专利名称：一种模具微细结构表面流体精密加工观测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及流体精密加工领域，尤其是涉及一种模具微细结构表面流体精密加工观测方法及装置。
背景技术：
模具在制造业生产链条中具有不可替代的作用。模具制造生产过程中，为了消除模具表面所残留的机械加工痕迹，对其进行光整加工成为必要的工艺程序，且会占整个模具制造时间的一半以上。现有方法一般需借助光整工具接触或靠近待加工表面，实现对待加工表面的材料去除。随着制造业及其相关支撑技术的不断发展，复杂型腔模具的应用日益广泛，对其所涉及的尺寸微小、非常规几何结构的各种异型表面的精密光整加工技术研发却比较薄弱。由于基于工具接触加工原理的光整加工方法难以应用于模具微细结构表面的精密加工，因此模具微细结构表面的精密光整加工成为亟待解决的工程技术问题。磨粒与粘性流体混合，可构成液固两相磨粒流，磨粒流的流体性质决定其可变化无形且无孔不入。由于磨粒流可形成良好仿形接触，因此在曲面和异型面加工中体现出较大优势。当前主要的磨粒流加工方法主要有挤压珩磨抛光、磨粒水射流抛光、磁流变抛光、 磁射流抛光、电流变液抛光等。这些方法利用磨粒流与加工表面接触时的壁面冲击效应，形成磨粒对表面的微切削实现表面材料去除，达到光整加工效果。但由于上述磨粒流加工方法的固有技术特点，一般不能直接应用于模具微细结构表面的光整加工，或者尚不能获得满意的表面粗糙度。磁流变光整、磁射流光整和电流变液光整等方法仍须借助刚性工具，受工具尺寸限制，无法实现对于微小尺寸的孔、沟、槽、狭缝、曲面的光整加工；磨粒水射流光整方法利用高压高速磨粒流喷射待加工工件表面，借助磨粒高速碰撞的剪切、冲压作用实现光整加工，但射流的直线运动特性使得它难以均勻地触及微细结构表面的各个部位，因此无法与模具微细结构表面形成的良好仿形接触和均勻的加工效果。挤压珩磨抛光和磨料水射流抛光需要对磨料流施加强大的挤压力或喷射动力，工件表面受磨料强力切削或冲击碰撞实现材料去除。虽光整加工效率较高，但在磨料的强力作用下，不能获得理想的表面粗糙度，且会在表面留下明显方向性的加工痕迹。因此， 它们只能用作表面的初级粗抛加工。如果从精抛加工需求问题考虑，解决模具微细结构表面的光整加工问题，尚需提出新的解决方法以实现接近镜面级粗糙度的精密加工效果。
发明内容
为了克服模具微细结构表面流体加工运动规律及其动力学特性研究带来的技术问题，本发明提供一种能够较好模拟模具微细结构表面流体加工条件及状态、操作简便、简单可行、通用性良好的模具微细结构表面流体精密加工观测方法及装置。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是—种模具微细结构表面流体精密加工观测方法，采用基于流体流动相似模化方法，对微细模具结构化表面进行等比例放大，模拟稀疏磨粒流在微细约束流道内的流动状态，采集流道内实时图像数据并进行处理，得到稀疏磨粒流在微细约束流道环境下的分布状态、运动规律、典型流态特征及发展趋势；其中，所述的流体流动相似模化方法是在满足几何相似与运动相似的前提下，实验观测流道模型和模具微细约束流道原型中各对应点处所受的力性质相同，大小成比例，且比例常数对两个流场中的任意对应点都不变，使其流体动力学属性满足流动相似第二定律要求；所述的模具微细结构表面是指高精度复杂型腔模具中存在的各种微小尺寸、非常规几何结构表面；所述的稀疏磨粒流是一种工作在湍流充分发展状态的低雷诺数、稀疏固相流体加工介质，所述的稀疏磨粒流固相体积份数小于15% ；所述的微细约束流道是指在微细结构表面安装约束装置所构成的封闭流体运动空间；所述的约束装置材料为透明材料，提供可观测流道内流体状态的窗口。