一种能有效增强软性磨粒流湍流的方法及其专用流道装置

摘要

一种软性磨粒流湍流增强方法，采用了流体冲撞与螺纹结构结合的方式来增强软性磨粒流湍流；所述流体冲撞是使流体分别从两个流道通过，所述两流道交汇于一点，流体通过流道后相撞于交汇点处，两股流体的连续冲撞，加上软性磨粒流里的固体颗粒的往复振荡运动，导致相撞区域的流体强烈混合，在混合的同时，湍流特征得到加强；所述螺纹结构是在流体通过的流道的管壁上加工出螺纹，所述螺纹的螺距较大，在壁面形成周期性的凹壁，以此增强湍流特征。本发明的优点：结构简单、易于设计和制造；更易实现磨粒流的湍流状态，实现流体运动的无规则性；约束模块与约束流道配套使用，根据不同工件设计为序列化的模块，降低成本，缩短加工前期准备时间。

说明书

技术领域

本发明涉及软性磨粒流精密加工领域，尤其涉及软性磨粒流湍流增强方法及软性磨粒流加工流道。

背景技术

如今，制造业快速发展，人们对零件表面的精度要求越来越高，对零件自由曲面的精密加工可应用新型气囊抛光技术，现在加工的零件结构复杂化，模具制造中所涉及的沟、槽、孔、棱柱、棱锥、窄缝等结构化表面增多，对这些表面的精密光整加工技术研究却比较薄弱。液-固两相软性磨粒流加工是应用软性磨粒流在被加工工件的结构化表面形成湍流流动，配以约束模块，使被加工表面成为流道壁面的一部分，形成磨粒流道，磨粒流过该通道时，对壁面的粗糙处进行切削，实现结构化表面的无工具化精密加工。

加工流道的底座设计，约束流道和约束模块的设计与安装，软性磨粒流的输出、循环、回收都是重要部分。固-液两相软性磨粒流加工是以磨粒流的湍流为理论依据，以磨粒间的相互碰撞及磨粒与壁面间的碰撞为基础，对磨粒进行动力学分析，利用湍流流场中磨粒对壁面的切削作用，对被加工工件壁面粗糙处进行精密加工。该技术有效弥补了传统光整加工方法对结构化表面加工的劣势，同时也能够对其他复杂工件的表面加工，并且能够实现自动控制。

目前，加工所用的软性磨粒流加工流道采用单入口、单出口方式，流体从流道的入口流入，出口流出，最终回流至磨粒流储存箱。按照软性磨粒流加工的原理，对工件进行加工的软性磨粒流在磨粒流道内必须形成湍流流动，湍流中，磨粒运动的随机性有利于表面纹理无序化，直至实现结构化表面无工具镜面级加工。基于前期的实验状况，简单的单输入、单输出的加工流道存在以下缺点：①液压泵的压力或流量较低时，液压泵输出软性磨粒流的流速不能达到产生湍流时所需的最小速度，导致磨粒流道内的软性磨粒流的运动状态为层流状态，加工一段时间后，工件表面出现条纹，没有达到所期望的效果；②流体在流道入口的速度达到或超过产生湍流的最小速度，但是由于加工流道较长，在流动过程中能量损失，湍动能下降，在加工工件的后一部分，磨粒流基本为层流状态，致使工件后部分加工表面的层流痕迹明显，从而导致整个工件加工表面的加工效果不均匀。

发明内容

本发明要解决现有的软性磨粒流产生方法的湍流效果不明显、工件表面加工效果不均匀的问题，提出了一种增强湍流效果、工件表面加工效果较均匀的能有效增强软性磨粒流湍流的方法及其专用流道装置。

本发明的技术方案：

一种能有效增强软性磨粒流湍流的方法，其特征在于：首先采用了流体冲撞方法，所述软性磨粒流可以建立如下流体控制方程，

连续方程：

                                      （1）

动量方程：

                                                                    （2）

                     （3）

控制方程分别采用H、作为长度、速度的特征尺度进行无因次参数化，其中无因次变量分别定义如下：

式中：------x，y方向无因次速度变量；

         ------无因次坐标系

         ------无因次压力；

         ------空间高度或特征值

         ------空气的动力粘度

------Reynolds数

-----进口速度

所述流体冲撞是使两股不同运动参数的软性磨粒流从两个入口流道流入，在一圆形区域的交汇点处相撞，其二维流动方程为

          （4）

式（4）中，是Reynolds应力；

冲撞后软性磨粒流会产生水平和竖直方向的速度，得到轴向和径向的无量纲强度，分别定义为 

                      （5）

式（5）中，，是无量纲轴向距离，分别是撞击后向水平和竖直方向的速度，是每股流体的初始湍动能；

径向上的软性磨粒流在流道壁面的约束下，改变流体运动方向，轴向的无量纲强度会强于径向的无量纲强度，软性磨粒流连续冲撞在轴线两侧形成涡对，增强了软性磨粒流湍流；

然后是在流道内设置螺纹结构的方法，所述螺纹结构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当地摩擦速度定义为：

