专利名称：基于流场约束型液动磨粒流的表面光整加工方法
技术领域：
本发明涉及一种机械零件结构化表面光整加工方法，特别涉及一种能够不使用抛光工具，而利用流场约束型液动磨粒流实现对机械零件结构化表面光整加工的方法。
背景技术：
由沟、槽、孔、棱柱、棱锥、窄缝等异型面与平面或曲面构成的表面称为结构化表面，在各类精密工件的制造中，越来越多地对结构化表面的表面粗糙度提出高的要求，例如精密的注塑模具，为保证注塑质量，不但对涉及注塑件表面的模具面粗糙度有极高的要求，甚至对于注塑流道的表面粗糙度也有很高的要求。
结构化表面大量存在于模具制造领域，在模具加工中为了消除加工刀具和电火花加工在模具表面留下的痕迹，获得光滑的表面，光整加工(主要是抛光)成为必不可少的重要工艺，对于大面积的平面和曲率变化平缓的自由曲面一般首先采用机械化的抛光方法，然后辅助以人工抛光，实现表面的光整加工，但是，对于模具的结构化表面而言，由于其尺寸小且结构特殊，抛光工具难以很好地接触到其表面进行加工，对这些工具难以接触的表面，目前尚缺乏有效的光整加工、尤其是镜面加工方法，即使使用手工操作也不能很好地解决这一问题。因此，结构化表面的光整加工是一个亟待解决的技术难题，尤其对于模具结构化表面的光整加工，更是急需提供有效的解决方法。
发明内容为了克服已有的机械化抛光方法的不能处理尺寸小且结构特殊的表面的不足，本发明提供一种能够有效处理尺寸小且结构特殊的结构化表面的光整加工的基于流场约束型液动磨粒流的表面光整加工方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于流场约束型液动磨粒流的表面光整加工方法，主要包括以下步骤a、在被加工工件的结构化表面上通过夹具配置约束模块，约束模块和被加工工件的结构化表面构成液-固两相磨粒流的流道；b、将所述流道与磨粒流循环系统连接；c、启动磨粒流循环系统，在流道形状的约束下，在流道内形成高速循环流动的流场约束型液动磨粒流，对被加工工件的结构化表面进行冲蚀微切削。
作为优选的一种方案在所述的a中，约束模块与被加工工件的结构化表面的形状配合，使得流经的液-固两相磨粒流在流道中形成具有高效磨粒冲蚀作用的湍流涡旋流场。
作为优选的再一种方案在所述a中，使用清洗剂冲洗流道。
作为优选的另一种方案在所述的c中，通过磨粒流循环系统的变频调速器和隔膜泵调整液-固两相磨粒流的流速。
作为优选的再另一种方案在所述的c中，更换不同的液-固两相磨粒流的物性，包括液体的成分、磨粒的尺寸和材料、磨粒的浓度；每次更换液-固两相磨粒流时，使用清洗剂冲洗旧的磨粒流。
本发明的技术构思为利用液动磨粒流良好的流动特性，通过流道的导向，使得磨粒流可以方便地流动到结构化表面，并与其表面形成良好的接触，解决了结构化表面难以与加工工具接触，因而无法使用加工工具进行表面光整加工的技术难题。
由于磨粒流过被加工面时，每个磨粒都会反复多次撞击加工面，并且在流道中的整个表面是同时被加工，因此具有高的加工效率；利用约束模块构型的设计，可以控制磨粒流的导流路线及流场形态，从而获得流场约束型液动磨粒流，通过对磨粒流的流速控制，在被加工工件的结构化表面附近实现了湍流涡旋流场，因此，被加工表面可以获得良好的纹理随机性和表面粗糙度。
湍流涡旋流场为流体力学中的术语，湍流又称紊流，是一种不规则流动现象，流道中流速增大到一定的数值后，流体的流动即由层流状态变为湍流状态，湍流中具有涡旋，因此便可获得湍流涡旋流场。其作用在于液-固两相流的湍流涡旋流场中的颗粒与壁面撞击的方向是随机的，微切削的纹理就是随机的，只有纹理满足随机性，才能实现镜面级加工。
本发明的有益效果主要表现在1、能够有效处理尺寸小且结构特殊的结构化表面的光整加工；2、加工过程具有自动化；3、加工效率高，加工表面可以实现镜面级的表面粗糙度；4、由于磨粒流被封闭在循环系统内，不会外泄，因此加工环境环保性好。
图1是被加工工件与约束模块的配合关系示意图。
图2是本发明的基于流场约束型液动磨粒流的表面光整加工系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1、图2，一种基于流场约束型液动磨粒流的表面光整加工方法，主要包括以下步骤a、在被加工工件4的结构化表面2上通过夹具配置约束模块5，约束模块5和被加工工件4的结构化表面2构成液-固两相磨粒流的流道3；b、将所述流道3与磨粒流循环系统连接；c、启动磨粒流循环系统，在流道3形状的约束下，在流道3内形成高速循环流动的流场约束型液动磨粒流，对被加工工件4的结构化表面2进行冲蚀微切削。
