[发明专利]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

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：