         （6）

式（6）中y=+1为凹壁面，y=-1为凸壁面；

另外，一个基于流向压力梯度的全局摩擦速度定义为：

                   （7）

整体坐标系下的脉动速度的均方根值在的无量纲化下，得出凹壁附近的湍流发展的比凸壁处要强；

湍流的粘性底层厚度近似公式：                （8）

式（8）中d为流道内径，为反映壁面凹凸不平及摩擦力大小的管道摩擦因子；

由此粘性底层厚度小于螺纹凸起部分的高度，粘性底层被破坏，湍流核心的流体冲击在螺纹凸起部分，在流道壁面附近，软性磨粒流流体在螺纹凸起后部出现了回流，产生了旋涡，加剧湍动程度。

一种能有效增强软性磨粒流湍流的方法的专用流道装置，其特征在于：包括加工流道底座，所述底座是三棱柱结构，所述底座的三顶角上设有平行于底座各侧面的切面，所述三顶角的各切面上分别开有流体进口和流体出口；所述底座上表面的中心线处开有沉槽，所述沉槽内开有矩形槽，所述矩形槽的两端开有沉孔，所述矩形槽一端的沉孔与流体出口连通，另一端沉孔与两流体进口连通，所述流体进口通往沉孔的流道里端壁面上设有大螺距螺纹；所述矩形槽内安装有约束流道，所述约束流道上安放有约束模块，所述约束模块通过盖板固定在底座内。

进一步，所述沉孔的直径大于矩形槽的宽度。

进一步，所述盖板是长方体结构，所述盖板在长度方向中心线的两侧开有光孔，其通过双头螺柱和螺母配合固定在底座上。

进一步，所述约束模块是一T字形结构，包括平板和设立在平板上的约束主体，所述平板的长宽尺寸小于沉槽的长宽尺寸，其厚度与沉槽的厚度相等，所述约束主体的两个端面是梯形结构，其沿长度方向的尺寸是渐变状。

进一步，所述约束流道的横截面是矩形，其尺寸与矩形槽相同，所述约束流道的流道形状与约束主体的外形类似。

进一步，所述约束模块的平板和底座的沉槽之间设有密封圈。

本发明的技术构思为：采用两个流体进口，两个流体进口互成一角度，来流沿流道从出口流出，最终沿回油管流回至磨粒流储存箱。在流体进口的后半部分设有大螺距的螺纹结构，高速软性磨粒流由流体进口进入，在通过大螺距的螺纹通道时，运动的流体额外获得一个旋转运动，增加了磨粒流运动的无规则性，当两进口的流体在底座的沉孔相汇聚时，两股流体相互冲击，进一步增加流体运动的无规则性。

 根据要加工工件的形状及尺寸，设计约束流道的整体尺寸及放置加工工件的流道的形状，然后确定T形约束模块外形及尺寸。在本发明中，设计的约束流道和约束模块为配套的序列化模块，约束流道中用来放置加工工件的位置的形状设为与工件外形相似，约束模块的约束主体则设为与工件吻合的形状。由于约束模块的尺寸较小，液压泵输出的软性磨粒流的速度及压力较大，为了防止约束模块出现较大变形而影响加工效果，将约束模块约束主体两个端面尺寸设置成渐变状，即一端面尺寸沿约束模块长度方向渐渐增大过渡到另一端面，最终两端面呈现梯形。约束模块的约束主体长度与约束流道相等，约束模块的平板长宽方向的尺寸均比底座的沉槽的尺寸要小，厚度与沉槽的厚度相等，两者在装配时留有间隙，该间隙用来放置密封圈，防止加工时软性磨粒流泄露，用盖板将约束模块和密封圈密封在底座内，有效地防止软性磨粒流从加工平台中泄露出来，盖板通过双头螺柱及螺母固定在底座上。

本发明的有益效果在于：结构简单、易于设计和制造；相比以前加工流道，更容易实现磨粒流的湍流状态，实现流体运动的无规则性；约束模块与约束流道配套使用，并且根据不同工件设计为序列化的模块，其优点为：每次更换加工工件时，只要加工一套与此工件的相吻合的模块，而不必将整个加工流道重新加工，降低成本，缩短加工前期准备时间。