在所述的a中，约束模块5与被加工工件4的结构化表面2的形状配合，使得流经的液-固两相磨粒流在流道中形成具有高效磨粒冲蚀作用的湍流涡旋流场。
在所述a中，使用清洗剂冲洗流道3。
在所述的c中，通过磨粒流循环系统的变频调速器10和隔膜泵9调整液-固两相磨粒流的流速。加工时间需要根据加工效率进行定时控制。
在所述的c中，更换不同的液-固两相磨粒流的物性，包括液体的成分、磨粒的尺寸和材料、磨粒的浓度；每次更换液-固两相磨粒流时，使用清洗剂冲洗旧的磨粒流。
本实施例的具体工作过程为一种基于流场约束型液动磨粒流的表面光整加工方法，包括以下步骤
a、在被加工工件4的结构化表面2上通过夹具1配置约束模块5，被加工工件4的结构化表面2与5两者组合构成液-固两相磨粒流的流道3；b、通过导流模块6和8将流道3与磨粒流循环系统的管路15连接；c、利用磨粒流循环系统中的隔膜泵9，实现对由液体和磨粒构成的液-固两相磨粒流的驱动，进而在流道3的壁面的约束下而形成高速循环流动的流场约束型液动磨粒流，该磨粒流流过流道3时，对其表壁面进行冲蚀微切削，从而实现对被加工工件4的结构化表面2的光整加工。
磨粒流循环系统由隔膜泵9，变频调速器10，节流阀11，存储液-固两相磨粒的储液箱12，搅拌器13，吸附加工屑的磁性吸附器14，管路15，导流模块6和8等组成。夹具1和被加工工件4通过固定装置7被固定在工作台16上，约束模块5通过螺栓6固定在夹具1上。节流阀的作用是在拆卸工件时防止储液箱中的液-固两相流外溢。
a中配置的约束模块5的构型必须根据被加工工件4的结构化表面2的形状进行针对性设计，约束模块5与被加工工件4的结构化表面2组合构成的流道3可以方便地使得流经的液-固两相磨粒流形成具有高效磨粒冲蚀作用的湍流涡旋流场，以提高加工效率和改善加工纹理。
在a中，形成流道3后，使用清洗剂冲洗所述的流道3及管路15。
在c中需要通过变频调速器10和隔膜泵9调整液-固两相磨粒流的流速，以控制被加工工件4的结构化表面2附近的湍流涡旋流场形态，以便得到满意的加工效果。c的加工时间以10分钟为一个加工阶段，根据加工需要进行定时控制，并可以选择1个或多个加工阶段。
c可以反复多次进行，经过若干个加工阶段可更换一次液-固两相磨粒流以调整其物性，包括液体的成分、磨粒的尺寸和材料、磨粒的浓度等，磨粒的尺寸和浓度应随加工表面粗糙度数值的下降而逐步下降，每次更换液-固两相磨粒流时，应使用清洗剂将旧的磨粒流冲洗干净。
权利要求
1.一种基于流场约束型液动磨粒流的表面光整加工方法，主要包括以下步骤a、在被加工工件的结构化表面上通过夹具配置约束模块，约束模块和被加工工件的结构化表面构成液-固两相磨粒流的流道；b、将所述流道与磨粒流循环系统连接；c、启动磨粒流循环系统，在流道形状的约束下，在流道内形成高速循环流动的流场约束型液动磨粒流，对被加工工件的结构化表面进行冲蚀微切削。
2.如权利要求1所述的基于流场约束型液动磨粒流的表面光整加工方法，其特征在于在所述的a中，约束模块与被加工工件的结构化表面的形状配合，使得流经的液-固两相磨粒流在流道中形成具有高效磨粒冲蚀作用的湍流涡旋流场。
3.如权利要求1或2所述的基于流场约束型液动磨粒流的表面光整加工方法，其特征在于在所述a中，使用清洗剂冲洗流道。
4.如权利要求3所述的基于流场约束型液动磨粒流的表面光整加工方法，其特征在于在所述的c中，通过磨粒流循环系统的变频调速器和隔膜泵调整液-固两相磨粒流的流速。
5.如权利要求3所述的基于流场约束型液动磨粒流的表面光整加工方法，其特征在于在所述的c中，更换不同的液-固两相磨粒流的物性，包括液体的成分、磨粒的尺寸和材料、磨粒的浓度；每次更换液-固两相磨粒流时，使用清洗剂冲洗旧的磨粒流。
全文摘要
一种基于流场约束型液动磨粒流的表面光整加工方法，主要包括以下步骤a、在被加工工件的结构化表面上通过夹具配置约束模块，约束模块和被加工工件的结构化表面构成液－固两相磨粒流的流道；b、将所述流道与磨粒流循环系统连接；c、启动磨粒流循环系统，在流道形状的约束下，在流道内形成高速循环流动的流场约束型液动磨粒流，对被加工工件的结构化表面进行冲蚀微切削。本发明能够有效处理尺寸小且结构特殊的结构化表面的光整加工。
文档编号B24C1/08GK101024273SQ200710067628
公开日2007年8月29日 申请日期2007年3月21日 优先权日2007年3月21日
发明者计时鸣, 张生昌, 张宪, 郑水华, 张利, 袁巧玲, 王杨渝 申请人:浙江工业大学