一种小口径沟槽热管强空化复合抛光装置及方法

本发明涉及增材制造零件抛光，具体而言，尤其涉及一种小口径沟槽热管强空化复合抛光装置及方法。

背景技术：

1、热管是一种利用气液相变潜热将热量进行远距离快速输运的热控装置，具有很高的传热系数和传热能力。沟槽热管因其独特的微尺度传热、微流动和微相变等优势，广泛应用于航天器、电子芯片等有热控需求的领域。目前，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沟槽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，堵塞了沟槽微通道，沟槽表面十分粗糙，严重制约了沟槽热管的导热性能。随着行业对沟槽热管内表面质量要求越来越高，传统的自动抛光工艺难以对小尺寸内表面进行高精度抛光，磨料、流体混合物喷射抛光法得到广泛应用与发展。

2、浙江工业大学利用软磨料抛光液不间断流经工件表面，得到了光滑工件表面，验证了磨料流高精度抛光的可行性，但该方法存在抛光时间过长的问题。单一磨粒流抛光方法能够提高抛光精度，但难以提高抛光效率。中国计量大学利用超声、磨料流复合方法对工件表面进行抛光；中国专利cn102672554b和cn102873643b提出利用负压、磨粒流复合方法对圆形曲面进行抛光。以上方法体现了从平面抛光到曲面抛光、从单一抛光方法向复合抛光方法的发展历程，但现有抛光方法及装置仍难以有效对沟槽管道内表面进行抛光。现有沟槽结构中矩形和ω形较为常见，沟槽轮廓近似c型包围结构，与热管主通道连接空间较窄，磨料难以进入沟槽且热管口径较小、尺寸较长，增加了抛光难度。相较于平面和曲面抛光，沟槽热管内表面抛光除保证抛光效率和抛光质量外，抛光一致性也应该重视。

3、因此，提出一种适合小口径沟槽热管内表面的抛光方法及装置至关重要。

技术实现思路

1、根据上述提出的现有抛光方法及装置对增材制造大长径比复杂沟槽热管内表面抛光效率低，抛光质量差，抛光一致性不足的技术问题，而提供一种小口径沟槽热管强空化复合抛光装置及方法。本发明主要利用磨粒水射流抛光与负压空化及超声空化相结合形成的强空化复合抛光方法及装置解决沟槽热管内表面的抛光难题。为复合抛光方法设计一种专用装置，驱动电机固定于密封腔体一侧，通过联轴器与抛光旋转轴固定连接，旋转轴在旋转夹具的夹持下，带动喷嘴稳定旋转；抛光液在吸液泵作用下通过吸液管进入旋转轴，随后进入五阶变径喷嘴并最终旋转喷出，喷嘴进入热管中保持抛光密封性；沟槽热管口径小，长度长，且抛光液射流冲击大，通过抛光夹具和底座对装置进行固定和支撑，还保证了喷嘴和热管的相对位置，该装置可实现抛光液旋转喷射抛光管道内表面。超声装置通过发生平台作用于整个热管，超声平台通过夹具与热管夹持固定；吸气泵通过吸气管将密封腔体中的空气抽出，密封圈保证腔体的密闭性，通过气压阀观测腔体内部压强，使其达到-2的真空度；密封腔体底部向外连接吸液管，吸液管通过吸液泵与储液箱连接，从而形成一个腔体密封，整体循环的复合抛光装置。腔体负压环境下，喷嘴处存在高压差，抛光液从储液箱向密封腔体流动，抛光液流出喷嘴后在压差作用下快速空化，抛光液中大量微小气泡快速溃灭，气泡溃灭产生的局部微射流对材料去除作用明显；通过吸液泵加压增大液体流动速度，使液体在喷嘴处高速喷出，一是通过高速磨粒的冲击、剪切作用实现材料去除，二是高速喷出使空化作用贯穿整个管道。由于射流处于真空环境中，空气阻力大大降低，射流边缘空气湍流现象降低，射流夹带量及分散量降低，喷射距离更远；喷嘴旋转改变了磨粒运动轨迹，使磨粒直接大量进入沟槽结构，更有利于沟槽结构的抛光。超声振动使流体中的大量微气泡在沟槽表面或近表面持续生长、压缩和冲击，气泡溃灭时形成微射流冲击波，冲击附近游离磨粒撞向工件表面，空化效应增强了微磨料流体对工件表面的摩擦和冲击，有效提高了材料去除效率。超声加负压、磨粒流复合抛光方法的强空化作用及抛光装置的使用，大大提高了抛光效率，保证了内表面抛光质量，一体化抛光效果好。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种小口径沟槽热管强空化复合抛光装置，包括：吸液管、真空结构、密封腔体、置于密封腔体外部的储液箱以及置于密封腔体内部的驱动机构、喷嘴、抛光夹具和夹具底座，沟槽热管固定在抛光夹具上，抛光夹具置于夹具底座上，夹具底座固定在密封腔体底部；储液箱内部盛有抛光液，吸液管的一端伸入至储液箱中，另一端插入至密封腔体内与喷嘴连接，将储液箱内的抛光液输送至喷嘴中，用于对沟槽热管内部进行抛光，吸液管与密封腔体间通过密封圈进行密封连接；驱动机构与喷嘴连接，用于实现喷嘴的旋转；真空结构与密封腔体间密封连接，用于将密封腔体内部的空气抽出。

