微细内流道的表面光整方法、微细内流道工件及光整介质技术

本发明专利技术涉及一种微细内流道的表面光整方法、微细内流道工件以及光整介质。其中，所述微细内流道的口径小于或等于3mm以及长径比大于或等于50:1，所述光整方法包括：采用液体固体两相流光整介质，所述光整介质的液体相黏度<1000cP，所述光整介质的固体相为磨粒；对所述光整介质施加预定压力，使得所述光整介质在微细内流道内以>5m/s的流速流动，并且所述光整介质在所述微细内流道的一端流入其内部的流量达到所述微细内流道的口径所能容纳流量的饱和值，使内流道内部的液压力处于憋压状态。使内流道内部的液压力处于憋压状态。使内流道内部的液压力处于憋压状态。

【技术实现步骤摘要】
微细内流道的表面光整方法、微细内流道工件及光整介质


[0001]本专利技术涉及内流道的精密加工领域，尤其涉及微细内流道的表面光整方法、微细内流道工件及光整介质。

技术介绍

[0002]具有微细复杂内流道结构的零件在航空航天、船舶、核、汽车、模具等工业领域有着极其广泛的应用，特别是与流体动力系统相关的零部件常常具有微细流道、深小孔及微细流道与深小孔联通等复杂内腔结构，起到对流体的输运、交换或施加液压力等功能，如航空/航天/船舶/汽车各类发动机燃油喷嘴、热交换器、液压组件、油路控制节流器等。
[0003]可加工微细复杂内流道的工艺技术包括精密机加工、飞秒/水导/长脉冲激光加工、电火花加工及增材制造(3D打印)等。除增材制造技术外，其他单一工艺加工的微细复杂内流道结构相对简单，且长径比较小，需结合焊接等其他组合工艺才可加工微细复杂内流道。精密机加工的微细复杂内流道会产生毛刺、拐点尖角或接刀台阶等问题；飞秒激光加工的内流道表面会产生粘附的残渣颗粒和表面“台阶”效应；水导/长脉冲激光及电火花加工的内流道表面会产生重熔层；增材制造(3D打印)是一种将复杂三维结构零件模型离散为二维结构进行逐层叠加成形的技术，它使复杂微细复杂内流道零件一体化成型成为可能，因而在航空航天、汽车、模具等工业领域的应用日趋增多。然而，增材制造技术在成型零件过程中因存在温度梯度和逐层成型等自身工艺特点，导致零件内流道表面存在半烧结或粘结的粉末颗粒以及表面“台阶”效应。
[0004]机加工毛刺、飞秒激光加工内流道粘附烧结颗粒、增材制造内流道表面粘结粉末等都会影响零件的使用性能和安全性：当内流道中通入的流体与表层高速摩擦造成毛刺、粘附残渣颗粒或粘结粉末脱落时会成为多余物而随流体到处扩散，或堵塞油路或引起机械磨损故障，从而造成重大安全事故；粗糙度大的内表面在长期使用过程中易成为疲劳裂纹源，若是高温油路系统还易导致积碳现象发生；机加工流道表面的刀纹、拐点尖角或接刀台阶，飞秒激光及增材制造加工内流道表面的“台阶”现象等都会导致流体运动过程产生湍流、涡流和流体沿程阻力急剧增加，甚至造成流体失控，产生振动而降低零件使用寿命。粗糙表面也会使流体中产生大量空化气泡影响燃烧和液力，甚至产生空化腐蚀；对于一些特定材质的零件(如空心叶片)内流道及联通小孔，因重熔层表面易出现微裂纹而导致零件过早失效，因而要求减少重熔层厚度或不允许出现重熔层。
[0005]因此，通过精密机加工、飞秒/水导/长脉冲激光加工、电火花加工、增材制造(3D打印)等技术加工流体动力零部件内流道表面时，会带来毛刺、粘结粉末和烧结颗粒等残留物、表面粗糙及重熔层等不利问题，需要采用合适的表面光整技术消除这些不利影响后才能满足产品的性能要求。
[0006]但目前可以有效地对微细复杂内流道表面光整的技术尚未出现，以至于目前对于增材制造的微细复杂内流道工件，其内表面的粗糙度一般都只具有增材制造后的原始平均粗糙度Ra≥6.3μm，没有出现内流道的表面最优粗糙度Ra小于或等于1.6 μm的产品，对于激
光加工、电火花加工的微细复杂内流道工件没有出现内流道的表面最优粗糙度Ra小于或等于0.8 μm的产品；以及对于机加工的微细复杂内流道工件没有出现内流道的表面最优粗糙度Ra小于或等于0.4μm的产品，而目前微细复杂内流道若具有S型弯、L型弯、U型弯、O型弯等复杂异形流道，无法采用只能进行直线进给的机加工实现，而只能通过增材制造等方式实现，因此目前也没有出现对于增材制造的微细异形复杂内流道表面最优粗糙度Ra小于或等于1.6 μm的产品。