进一步，所述的约束装置材料为透明的聚甲基丙烯酸甲酯。一种模具微细结构表面流体精密加工观测装置，所述观测装置包括磨粒流输送泵、压力传感器、流量传感器、磨粒流输送软管、支撑台架、模拟结构化表面试件、实时图像数据采集器、监控计算机、补偿光源、磨粒流回流软管、保险溢流管、续流池和续流溢流管；所述的磨粒流输送泵为观测装置的微细约束流道输送处于湍动状态的稀疏磨粒流，所述的磨粒流输送泵能够携带直径在1毫米以下的固体颗粒；所述的固体颗粒为发泡聚丙烯碎片，固体颗粒的平均粒径小于0. 5毫米；所述的压力传感器为内部集成电荷放大器的压电传感器，安装在输送泵出口处， 测量输送泵的出口压力；所述的流量传感器为内置集成电路的卡门涡旋式流量传感器，安装在微细约束流道的入口处，测量通过微细流道的稀疏磨粒流速度，判断磨粒流是否达到满足加工需要的湍流条件；所述的磨粒流输送软管为两端配有旋转接头的四分铝塑管，提供磨粒流输送通道；一端套接输送泵的法兰盘接口，一端套接约束流道的前端管螺纹接口 ；所述的旋转接头能够提供周向自由度；所述的支撑台架支撑磨粒流输送软管、磨粒流回流软管、微细约束流道和图像数据采集装置；所述的模拟结构化表面试件为一面镀铜的钢质薄片，厚度为0. 5毫米，通过硅酸钠无机粘结剂安装在微细流道底部，用以表征稀疏磨粒流对模具微细结构化表面的加工效果；所述的实时图像数据采集器为工业摄像头，透过约束装置完成对约束流道内流体流动状态的图像信息采集；所述的监控计算机接受摄像头所采集的流体流动图像信号，作为图像信号处理与识别的支撑平台；所述的磨粒流回流软管为单端配有旋转接头的四分铝塑管，提供磨粒流回流通道；一端套接约束流道的后端螺纹接口，一端浸入在续流池内；所述的续流池，用以存储稀疏磨粒流，实现对磨粒流的循环使用。
进一步，工业控制计算机中，对所述实时图像数据采集器获得的图像信号进行数字滤波去噪，利用小波能量法提取图像信号特征，最后通过模糊神经网络识别当前约束流道内的流体运动状态；所述的数字滤波去噪方法为标准中值滤波算法，将滤波窗口内的最大值和最小值均视为噪声，用滤波窗口内的中值代替窗口中心像素点的灰度；所述的小波能量法将经过离散傅里叶变换后的流体图像信号投影到一组互相正交的小波函数构成的子空间上，形成信号在不同尺度上的展开，从而提取信号在不同频带的特征数据；所述的模糊神经网络算法为算术模糊神经网络，采用模糊误差反向传播算法进行数据训练，得到标准的流体规律模板，最终实现对流道内的稀疏磨粒流的状态识别。再进一步，所述观测装置还包括所述的标准螺纹接头为四分之一寸管螺纹接头， 分别安装在微细约束流道的两端，通过软橡胶密封圈防止流道内的流体溢出；前端接头与输送软管的旋转接头套接，后端接头与回流软管的旋转接头套接。更进一步，所述观测装置还包括补偿光源为整体反射LED无影灯，为约束流道内的流体提供背景光源，提高图像数据采集所获信号的质量；所述所述实时图像数据采集器与补偿光源配合使用。所述观测装置还包括保险溢流管，所述的保险溢流管安装在约束流道的中部，内嵌阈值单向阀，防止约束流道堵塞造成的输送管爆裂、输送泵过压损坏等问题的发生；单向阀的预设压力阈值为2兆帕。