一种大长宽比矩形等截面通道均匀性磨粒流光整加工方法与流程

1.本发明属于磨粒流光整加工技术领域，具体涉及一种大长宽比矩形等截面通道均匀性磨粒流光整加工方法。

背景技术：

2.磨粒流光整加工是一种通过挤压黏弹性流体磨料对工件表面产生珩磨作用从而提高加工表面质量的特种加工技术。虽然磨粒流光整加工可达性好、表面质量高，但其用于大长宽比矩形等截面通道加工时具有加工不均匀的缺点，具体表现为通道横截面短边的光整加工效率远低于通道横截面长边，制约了该技术在大长宽比矩形等截面通道中的应用。
3.为了提高变截面通道磨粒流光整加工均匀性，现有技术是在通道内加装仿形模芯，模芯外表面和通道之间构建等间隙流道，流体磨料在等间隙流道中流动的速度接近，从而能够提高整个通道的加工均匀性。但是，该方法并不适用于大长宽比矩形等截面通道，其原因在于：如果通过加装仿形模芯构建等间隙流道，模芯厚度太小则刚性很难满足使用要求，增大模芯厚度又会导致流道间隙减小，此时流体磨料流动阻力过大以致磨粒流光整加工效率太低甚至根本没有加工效果。因此，如何实现面向大长宽比矩形等截面通道均匀性的磨粒流光整加工是亟需突破的技术难题。

