[發明專利]交叉孔工件內壁磨粒流均勻拋光模具及其模芯的計算方法

有效

• 申請號: 201711375540.8
• 申請日: 2017-12-19
• 公開（公告）號: CN108115543B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 高航;彭燦;王宣平;魏海波;王海全
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B24B31/116
• 分類號: B24B31/116;G06F17/50
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

1.交叉孔工件內壁磨粒流均勻拋光模具，其特征在于：包括多個流道控制單元和密封裝置；所述的流道控制單元包括過渡段、引流段和模芯，所述的流道控制單元的數量與交叉孔工件(5)的孔口數量相同；每個流道控制單元對應一個交叉孔工件(5)的孔口；將所述的流道控制單元分為兩組，兩組流道控制單元分別與磨粒流拋光設備中的料缸A(1)和料缸B(6)連接；

所述的引流段的一端與料缸連接、另一端與過渡段的一端連接；所述的過渡段的另一端與交叉孔工件(5)的一個孔的孔口連接；所述的模芯的一端固定在引流段或過渡段上，另一端穿過過渡段經交叉孔工件(5)的對應孔口伸入交叉孔工件(5)中；所述的過渡段、模芯和對應孔的孔口軸線共線；所述的引流段與料缸之間設置密封裝置，所述的過渡段與交叉孔工件(5)的對應孔口之間設置密封裝置。

2.根據權利要求1所述的交叉孔工件內壁磨粒流均勻拋光模具，其特征在于：所述過渡段的內徑等于交叉孔工件(5)的對應孔口的內徑，過渡段長度取5-20mm。

3.根據權利要求1所述的交叉孔工件內壁磨粒流均勻拋光模具，其特征在于：所述的流道控制單元按交叉孔工件(5)孔口相鄰就近的原則分為兩組，且其中一組流道控制單元的交叉孔工件(5)的孔口流道橫截面積之和與另一組流道控制單元的交叉孔工件(5)孔口面積之和相近。

4.根據權利要求1所述的交叉孔工件內壁磨粒流均勻拋光模具，其特征在于：所述的密封裝置包括O形密封圈、平面密封墊或止口密封。

5.根據權利要求1所述的交叉孔工件內壁磨粒流均勻拋光模具，其特征在于：所述的交叉孔工件(5)和流道控制單元通過模具固定。

6.交叉孔工件內壁磨粒流均勻拋光模具的模芯的計算方法，其特征在于：包括以下步驟：

A、確定模芯初始形狀和大小

假定模具中的模芯橫截面形狀與交叉孔工件(5)孔的內壁橫截面形狀相同，且每個流道控制單元的模芯與各自交叉孔內壁之間的間隙沿流道相等，初始流道間隙取4-8mm；

B、建立流場控制方程

針對引流段、過渡段、交叉孔和模芯構成的物理模型，建立不可壓縮粘彈性流體恒溫定常流動質量方程、動量方程，分別如式(1)和式(2)所示；

式中：ρ是磨料介質的密度，kg/m³；u、v、w分別表示流場中任意一點的速度在笛卡爾坐標系中的x、y、z方向的分量，m/s；p任意一點的流場壓力，Pa；g重力加速度，m/s²；τ_ij為應力，Pa，i＝x、y、z，j＝x、y、z；

C、選擇磨料介質本構方程

為簡化計算，假設磨料介質的本構方程遵循式(3)所示的Cross方程：

式中：η為表觀粘度，N·s/㎡；為剪切速率，s^-1；λ材料的特征時間，s；η₀為零剪切粘度，N·s/㎡；n稱為非牛頓指數，且0<n<1；

D、流場模擬仿真分析與材料去除率求解

依據公式(1)-(3)，利用流場分析軟件FLUENT進行流場模擬仿真分析可得到流場的速度壓力分布，然后計算磨料介質對工件壁面每一點的材料去除率，由于磨粒流加工過程中，流場穩定，采用式(4)所示Preston方程表示磨粒流加工對工件中某一點(x，y，z)的材料去除率與各種工藝參數以及磨料介質特性的關系；

MRR＝kpv (4)

式中：MRR為單位時間的材料去除率，m/s；k是一個與磨粒自身特性、磨粒與工件的相互作用、工件的硬度和表面形貌有關的比例常數，通過實驗測量不同點的去除量分別計算系數求取平均值來確定，m²/N；v為磨料介質在近壁面區域的相對速度，m/s；p為磨粒在近壁面區域的相對壓力，Pa；

E、判斷材料去除率是否滿足加工要求

計算材料去除率的最大值與材料去除率最小值之差，判定該差值是否滿足式(5)：

MRR_max-MRR_min≤e (5)

式中：MRR_max和MRR_min分別表示工件壁面材料去除率的最大值和最小值，e表示工件加工要求允許的最大材料去除率和最小材料去除率之差的最大值；

如果滿足則轉步驟H；

F、建立材料去除率與流道間隙關系

依據Preston方程得到交叉孔內壁的材料去除規律與流道間隙的關系式：

式中，(x，y，z)表示交叉孔內壁一點在坐標系中的坐標值，Ω為交叉孔內壁所在的邊界函數；H為交叉孔內壁材料去除率與流道間隙的關系函數；

G、優化模芯輪廓方程

為了保證所求的模芯外表面所在方程向著使得交叉孔工件(5)壁面流場更加均勻的方向進行，流道間隙的調整必須滿足間隙優化準則式(7)：

式中，m是大于等于1的自然數，δ^(m+1)(x₁,y₁,z₁)表示交叉管內壁一點(x₁,y₁,z₁)處經過第m次優化得到的該處的流道間隙，MRR^(m)(x₁,y₁,z₁)表示利用第m次流場分析求得的點(x₁,y₁,z₁)的材料去除率，δ^(m+1)(x₂,y₂,z₂)表示交叉管內壁另一點(x₂,y₂,z₂)經過第m次優化得到的該處的流道間隙，MRR^(m)(x₂,y₂,z₂)表示利用第m次流場分析求得的點(x₂,y₂,z₂)的材料去除率；

依據上述間隙優化準則，等間距確定流道間隙δ，采用樣條插值方式反求出使得材料去除率更加均勻的模芯外輪廓所在的方程B^(m+1)，如式(8)所示：

式中，B^(m+1)表示經過第m次模芯優化得到的第m+1個模芯外輪廓樣條插值所得的方程；

返回至步驟D進行迭代，即將B^(m+1)作為新的模芯輪廓方程，進行流場模擬仿真分析與材料去除率求解；

H、結束。