所述观测装置还包括续流溢流管，所述续流溢流管安装在续流池的一侧，用于安全溢流与续流池磨粒流排空；续流溢流管呈倒丁字形结构，共有三个端口 ；一端接续流池上部，用于安全溢流，阀门常开；一端接续流池底部，用于磨粒流排空，阀门常闭；上述两端口通过三通接口汇成一路与排水通道接通。本发明的技术构思为稀疏磨粒流可有有效地解决上述方法存在的问题。稀疏磨粒流一种液-固两相磨粒流，为低浓度磨料与具有弱黏性或无黏性的流体的混合物，因此具有更好的流动特性并可实现湍流流动，具有以下特点①可与复杂形状的模具微细结构表面形成良好接触，克服了细小尺度的结构表面无法使用工具进行光整加工的困难；②利用流体在湍流状态的壁面冲击效应实现表面的微力、微量切削，会实现较高的表面加工质量，易于加工应力的释放，不会导致模具微细结构表面的机械变形；③利用磨粒在封闭流道内的循环流动反复碰撞被加工表面，可提高磨粒利用率和加工效率，并可有效过滤加工残留物并减少污水排放实现清洁加工，并节约能源，绿色环保。稀疏磨粒流方法虽然原理简单，易于实施操作，但其加工机理却非常复杂。研究微细流道内的流体运动规律及其动力学特性，对于该加工方法具有重要意义。因此，研发一种面向稀疏磨粒流精密加工的可观测实验装置及方法是非常有必要的工作。本发明的有益效果主要表现在1)可以较好的模拟模具微细结构表面流体加工条件及状态，是在实验室条件下研究稀疏磨粒流运动规律及其动力学特性的有效方法。2)操作简便，简单可行，可以直接观察、测量稀疏磨粒流在微细流道内的基本参数如压力、温度、流量、速度等，把模型观察的结果定性或定量地转化为实际流动现象，为稀疏磨粒流湍流发展状态的检测与控制、约束流道的设计以及流体加工工艺优化提供依据。3)不受物理理论规律、流体运动方程形式以及边界条件的限制，可以在其能够提供的物理空间内自由的对相关问题进行研究。
图1是模具微细结构表面流体精密加工观测技术方案。图2是模具微细结构表面流体精密加工观测装置结构示意图；附图2中1-磨粒流输送泵2-压力传感器3-磨粒流输送软管4-支撑台架5-流量传感器6-补偿光源7-图像数据采集装置(工业摄像头)8-微细结构流道9-保险溢流管10-工业监控计算机11-磨粒流回流软管12-续流溢流管13-续流池。图3是约束模块系列示意图。图4是微细流道湍流状态实时图像数据采集及处理方法的流程图。
具体实施例方式结合附图，下面对本发明进行详细说明。参照图1 图4，一种模具微细结构表面流体精密加工观测方法，其技术思路如附图1所示，具体实施步骤可描述如下基于流体流动相似模化方法，对微细模具结构化表面进行同边界等比例放大，模拟稀疏磨粒流在微细约束流道内的流动状态，通过工业摄像装置采集流道内实时图像数据并进行处理与识别，得到稀疏磨粒流在微细约束流道环境下的分布状态、运动规律、典型流态特征及发展趋势，为面向微细模具结构化表面的精密加工实施提供技术依据，为细小流道的湍流状态发展研究提供实验条件。上述方案所涉及的流体流动相似模化方法是在满足几何相似与运动相似的前提下，模型(实验观测流道)和原型(模具微细约束流道)中各对应点处所受的力性质相同，大小成比例，且比例常数对两个流场中的任意对应点都不变，使其流体动力学属性满足流动相似第二定律要求。其中，模具微细结构表面是指高精度复杂型腔模具中存在的各种微小尺寸、非常规几何结构表面。稀疏磨粒流是一种工作在湍流充分发展状态的低雷诺数 (Re)、稀疏固相流体加工介质，其固相体积份数小于15%。