技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种大长宽比矩形等截面通道均匀性磨粒流光整加工方法，在磨粒流光整加工前，根据通道在磨粒流光整加工中的材料去除率分布规律将通道沿横截面长边划分为左、中、右三个矩形待加工区域，然后针对通道中间待加工区域设计并制造仿形实心模芯，然后利用磨粒流光整加工整个通道，直到叶片表面粗糙度满足设计要求，最后将模芯与通道中间待加工区域装配，再利用磨粒流光整加工左、右两个矩形待加工区域，直到左、右两个待加工区域的表面粗糙度满足设计要求，此时整个通道的表面粗糙度都能满足设计要求，且均匀性较高。
5.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种大长宽比矩形等截面通道均匀性磨粒流光整加工方法，包括：
7.步骤1、在磨粒流光整加工前，根据大长宽比矩形等截面通道在磨粒流光整加工中的材料去除率分布规律，将通道沿横截面长边划分为左、中、右三个矩形待加工区域；
8.步骤2、针对通道中间待加工区域设计并制造仿形实心模芯；
9.步骤3、利用磨粒流光整加工整个通道，直到叶片表面粗糙度满足设计要求；
10.步骤4、将仿形实心模芯与通道中间待加工区域装配，然后利用磨粒流光整加工左、右两个矩形待加工区域，直到左、右两个待加工区域的表面粗糙度满足设计要求。
11.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
12.上述的大长宽比矩形等截面通道采用电火花加工、电火花线切割加工、增材制造或者铸造，其长宽比至少大于5。
13.上述的步骤1中，在磨粒流光整加工前，通过理论分析或者磨粒流光整加工预试验获得在磨粒流光整加工中的材料去除率分布。
14.上述的步骤1中所述待加工区域划分遵循以下原则：
15.左侧和右侧待加工区域的矩形横截面长边与通道矩形横截面的短边重合，左侧和右侧待加工区域的矩形横截面短边与通道矩形横截面的长边共线，且左侧及右侧待加工区域矩形横截面长宽比不小于2。
16.上述的步骤2中仿形实心模芯的矩形横截面上边线与通道的矩形横截面上边线的距离不小于磨粒流光整加工所用流体磨料中的硬质磨粒最大直径的5倍，且不大于左侧及右侧待加工区域矩形横截面的宽度。
17.上述的模芯材料采用淬火钢和尼龙，且模芯表面粗糙度ra《1.6μm。
18.上述的步骤3中所述磨粒流光整加工采用单向或双向加工磨粒流光整加工；
19.所用流体磨料为黏弹性固液两相流体磨料；
20.采用单向磨粒流光整加工时，模芯在长度方向设计1～5
°
锥角，且装配状态下模芯从小端面中心指向大端面中心的矢量方向与流体磨料的流动方向相同。
21.上述的步骤3中所述磨粒流光整加工在通道出、入口外侧添加与通道横截面形状相同的引流夹具以控制通道出、入口边缘在磨粒流光整加工中的倒圆角。
22.上述的步骤4中，装配后的模芯与通道上、下表面的距离相等，且装配后的模芯与通道左、右表面的距离相等。
23.本发明具有以下有益效果：
24.本发明方法在磨粒流光整加工前，根据通道在磨粒流光整加工中的材料去除率分布规律将通道沿横截面方向划分为左、中、右三个待加工区域，并针对通道中间待加工区域设计仿形实心模芯，整个加工过程分为两个阶段，其一为将模芯与通道中间待加工区域装配，然后利用磨粒流光整加工左、右两个待加工区域，直到左、右两个待加工区域的表面粗糙度满足加工要求，另一个为将模芯拆卸，再利用磨粒流光整加工整个通道，直到叶片表面粗糙度满足加工要求，从而实现整个通道的高均匀性磨粒流光整加工。
25.本发明方法特别适合大长宽比矩形等截面通道，且通道长宽比越大，或者通道宽度越窄，该方法的优势越突出，因而能够解决现有技术方案无法解决的磨粒流光整加工难题。
26.本发明方法不需借助流场仿真等方法设计模芯形状和尺寸，先加工中间待加工区域再加工左侧和右侧待加工区域的加工顺序能够实现三个待加工区域的无干涉定域加工，可靠地保证整个通道的加工均匀性。
附图说明
27.图1是本发明实施例中的大长宽比矩形等截面通道结构示意图；
28.图2是本发明实施例中的大长宽比矩形等截面通道待加工区域划分示意图；
29.图3是本发明实施例中的模芯结构示意图；
30.图4是本发明实施例中的模芯与待加工区域装配示意图；
31.图5是本发明实施例中的不加模芯磨粒流光整加工过程示意图；
32.图6是本发明实施例中的加装模芯磨粒流光整加工过程示意图；
33.图中标记为：1-工件，2-大长宽比矩形等截面通道，3-左侧待加工区域，4-中间待加工区域，5-右侧待加工区域，6-流体磨料，7-不加模芯磨粒流光整加工引流夹具，8-加装模芯磨粒流光整加工引流夹具。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
35.本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。
36.一种大长宽比矩形等截面通道均匀性磨粒流光整加工方法，包括：
37.步骤1、在磨粒流光整加工前，根据大长宽比矩形等截面通道在磨粒流光整加工中的材料去除率分布规律，将通道沿横截面长边划分为左、中、右三个矩形待加工区域；
38.步骤2、针对通道中间待加工区域设计并制造仿形实心模芯；
39.步骤3、利用磨粒流光整加工整个通道，直到叶片表面粗糙度满足设计要求；
40.步骤4、将仿形实心模芯与通道中间待加工区域装配，然后利用磨粒流光整加工左、右两个矩形待加工区域，直到左、右两个待加工区域的表面粗糙度满足设计要求。
41.实施例中，所述大长宽比矩形等截面通道采用电火花加工、电火花线切割加工、增材制造或者铸造，其长宽比至少大于5。
42.所述步骤1中，在磨粒流光整加工前，通过理论分析或者磨粒流光整加工预试验获得变截面深窄内腔在磨粒流光整加工中的材料去除率分布。
43.步骤1中所述待加工区域划分遵循以下原则：
44.左侧和右侧待加工区域的矩形横截面长边与通道矩形横截面的短边重合，左侧和右侧待加工区域的矩形横截面短边与通道矩形横截面的长边共线，且左侧及右侧待加工区域矩形横截面长宽比不小于2。
45.所述步骤2中仿形实心模芯的矩形横截面上边线与通道的矩形横截面上边线的距离不小于磨粒流光整加工所用流体磨料中的硬质磨粒最大直径的5倍，且不大于左侧及右侧待加工区域矩形横截面的宽度。
46.所述模芯材料采用淬火钢和尼龙，且模芯表面粗糙度ra《1.6μm。
47.步骤3中所述磨粒流光整加工采用单向或双向加工磨粒流光整加工；
48.所用流体磨料为黏弹性固液两相流体磨料；
49.采用单向磨粒流光整加工时，模芯在长度方向设计1～5
°
锥角，且装配状态下模芯从小端面中心指向大端面中心的矢量方向与流体磨料的流动方向相同。
50.步骤3中所述磨粒流光整加工在通道出、入口外侧添加与通道横截面形状相同的引流夹具以控制通道出、入口边缘在磨粒流光整加工中的倒圆角。
51.步骤4中所述装配需要保证装配后的模芯与通道上、下表面的距离相等，且装配后的模芯与通道左、右表面的距离相等。
52.实施例1
53.如图1所示，某工件1为带有大长宽比矩形等截面通道2的304不锈钢圆柱，大长宽比矩形等截面通道2尺寸为(长
×
宽
×
深)60mm
×
10mm
×
150mm，大长宽比矩形等截面通道2利用电火花线切割加工后，表面粗糙度r
a 2.0μm，设计要求为ra《0.6μm，还需磨粒流光整加工降低表面粗糙度。此类通道横截面短边的磨粒流光整加工效率远低于长边，加工均匀性较差。
54.为了提高大长宽比矩形等截面通道2磨粒流光整加工均匀性，根据本发明方法，采用以下技术方案：
55.首先，将大长宽比矩形等截面通道2沿横截面长边划分为左、中、右三个矩形待加工区域，如图2所示。其中，左侧待加工区域3和右侧待加工区域5的横截面长和宽分别为10mm和5mm，中间待加工区域4的横截面长和宽分别为50mm和10mm。
56.其次，设计如图3所示的实心模芯，模芯材料为淬火钢，尺寸为50mm
×
9.8mm
×
150mm，其高度略小于通道横截面宽度。模芯与待加工区域装配后的位置关系如图4所示。
57.然后，将不锈钢材料的不加模芯磨粒流光整加工引流夹具7与工件装配，装配间隙2mm，并利用双向磨粒流光整加工整个通道，如图5所示，直到中间待加工区域的表面粗糙度低于r
a 0.6μm。此加工过程中，流体磨料6从整个通道进入，以整个通道为加工表面，中间待加工区域的光整加工效率最高，越靠近左侧和右侧待加工区域，光整加工效率越低。
58.然后，清理通道中的流体磨料，用不锈钢材料的加装模芯磨粒流光整加工引流夹具8替换不加模芯磨粒流光整加工引流夹具7，并将模芯与通道中间待加工区域装配，再利用双向磨粒流光整加工左、右两个矩形待加工区域，如图6所示。此加工过程中，流体磨料6只能流经左侧和右侧待加工区域，因而左侧和右侧待加工区域为加工区域，中间待加工区域不发生材料去除。随着左侧和右侧待加工区域的表面粗糙度下降，整个通道的表面粗糙度值趋于一致，最终达到设计要求。
59.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
60.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：