技术实现思路

[0007]本申请的目的在于提供一种微细内流道的表面光整方法、微细内流道工件以及光整介质。
[0008]第一方面，本申请提供一种微细内流道的表面光整方法，所述微细内流道的口径小于或等于3mm以及长径比大于或等于50:1，所述光整方法包括：采用液体固体两相流光整介质，所述光整介质的液体相黏度<1000cP，所述光整介质的固体相为磨粒；对所述光整介质施加预定压力，使得所述光整介质在微细内流道内以>5m/s的流速流动，并且所述光整介质在所述微细内流道的一端流入其内部的流量达到所述微细内流道的口径所能容纳流量的饱和值，使内流道内部的液压力处于憋压状态。
[0009]本申请实施例的技术方案中，通过采用光整介质的液体相的黏度为小于1000cP的液体，两相流的光整介质在微细内流道内的流速>5m/s，以及在微细内流道的一端流入其内部的流量，达到所述微细内流道的口径所能容纳流量的饱和值，内流道内部的液压力处于憋压状态，形成液体载动磨粒对微细内流道高效磨抛的手段，即通过低黏度的液体相、流体流速以及饱和流量这三者的协同作用，解决了微细内流道光整加工的难题。其原理在于，首先，由于低黏度的液体相、光整介质的流动流速以及饱和流量这三者的协同作用，使得光整介质可以流畅地进入微细内流道并且在微细内流道内形成类似于非牛顿流体的状态，流体边界层平行内流道表面，如“刀具般”坚硬的非牛顿流体中磨粒剪切摩擦实现粗糙表面凸点靶向加工，另外，由以上三者的协同作用，还使得光整介质中磨粒与微细内流道表面产生摩擦微切削力，因此可以不受微细内流道的材料限制而能够获得表面最优粗糙度与磨粒平均刃尖接触长度范围一致的超镜面质量。
[0010]在一些实施例中，所述光整介质的液体相为水基液体。
[0011]在一些实施例中，所述磨粒具有表面尖角结构，磨粒刃尖平均切削深度为1.4nm ~ 14nm，磨粒刃尖平均接触长度为50nm ~ 1000nm。
[0012]在一些实施例中，所述光整介质在标准时间段光整所述微细内流道，至所述微细内流道的表面最优粗糙度达到目标值，所述标准时间段通过以下步骤得到：所述光整介质在初始时间段光整所述微细内流道，检测微细内流道的表面最优粗糙度，若表面最优粗糙度符合所述目标值则该初始时间段为所述标准时间段；若表面最优粗糙度未达到所述目标值，则逐次增加步进时间段，直至表面最优粗糙度达到目标值，对应的总时间段即为所述标准时间段；其中，所述初始时间段以及步进时间段根据所述磨粒对应的单边减薄速率以及微细内流道的初始平均表面粗糙度得到。
[0013]在一些实施例中，所述预定压力P满足以下公式：
其中，Ra0为微细内流道的初始平均表面粗糙度，Ra为经过光整后微细内流道的表面最优粗糙度的目标值，t为初始时间段。L为磨粒刃尖平均切削深度，b为磨粒刃尖平均接触长度，ρ
l
为水基液体相密度，ρ
p
为磨粒固体相密度、σ
w
为工件材料屈服极限、χ为达到饱和流量的增压比，Re为液体相的雷诺数，l为内流道的长度，D为内流道的口径，d为磨粒粒径，k为凹凸磨削比系数。
[0014]在一些实施例中，所述光整方法还包括，内流道光整后，内流道口径扩大值对应的表面最优粗糙度满足以下公式：其中，Ra