微细约束流道是指在微细结构表面安装约束装置，所构成的封闭流体运动空间，形成微细约束流道；所述的约束装置材料为透明的聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)，提供可观测流道内流体状态的窗口。利用上述方法，在不改变边界条件的基础上，将原型尺寸为ImmX Imm的正方形截面流道放大5倍，形成5mm X 5mm的实验观测流道。一种模具微细结构表面流体精密加工观测装置，其组成结构如附图2所示，由磨粒流输送泵1、压力传感器2、流量传感器5、磨粒流输送软管3、支撑台架4、标准螺纹接头、 模拟结构化表面试件、实时图像数据采集器7、微细结构流道8、工业监控计算机10、补偿光源6、磨粒流回流软管11、保险溢流管9、续流池13、续流溢流管12等构件组成。上述方案所涉及的磨粒流输送泵为扬程大于20米的污水泵，具体技术牌号为 NL50-30-1K技术要求如下节所述)，为观测装置的微细约束流道输送处于湍动状态的稀疏磨粒流，要求能够携带直径在1毫米以下的固体颗粒；所述的固体颗粒为发泡聚丙烯 (Polypropylene,PP)碎片，其平均粒径小于0. 5毫米。压力传感器为内部集成电荷放大器的压电传感器，具体技术牌号为PTH501，安装在输送泵出口处，测量输送泵的出口压力，防止由于微细流道堵塞而使输送泵过载损坏。流量传感器为内置集成电路的卡门涡旋式流量传感器，具体技术牌号为LUGB-Dm5，安装在微细约束流道的入口处，测量通过微细流道的稀疏磨粒流速度，判断磨粒流是否达到满足加工需要的湍流条件。磨粒流输送软管为两端配有旋转接头的四分铝塑管，提供磨粒流输送通道；一端套接输送泵的法兰盘接口，一端套接约束流道的前端管螺纹接口 ；所述的旋转接头能够提供周向自由度，防止软管在抖动、 牵曳过程中造成的扭转剪切损坏。支撑台架由轻质硬铝材料焊接成型，起到支撑磨粒流输送软管、磨粒流回流软管、微细约束流道、图像数据采集装置的作用。标准螺纹接头为四分之一寸管螺纹接头，分别安装在微细约束流道的两端，通过软橡胶密封圈防止流道内的流体溢出；前端接头与输送软管的旋转接头套接，后端接头与回流软管的旋转接头套接。模拟结构化表面试件为一面镀铜的钢质薄片，厚度为0.5毫米，通过硅酸钠(水玻璃)无机粘结剂安装在微细流道底部，用以表征稀疏磨粒流对模具微细结构化表面的加工效果。实时图像数据采集器为500万像素工业摄像头，具体技术牌号SXY-150，透过约束装置完成对约束流道内流体流动状态的图像信息采集，需要与补偿光源配合使用。监控计算机接受摄像头所采集的流体流动图像信号，作为图像信号处理与识别的支撑平台，其具体技术牌号为Dell-0ptiPleX750。补偿光源为整体反射LED无影灯，为约束流道内的流体提供背景光源，提高图像数据采集所获信号的质量。磨粒流回流软管为单端配有旋转接头的四分铝塑管，提供磨粒流回流通道；一端套接约束流道的后端螺纹接口，一端浸入在续流池内。保险溢流管安装在约束流道的中部，内嵌阈值单向阀，防止约束流道堵塞造成的输送管爆裂、 输送泵过压损坏等问题的发生；单向阀的预设压力阈值为2兆帕。续流池为硬质聚氯乙烯 (Polyvinylchloride,PVC)容器，用以存储稀疏磨粒流，实现对磨粒流的循环使用。