4、进一步地，所述抛光液为磨粒抛光液，包括二氧化硅磨粒、稳定剂和水基液，二氧化硅磨粒的质量分数为10-20％、粒径为0.5-10μm，稳定剂的质量分数为5％。

5、进一步地，所述喷嘴为五阶变径喷嘴结构，喷嘴的喷射口进入沟槽热管中，喷射口处与沟槽热管贴合接触，保证连接处的密封性。

6、进一步地，所述驱动机构包括电机支撑台、驱动电机、联轴器和旋转轴，电机支撑台固定于密封腔体一侧，用于支撑固定驱动电机，驱动电机通过联轴器与旋转轴连接，用于驱动旋转轴带着喷嘴转动，旋转轴的外部设置有旋转夹具，旋转夹具固定在抛光夹具上，通过抛光夹具调节热管与喷嘴的相对位置；通过喷嘴随驱动电机的旋转运动改变抛光液中磨粒的运动轨迹，磨粒的运动轨迹为旋转运动和直线运动的复合运动，更有利于磨粒进入难抛光的沟槽结构，抛光效果更好。

7、进一步地，还包括超声装置，超声装置包括超声平台和超声发生器，沟槽热管位于超声平台上，超声平台固定在抛光夹具上，超声发生器连接在超声平台上，用于为超声平台提供能量，搭建超声抛光平台。

8、进一步地，所述真空结构包括吸气管以及设置在吸气管上的吸气泵，吸气泵位于密封腔体外部，吸气管的一端插入至密封腔体内部，吸气管与密封腔体之间通过密封圈进行密封连接，吸气泵工作后使密封腔体内部达到-2的真空度；吸气泵启动后，密封腔体内部空气被抽出，使密封腔体内部压强p1远低于密封腔体外部的大气压强p2，喷嘴作为腔体内外的连接通道，会在喷嘴内外形成较高的压强差，在低压吸出效应下，抛光液以一定速度通过吸液管流到喷嘴处。

9、进一步地，所述吸液管与储液箱一侧侧壁或储液箱的顶部相连；所述吸液管上还设置有吸液泵，吸液泵位于密封腔体外部，用于为抛光液增压，使喷嘴处压差达到0.6-0.8mpa，增加抛光液的流动速度，抛光液流经五阶变径喷嘴处时，喷嘴口径逐渐减小，最终喷射出的射流速度为1-2m/s。

10、进一步地，所述储液箱中设置有搅拌机，搅拌机在储液箱中充分搅拌，用于实现抛光液中磨粒与水溶液充分混合，抛光过程中搅拌机持续搅拌，保证磨粒均匀分散。

11、进一步地，所述密封腔体的底部还设置有吸液管ⅰ和吸液泵ⅰ，吸液泵ⅰ设置在吸液管ⅰ上并位于密封腔体外部，吸液管ⅰ的一端位于密封腔体内部底端，另一端伸出并插入至储液箱中，通过该组吸液管ⅰ和吸液泵ⅰ将密封腔体底部的抛光液回流到储液箱中，实现抛光液的循环利用，吸液管ⅰ与密封腔体间通过密封圈实现密封连接。