附图说明

图1是本发明的双入口流道简易图。

图2是表面粗糙结构的流体运动示意图。

图3是本发明的结构示意图。

图4是本发明底座的结构视图。

图5是本发明底座的半剖视图。

图6是本发明约束模块结构示意图。

图7是本发明盖板结构示意图。

图8是本发明的约束流道模块结构示意图。

图9是本发明中约束模块与底座连接的结构示意图。

图10是本发明中的系统流程图。

具体实施方式

参照图1、图2，一种能有效增强软性磨粒流湍流的方法，其特征在于：首先采用了流体冲撞方法，所述软性磨粒流可以建立如下流体控制方程，

连续方程：

                                     （1）

动量方程：

                     （2）

                     （3）

控制方程分别采用H、作为长度、速度的特征尺度进行无因次参数化，其中无因次变量分别定义如下：

式中：------x，y方向无因次速度变量；

         ------无因次坐标系

         ------无因次压力；

         ------空间高度或特征值

         ------空气的动力粘度

------Reynolds数

-----进口速度

所述流体冲撞是使两股不同运动参数的软性磨粒流从两个入口流道流入，在一圆形区域的交汇点处相撞，其二维流动方程为

          （4）

式（4）中，是Reynolds应力；

冲撞后软性磨粒流会产生水平和竖直方向的速度，得到轴向和径向的无量纲强度，分别定义为 

                      （5）

式（5）中，，是无量纲轴向距离，分别是撞击后向水平和竖直方向的速度，是每股流体的初始湍动能；

径向上的软性磨粒流在流道壁面的约束下，改变流体运动方向，轴向的无量纲强度会强于径向的无量纲强度，软性磨粒流连续冲撞在轴线两侧形成涡对，增强了软性磨粒流湍流；

然后是在流道内设置螺纹结构的方法，所述螺纹结构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当地摩擦速度定义为：

         （6）

式（6）中y=+1为凹壁面，y=-1为凸壁面；

另外，一个基于流向压力梯度的全局摩擦速度定义为：

                   （7）

整体坐标系下的脉动速度的均方根值在的无量纲化下，得出凹壁附近的湍流发展的比凸壁处要强；

湍流的粘性底层厚度近似公式：                （8）

式（8）中d为流道内径，为反映壁面凹凸不平及摩擦力大小的管道摩擦因子；

由此粘性底层厚度小于螺纹凸起部分的高度，粘性底层被破坏，湍流核心的流体冲击在螺纹凸起部分，在流道壁面附近，软性磨粒流流体在螺纹凸起后部出现了回流，产生了旋涡，加剧湍动程度。

参照图3-9，实现软性磨粒流湍流增强方法的软性磨粒流加工流道，包括加工流道底座1，所述底座1是三棱柱结构，所述底座1的三顶角上设有平行于底座1各侧面的切面，所述三顶角的各切面上分别开有流体进口和流体出口；所述底座1上表面的中心线处开有沉槽11，所述沉槽11内开有矩形槽12，所述矩形槽12的两端开有沉孔13，所述矩形槽12一端的沉孔13与流体出口连通，另一端沉孔13与两流体进口连通，所述流体进口通往沉孔13的流道里端壁面上设有大螺距螺纹14；所述矩形槽12内安装有约束流道6，所述约束流道6上安放有约束模块5，所述约束模块5通过盖板2固定在底座1内。

所述沉孔13的直径大于矩形槽12的宽度。

所述盖板2是长方体结构，所述盖板2在长度方向中心线的两侧开有光孔21，其通过双头螺柱4和螺母3配合固定在底座1上。

所述约束模块5是一T字形结构，包括平板51和设立在平板51上的约束主体52，所述平板51的长宽尺寸小于沉槽11的长宽尺寸，其厚度与沉槽11的厚度相等，所述约束主体52的两个端面是梯形结构，其沿长度方向的尺寸是渐变状。

所述约束流道6的横截面是矩形，其尺寸与矩形槽12相同，所述约束流道6的流道形状与约束主体5的外形类似。

所述约束模块5的平板51和底座1的沉槽11之间设有密封圈。

本发明的技术构思为：采用两个流体进口，两个流体进口互成一角度，来流沿流道从出口流出，最终沿回油管流回至磨粒流储存箱。在流体进口的后半部分设有大螺距的螺纹结构，高速软性磨粒流由流体进口进入，在通过大螺距的螺纹通道时，运动的流体额外获得一个旋转运动，增加了磨粒流运动的无规则性，当两进口的流体在底座的沉孔相汇聚时，两股流体相互冲击，进一步增加流体运动的无规则性。

 根据要加工工件的形状及尺寸，设计约束流道6的整体尺寸及放置加工工件的流道的形状，然后确定T形约束模块5外形及尺寸。在本发明中，设计的约束流道6和约束模块5为配套的序列化模块，约束流道6中用来放置加工工件的位置的形状设为与工件外形相似，约束模块5的约束主体52则设为与工件吻合的形状。由于约束模块5的尺寸较小，液压泵输出的软性磨粒流的速度及压力较大，为了防止约束模块5出现较大变形而影响加工效果，将约束模块5约束主体52两个端面尺寸设置成渐变状，即一端面尺寸沿约束模块长度方向渐渐增大过渡到另一端面，最终两端面呈现梯形。约束模块5的约束主体52长度与约束流道6相等，约束模块5的平板51长宽方向的尺寸均比底座1的沉槽11的尺寸要小，厚度与沉槽11的厚度相等，两者在装配时留有间隙，该间隙用来放置密封圈，防止加工时软性磨粒流泄露，用盖板2将约束模块5和密封圈密封在底座1内，有效地防止软性磨粒流从加工平台中泄露出来，盖板2通过双头螺柱4及螺母3固定在底座1上。

本发明中的系统流程图见图10。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。