流溢流管安装在续流池的一侧，用于安全溢流与续流池磨粒流排空；续流溢流管呈倒丁字形结构， 共有三个端口 ；一端接续流池上部，用于安全溢流，阀门常开；一端接续流池底部，用于磨粒流排空，阀门常闭；上述两端口通过三通接口汇成一路与排水通道接通。实验平台搭建过程①水泵选择水泵选择是观测实验平台搭建的核心问题。对于本发明来讲，水泵应该满足两个基本条件水泵的额定流量、出口压力等技术参数能够满足微细结构流道产生湍流的基本要求；水泵能够输送含有固体磨粒颗粒的二相流体。由于待加工的结构化流道的截面为正方形，其几何尺寸为5mmX5mm。流道当量水力直径的计算方法为d = 4j(1)式(1)中，A为流道截面积，P为流道浸润周边长度。因此，可以得到待加工结构化流道的当量水力直径为
25J = 4—= 4x — = 5mm = 5xl0_3w(2)
P 20对于管道流动，其由层流过度到湍流的临界雷诺数Rera应在2100 4000之间，即当雷诺数Re小于2000时为层流状态，当Re大于4000时为湍流状态。取Rera的浮动区间上限4000，因为Re的计算方法为
权利要求
1.一种模具微细结构表面流体精密加工观测方法，其特征在于采用基于流体流动相似模化方法，对微细模具结构化表面进行等比例放大，模拟稀疏磨粒流在微细约束流道内的流动状态，采集流道内实时图像数据并进行处理，得到稀疏磨粒流在微细约束流道环境下的分布状态、运动规律、典型流态特征及发展趋势；其中，所述的流体流动相似模化方法是在满足几何相似与运动相似的前提下，实验观测流道模型和模具微细约束流道原型中各对应点处所受的力性质相同，大小成比例，且比例常数对两个流场中的任意对应点都不变，使其流体动力学属性满足流动相似第二定律要求；所述的模具微细结构表面是指高精度复杂型腔模具中存在的各种微小尺寸、非常规几何结构表面；所述的稀疏磨粒流是一种工作在湍流充分发展状态的低雷诺数、稀疏固相流体加工介质，所述的稀疏磨粒流固相体积份数小于15% ；所述的微细约束流道是指在微细结构表面安装约束装置所构成的封闭流体运动空间； 所述的约束装置材料为透明材料，提供可观测流道内流体状态的窗口。
2.如权利要求1所述的模具微细结构表面流体精密加工观测方法，其特征在于所述的约束装置材料为透明的聚甲基丙烯酸甲酯。
3.一种实现如权利要求1所述的模具微细结构表面流体精密加工观测方法的观测装置，其特征在于所述观测装置包括磨粒流输送泵、压力传感器、流量传感器、磨粒流输送软管、支撑台架、模拟结构化表面试件、实时图像数据采集器、监控计算机、补偿光源、磨粒流回流软管、保险溢流管、续流池和续流溢流管；所述的磨粒流输送泵为观测装置的微细约束流道输送处于湍动状态的稀疏磨粒流， 所述的磨粒流输送泵能够携带直径在1毫米以下的固体颗粒；所述的固体颗粒为发泡聚丙烯碎片，固体颗粒的平均粒径小于0. 5毫米；所述的压力传感器为内部集成电荷放大器的压电传感器，安装在输送泵出口处，测量输送泵的出口压力；所述的流量传感器为内置集成电路的卡门涡旋式流量传感器，安装在微细约束流道的入口处，测量通过微细流道的稀疏磨粒流速度，判断磨粒流是否达到满足加工需要的湍流条件；所述的磨粒流输送软管为两端配有旋转接头的四分铝塑管，提供磨粒流输送通道；一端套接输送泵的法兰盘接口，一端套接约束流道的前端管螺纹接口 ；所述的旋转接头能够提供周向自由度；所述的支撑台架支撑磨粒流输送软管、磨粒流回流软管、微细约束流道和图像数据采集装置；所述的模拟结构化表面试件为一面镀铜的钢质薄片，厚度为0. 5毫米，通过硅酸钠无机粘结剂安装在微细流道底部，用以表征稀疏磨粒流对模具微细结构化表面的加工效果；所述的实时图像数据采集器为工业摄像头，透过约束装置完成对约束流道内流体流动状态的图像信息采集；所述的监控计算机接受摄像头所采集的流体流动图像信号，作为图像信号处理与识别的支撑平台；所述的磨粒流回流软管为单端配有旋转接头的四分铝塑管，提供磨粒流回流通道；一端套接约束流道的后端螺纹接口，一端浸入在续流池内；所述的续流池，用以存储稀疏磨粒流，实现对磨粒流的循环使用。
