[發(fā)明專利]一種能有效增強軟性磨粒流湍流的方法及其專用流道裝置

有效

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• 申請日: 2010-09-14
• 公開（公告）號: CN101947748A
• 公開（公告）日: 2011-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 計時鳴;付有志;譚大鵬;袁巧玲;章定
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B24B1/00
• 分類號: B24B1/00
• 代理公司: 杭州天正專利事務(wù)所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;黃美娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及軟性磨粒流精密加工領(lǐng)域，尤其涉及軟性磨粒流湍流增強方法及軟性磨粒流加工流道。

背景技術(shù)

如今，制造業(yè)快速發(fā)展，人們對零件表面的精度要求越來越高，對零件自由曲面的精密加工可應(yīng)用新型氣囊拋光技術(shù)，現(xiàn)在加工的零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，模具制造中所涉及的溝、槽、孔、棱柱、棱錐、窄縫等結(jié)構(gòu)化表面增多，對這些表面的精密光整加工技術(shù)研究卻比較薄弱。液-固兩相軟性磨粒流加工是應(yīng)用軟性磨粒流在被加工工件的結(jié)構(gòu)化表面形成湍流流動，配以約束模塊，使被加工表面成為流道壁面的一部分，形成磨粒流道，磨粒流過該通道時，對壁面的粗糙處進(jìn)行切削，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化表面的無工具化精密加工。

加工流道的底座設(shè)計，約束流道和約束模塊的設(shè)計與安裝，軟性磨粒流的輸出、循環(huán)、回收都是重要部分。固-液兩相軟性磨粒流加工是以磨粒流的湍流為理論依據(jù)，以磨粒間的相互碰撞及磨粒與壁面間的碰撞為基礎(chǔ)，對磨粒進(jìn)行動力學(xué)分析，利用湍流流場中磨粒對壁面的切削作用，對被加工工件壁面粗糙處進(jìn)行精密加工。該技術(shù)有效彌補了傳統(tǒng)光整加工方法對結(jié)構(gòu)化表面加工的劣勢，同時也能夠?qū)ζ渌麖?fù)雜工件的表面加工，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制。

目前，加工所用的軟性磨粒流加工流道采用單入口、單出口方式，流體從流道的入口流入，出口流出，最終回流至磨粒流儲存箱。按照軟性磨粒流加工的原理，對工件進(jìn)行加工的軟性磨粒流在磨粒流道內(nèi)必須形成湍流流動，湍流中，磨粒運動的隨機性有利于表面紋理無序化，直至實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化表面無工具鏡面級加工。基于前期的實驗狀況，簡單的單輸入、單輸出的加工流道存在以下缺點：①液壓泵的壓力或流量較低時，液壓泵輸出軟性磨粒流的流速不能達(dá)到產(chǎn)生湍流時所需的最小速度，導(dǎo)致磨粒流道內(nèi)的軟性磨粒流的運動狀態(tài)為層流狀態(tài)，加工一段時間后，工件表面出現(xiàn)條紋，沒有達(dá)到所期望的效果；②流體在流道入口的速度達(dá)到或超過產(chǎn)生湍流的最小速度，但是由于加工流道較長，在流動過程中能量損失，湍動能下降，在加工工件的后一部分，磨粒流基本為層流狀態(tài)，致使工件后部分加工表面的層流痕跡明顯，從而導(dǎo)致整個工件加工表面的加工效果不均勻。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決現(xiàn)有的軟性磨粒流產(chǎn)生方法的湍流效果不明顯、工件表面加工效果不均勻的問題，提出了一種增強湍流效果、工件表面加工效果較均勻的能有效增強軟性磨粒流湍流的方法及其專用流道裝置。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種能有效增強軟性磨粒流湍流的方法，其特征在于：首先采用了流體沖撞方法，所述軟性磨粒流可以建立如下流體控制方程，

連續(xù)方程：

??????????????????????????????????????（1）

動量方程：

????????????????????????????????????????????????????????????????????（2）

?????????????????????（3）

控制方程分別采用H、作為長度、速度的特征尺度進(jìn)行無因次參數(shù)化，其中無因次變量分別定義如下：

式中：------x，y方向無因次速度變量；

?????????------無因次坐標(biāo)系

?????????------無因次壓力；

?????????------空間高度或特征值

?????????------空氣的動力粘度

------Reynolds數(shù)

-----進(jìn)口速度

所述流體沖撞是使兩股不同運動參數(shù)的軟性磨粒流從兩個入口流道流入，在一圓形區(qū)域的交匯點處相撞，其二維流動方程為

??????????（4）

式（4）中，是Reynolds應(yīng)力；

沖撞后軟性磨粒流會產(chǎn)生水平和豎直方向的速度，得到軸向和徑向的無量綱強度，分別定義為?

??????????????????????（5）

式（5）中，，是無量綱軸向距離，分別是撞擊后向水平和豎直方向的速度，是每股流體的初始湍動能；

徑向上的軟性磨粒流在流道壁面的約束下，改變流體運動方向，軸向的無量綱強度會強于徑向的無量綱強度，軟性磨粒流連續(xù)沖撞在軸線兩側(cè)形成渦對，增強了軟性磨粒流湍流；

然后是在流道內(nèi)設(shè)置螺紋結(jié)構(gòu)的方法，所述螺紋結(jié)構(gòu)的流道包括凸壁和凹壁，凹壁面和凸壁面基于壁面摩擦力的當(dāng)?shù)啬Σ了俣榷x為：

?????????（6）

式（6）中y=+1為凹壁面，y=-1為凸壁面；

另外，一個基于流向壓力梯度的全局摩擦速度定義為：