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为内流道光整后端口口径扩大后的表面最优粗糙度，Ra0为微细内流道的初始平本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微细内流道的表面光整方法，其特征在于，所述微细内流道的口径小于或等于3mm以及长径比大于或等于50:1，所述光整方法包括：采用液体固体两相流光整介质，所述光整介质的液体相黏度<1000cP，所述光整介质的固体相为磨粒；对所述光整介质施加预定压力，使得所述光整介质在微细内流道内以>5m/s的流速流动，并且所述光整介质在所述微细内流道的一端流入其内部的流量达到所述微细内流道的口径所能容纳流量的饱和值，使内流道内部的液压力处于憋压状态。2.如权利要求1所述的光整方法，其特征在于，所述光整介质的液体相为水基液体。3.如权利要求1所述的光整方法，其特征在于，所述磨粒具有表面尖角结构，磨粒刃尖平均切削深度为1.4nm ~ 14nm，磨粒刃尖平均接触长度为50nm ~ 1000nm。4.如权利要求3所述的光整方法，其特征在于，所述光整介质在标准时间段光整所述微细内流道，至所述微细内流道的表面最优粗糙度达到目标值，所述标准时间段通过以下步骤得到：所述光整介质在初始时间段光整所述微细内流道，检测微细内流道的表面最优粗糙度，若表面最优粗糙度符合所述目标值则该初始时间段为所述标准时间段；若表面最优粗糙度未达到所述目标值，则逐次增加步进时间段，直至表面最优粗糙度达到目标值，对应的总时间段即为所述标准时间段；其中，所述初始时间段以及步进时间段根据所述磨粒对应的单边减薄速率以及微细内流道的初始平均表面粗糙度得到。5.如权利要求3所述的光整方法，其特征在于，所述预定压力P满足以下公式：其中，Ra0为微细内流道的初始平均表面粗糙度，Ra为经过光整后微细内流道的表面最优粗糙度的目标值，t为初始时间段，L为磨粒刃尖平均切削深度，b为磨粒刃尖平均接触长度，ρ
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为水基液体相密度，ρ
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为磨粒固体相密度、σ
w
为工件材料屈服极限、χ为达到饱和流量的增压比，Re为液体相的雷诺数，l为内流道的长度，D为内流道的口径，d为磨粒粒径，k为凹凸磨削比系数。6.如权利要求1所述的光整方法，其特征在于，还包括，内流道光整后，内流道口径扩大值对应的表面最优粗糙度满足以下公式：其中，Ra
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为内流道光整后端口口径扩大后的表面最优粗糙度，Ra0为微细内流道的初始平均表面粗糙度，δ为端口口径扩大值， k为凹凸磨削比系数。7.如权利要求1所述的光整方法，其特征在于，还包括：所述微细内流道的表面最优粗糙度达到目标值后，以所述预定压力往所述微细内流道中注入清洗介质，所述清洗介质与所述光整介质的液体相互溶，直至从所述微细内流道流出的清洗介质出现丁达尔效应为止。8.如权利要求1所述的光整方法，其特征在于，还包括：在液体相的黏度、固体相的磨粒粒径、磨粒质量浓度的下限值的基础上，逐渐增加光整
介质的液体相的黏度、固体相的磨粒粒径、磨粒质量浓度进行光整，直至两相流的光整介质的流速或流量相比于下限值对应的流速或流量降低了1%~5%，得到所述黏度、磨粒粒径、磨粒质量浓度的最佳值范围。9.如权利要求1所述的光整方法，其特征在于，所述光整介质在标准时间段光整...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷力明，米天健，王小康，樊林娜，周新民，王威，高军帅，
申请(专利权)人：陕西金信天钛材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：