4.如权利要求1所述的观测装置，其特征在于，工业控制计算机中，对所述实时图像数据采集器获得的图像信号进行数字滤波去噪，利用小波能量法提取图像信号特征，最后通过模糊神经网络识别当前约束流道内的流体运动状态；所述的数字滤波去噪方法为标准中值滤波算法，将滤波窗口内的最大值和最小值均视为噪声，用滤波窗口内的中值代替窗口中心像素点的灰度；所述的小波能量法将经过离散傅里叶变换后的流体图像信号投影到一组互相正交的小波函数构成的子空间上，形成信号在不同尺度上的展开，从而提取信号在不同频带的特征数据；所述的模糊神经网络算法为算术模糊神经网络，采用模糊误差反向传播算法进行数据训练，得到标准的流体规律模板，最终实现对流道内的稀疏磨粒流的状态识别。
5.如权利要求2或3所述的观测装置，其特征在于，所述观测装置还包括所述的标准螺纹接头为四分之一寸管螺纹接头，分别安装在微细约束流道的两端，通过软橡胶密封圈防止流道内的流体溢出；前端接头与输送软管的旋转接头套接，后端接头与回流软管的旋转接头套接。
6.如权利要求2或3所述的观测装置，其特征在于，所述观测装置还包括补偿光源为整体反射LED无影灯，为约束流道内的流体提供背景光源，提高图像数据采集所获信号的质量；所述所述实时图像数据采集器与补偿光源配合使用。
7.如权利要求2或3所述的观测装置，其特征在于，所述观测装置还包括保险溢流管， 所述的保险溢流管安装在约束流道的中部，内嵌阈值单向阀，防止约束流道堵塞造成的输送管爆裂、输送泵过压损坏等问题的发生；单向阀的预设压力阈值为2兆帕。
8.如权利要求2或3所述的观测装置，其特征在于，所述观测装置还包括续流溢流管， 所述续流溢流管安装在续流池的一侧，用于安全溢流与续流池磨粒流排空；续流溢流管呈倒丁字形结构，共有三个端口 ；一端接续流池上部，用于安全溢流，阀门常开；一端接续流池底部，用于磨粒流排空，阀门常闭；上述两端口通过三通接口汇成一路与排水通道接
全文摘要
一种模具微细结构表面流体精密加工观测方法，采用基于流体流动相似模化方法，对微细模具结构化表面进行等比例放大，模拟稀疏磨粒流在微细约束流道内的流动状态，采集流道内实时图像数据并进行处理，得到稀疏磨粒流在微细约束流道环境下的分布状态、运动规律、典型流态特征及发展趋势；在满足几何相似与运动相似的前提下，实验观测流道模型和模具微细约束流道原型中各对应点处所受的力性质相同，大小成比例，比例常数对两个流场中的任意对应点都不变，使其流体动力学属性满足流动相似第二定律要求。以及提供一种模具微细结构表面流体精密加工观测装置。本发明能够较好模拟模具微细结构表面流体加工条件及状态、操作简便、简单可行、通用性良好。
文档编号B24B49/00GK102528661SQ20111035567
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者袁巧玲, 计时鸣, 谭大鹏 申请人:浙江工业大学