12、本发明还提供了一种小口径沟槽热管强空化复合抛光装置的抛光方法，包括如下步骤：

13、步骤一、将复合抛光装置的各设备进行安装，并通过抛光夹具调节喷嘴和沟槽热管的相对位置；

14、步骤二、启动搅拌机对储液箱中储存的抛光液进行搅拌，其中，抛光过程中搅拌机持续搅拌，保持磨粒在溶液中均匀分散；

15、步骤三、启动驱动电机，其通过联轴器带动旋转轴转动，旋转轴在旋转夹具的夹持下，带动喷嘴稳定旋转；

16、步骤四、启动超声装置，通过超声平台将产生的超声振动作用于整个沟槽热管；

17、步骤五、启动吸气泵，吸气泵通过吸气管将密封腔体中的空气抽出，通过气压阀观测腔体内部压强，使其达到-2的真空度，从而使密封腔体内形成负压环境，喷嘴处存在高压差，驱使抛光液从储液箱向喷嘴流动；

18、步骤六、启动吸液泵，通过吸液泵加压增大液体流动速度，抛光液在吸液泵作用下通过吸液管进入旋转轴，随后进入五阶变径喷嘴，并最终旋转高速喷出，使抛光液旋转喷射沟槽热管内表面，实现沟槽热管的复合抛光；

19、步骤七、抛光过程中，启动吸液泵ⅰ，将抛光过程中的抛光液经吸液管ⅰ回流至储液箱中，循环利用抛光液。

20、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

21、1、本发明提供的小口径沟槽热管强空化复合抛光装置及方法，复合抛光方法以流体抛光液为主，对复杂沟槽结构有较强的适应性。传统方法难以满足当前结构需求，复合抛光方法抛光一致性好，适合抛光复杂型面零件。

22、2、本发明提供的小口径沟槽热管强空化复合抛光装置及方法，复合抛光方法在喷嘴处产生较大压差，使抛光液快速流动并在近壁面附近发生强烈空化效应，流体中大量微气泡在近壁面持续增长-压缩-溃灭-冲击。与传统的高压磨料射流相比，负压环境的空化作用大大增强。空化射流的冲蚀能力高于普通射流，材料在空化过程中被清除，同时减小了空气阻力对射流影响，负压空化提高了抛光效率。

23、3、本发明提供的小口径沟槽热管强空化复合抛光装置及方法，基于负压空化效应的空化射流抛光新方法，抛光过程更加稳定，磨料射流束随着抛光距离的增加而膨胀的程度降低，射流在热管末端仍能保持高速的冲击抛光。传统水射流抛光方法受到高压设备、空气湍流和高压中不稳定的材料去除率的限制。

24、4、本发明提供的小口径沟槽热管强空化复合抛光装置及方法，超声能场进一步强化了抛光效果，超声能量作用下空化泡生长更迅猛，溃灭释放的能量更大，去除效果更好，负压环境加超声能场形成了强空化高效去除作用，去除效果高于现有方法；同时超声形成的稳定能场对抛光磨粒有多次加速作用，提高了管道内表面的一体化抛光效果。

25、5、本发明提供的小口径沟槽热管强空化复合抛光装置及方法，复合抛光装置采用五阶变径喷嘴结构，相较于传统喷嘴口径更小，喷嘴一侧可进入管道，契合度更高；同时使抛光液以更高速度进入沟槽中，喷射距离更远，抛光距离优于传统装置。

26、6、本发明提供的小口径沟槽热管强空化复合抛光装置及方法，传统射流抛光装置在负压环境中，磨粒入射角度较小，会导致沟槽内部材料去除率差、抛光一致性差。复合抛光装置提出一种电机驱动旋转喷嘴结构，该结构使磨粒运动轨迹变为直线运动和旋转运动的复合轨迹，使大量磨粒进入沟槽结构中，复合抛光装置对不同形状的沟槽结构同样具有良好的抛光效果。

27、7、本发明提供的小口径沟槽热管强空化复合抛光装置及方法，复合抛光装置气密性好，可操作性强，稳定性高。

28、综上，应用本发明的技术方案能够解决现有抛光方法及装置对增材制造大长径比复杂沟槽热管内表面抛光效率低，抛光质量差，抛光一致性不足的问题。

29、基于上述理由本发明可在增材制造零件抛光等领域广泛推广。