造成切削影响。只有极少数磨粒会接触到加工表面，并且磨粒接触的是加工表面最凸出部分。一段时间过后待流动趋于平稳后调节外层流体的粘度，使之逐渐减小，这时浮力作用逐渐减小，射流的扩散程度变大，射流厚度也随之变大，具有湍流流态的磨粒更加接近教工表面，当粘度调节到一定数值时，加工表面最凸出部在磨粒的作用下产生磨损，随着加工的进行，粘度不断减小，加工表面的凸出部分都已此种方式逐层地参与到加工中，此种加工方法可以有效提高加工磨粒的利用率，保证加工加工精度稳步提高。本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
权利要求
1.软性磨粒流逐层加工装置，其特征在于包括箱体和通过紧固螺钉与箱体连接的盖板，所述的箱体上设有允许无磨粒流体进入箱体内腔的溶液入口和允许流体流出箱体内腔的出液通道，所述的出液通道中设有允许磨粒流流经的磨粒流通道，所述的磨粒流通道的管身位于所述的出液通道内部，所述的管身与所述的出液通道同轴设置，所述的磨粒流通道的入口外露于所述的出液通道，所述的出液通道的出口处形成外层为无磨粒流体、内部为磨粒流体的复合环状混合流体；所述的出液通道与内置有待加工工件的加工流道连接。
2.如权利要求1所述的软性磨粒流逐层加工装置，其特征在于所述的溶液入口包括低粘度切削液入口和增稠剂入口；所述的盖板上设有电机和与电机连动、均勻搅拌切削液和增稠剂的螺旋搅拌棒，所述的电机通过传动齿轮箱与所述的螺旋搅拌棒连接。
3.如权利要求2所述的软性磨粒流逐层加工装置，其特征在于所述的低粘度切削液入口和增稠剂入口均设有防止液体倒流、调节液体流量的流量调节阀，所述的磨粒流通道的入口设有单向阀。
4.如权利要求3所述的软性磨粒流逐层加工装置，其特征在于所述的盖板与箱体之间设有密封垫。
全文摘要
软性磨粒流逐层加工装置，包括箱体和通过紧固螺钉与箱体连接的盖板，箱体上设有允许无磨粒流体进入箱体内腔的溶液入口和允许流体流出箱体内腔的出液通道，出液通道中设有允许磨粒流流经的磨粒流通道，磨粒流通道的管身位于出液通道内部，管身与出液通道同轴设置，磨粒流通道的入口外露于出液通道，出液通道的出口处形成外层为无磨粒流体、内部为磨粒流体的复合环状混合流体；出液通道与内置有待加工工件的加工流道连接。本发明具有能提高磨粒利用率，避免磨粒对表面的不必要刮擦，保证粗糙表面凸出部分首先被加工，加工精度稳步提高的优点。
文档编号B24C5/00GK102179772SQ20111005218
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月4日 优先权日2011年3月4日
发明者池永为, 袁巧玲, 计时鸣, 谭大鹏 申请人:浙江工业大学