1.一种大长宽比矩形等截面通道均匀性磨粒流光整加工方法，其特征在于，包括：步骤1、在磨粒流光整加工前，根据大长宽比矩形等截面通道在磨粒流光整加工中的材料去除率分布规律，将通道沿横截面长边划分为左、中、右三个矩形待加工区域；步骤2、针对通道中间待加工区域设计并制造仿形实心模芯；步骤3、利用磨粒流光整加工整个通道，直到叶片表面粗糙度满足设计要求；步骤4、将仿形实心模芯与通道中间待加工区域装配，然后利用磨粒流光整加工左、右两个矩形待加工区域，直到左、右两个待加工区域的表面粗糙度满足设计要求。2.根据权利要求1所述的一种大长宽比矩形等截面通道均匀性磨粒流光整加工方法，其特征在于，所述大长宽比矩形等截面通道采用电火花加工、电火花线切割加工、增材制造或者铸造，其长宽比至少大于5。3.根据权利要求1所述的一种大长宽比矩形等截面通道均匀性磨粒流光整加工方法，其特征在于，所述步骤1中，在磨粒流光整加工前，通过理论分析或者磨粒流光整加工预试验获得在磨粒流光整加工中的材料去除率分布。4.根据权利要求1所述的一种大长宽比矩形等截面通道均匀性磨粒流光整加工方法，其特征在于，步骤1中所述待加工区域划分遵循以下原则：左侧和右侧待加工区域的矩形横截面长边与通道矩形横截面的短边重合，左侧和右侧待加工区域的矩形横截面短边与通道矩形横截面的长边共线，且左侧及右侧待加工区域矩形横截面长宽比不小于2。5.根据权利要求1所述的一种大长宽比矩形等截面通道均匀性磨粒流光整加工方法，其特征在于，所述步骤2中仿形实心模芯的矩形横截面上边线与通道的矩形横截面上边线的距离不小于磨粒流光整加工所用流体磨料中的硬质磨粒最大直径的5倍，且不大于左侧及右侧待加工区域矩形横截面的宽度。6.根据权利要求5所述的一种大长宽比矩形等截面通道均匀性磨粒流光整加工方法，其特征在于，所述模芯材料采用淬火钢和尼龙，且模芯表面粗糙度ra<1.6μm。7.根据权利要求1所述的一种大长宽比矩形等截面通道均匀性磨粒流光整加工方法，其特征在于，步骤3中所述磨粒流光整加工采用单向或双向加工磨粒流光整加工；所用流体磨料为黏弹性固液两相流体磨料；采用单向磨粒流光整加工时，模芯在长度方向设计1～5
°
锥角，且装配状态下模芯从小端面中心指向大端面中心的矢量方向与流体磨料的流动方向相同。8.根据权利要求1所述的一种大长宽比矩形等截面通道均匀性磨粒流光整加工方法，其特征在于，步骤3中所述磨粒流光整加工在通道出、入口外侧添加与通道横截面形状相同的引流夹具以控制通道出、入口边缘在磨粒流光整加工中的倒圆角。9.根据权利要求1所述的一种大长宽比矩形等截面通道均匀性磨粒流光整加工方法，其特征在于，所述步骤4中，装配后的模芯与通道上、下表面的距离相等，且装配后的模芯与通道左、右表面的距离相等。

技术总结

本发明公开了一种大长宽比矩形等截面通道均匀性磨粒流光整加工方法，包括：步骤1、在磨粒流光整加工前，根据大长宽比矩形等截面通道在磨粒流光整加工中的材料去除率分布规律，将通道沿横截面长边划分为左、中、右三个矩形待加工区域；步骤2、针对通道中间待加工区域设计并制造仿形实心模芯；步骤3、利用磨粒流光整加工整个通道，直到叶片表面粗糙度满足设计要求；步骤4、将仿形实心模芯与通道中间待加工区域装配，然后利用磨粒流光整加工左、右两个矩形待加工区域，直到左、右两个待加工区域的表面粗糙度满足设计要求。可靠地保证整个通道的加工均匀性。加工均匀性。加工均匀性。