[发明专利]交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具及其模芯的计算方法

权利要求书

1.交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具，其特征在于：包括多个流道控制单元和密封装置；所述的流道控制单元包括过渡段、引流段和模芯，所述的流道控制单元的数量与交叉孔工件(5)的孔口数量相同；每个流道控制单元对应一个交叉孔工件(5)的孔口；将所述的流道控制单元分为两组，两组流道控制单元分别与磨粒流抛光设备中的料缸A(1)和料缸B(6)连接；

所述的引流段的一端与料缸连接、另一端与过渡段的一端连接；所述的过渡段的另一端与交叉孔工件(5)的一个孔的孔口连接；所述的模芯的一端固定在引流段或过渡段上，另一端穿过过渡段经交叉孔工件(5)的对应孔口伸入交叉孔工件(5)中；所述的过渡段、模芯和对应孔的孔口轴线共线；所述的引流段与料缸之间设置密封装置，所述的过渡段与交叉孔工件(5)的对应孔口之间设置密封装置。

2.根据权利要求1所述的交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具，其特征在于：所述过渡段的内径等于交叉孔工件(5)的对应孔口的内径，过渡段长度取5-20mm。

3.根据权利要求1所述的交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具，其特征在于：所述的流道控制单元按交叉孔工件(5)孔口相邻就近的原则分为两组，且其中一组流道控制单元的交叉孔工件(5)的孔口流道横截面积之和与另一组流道控制单元的交叉孔工件(5)孔口面积之和相近。

4.根据权利要求1所述的交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具，其特征在于：所述的密封装置包括O形密封圈、平面密封垫或止口密封。

5.根据权利要求1所述的交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具，其特征在于：所述的交叉孔工件(5)和流道控制单元通过模具固定。

6.交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具的模芯的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、确定模芯初始形状和大小

假定模具中的模芯横截面形状与交叉孔工件(5)孔的内壁横截面形状相同，且每个流道控制单元的模芯与各自交叉孔内壁之间的间隙沿流道相等，初始流道间隙取4-8mm；

B、建立流场控制方程

针对引流段、过渡段、交叉孔和模芯构成的物理模型，建立不可压缩粘弹性流体恒温定常流动质量方程、动量方程，分别如式(1)和式(2)所示；

式中：ρ是磨料介质的密度，kg/m³；u、v、w分别表示流场中任意一点的速度在笛卡尔坐标系中的x、y、z方向的分量，m/s；p任意一点的流场压力，Pa；g重力加速度，m/s²；τ_ij为应力，Pa，i＝x、y、z，j＝x、y、z；

C、选择磨料介质本构方程

为简化计算，假设磨料介质的本构方程遵循式(3)所示的Cross方程：

式中：η为表观粘度，N·s/㎡；为剪切速率，s^-1；λ材料的特征时间，s；η₀为零剪切粘度，N·s/㎡；n称为非牛顿指数，且0<n<1；

D、流场模拟仿真分析与材料去除率求解

依据公式(1)-(3)，利用流场分析软件FLUENT进行流场模拟仿真分析可得到流场的速度压力分布，然后计算磨料介质对工件壁面每一点的材料去除率，由于磨粒流加工过程中，流场稳定，采用式(4)所示Preston方程表示磨粒流加工对工件中某一点(x，y，z)的材料去除率与各种工艺参数以及磨料介质特性的关系；

MRR＝kpv (4)

式中：MRR为单位时间的材料去除率，m/s；k是一个与磨粒自身特性、磨粒与工件的相互作用、工件的硬度和表面形貌有关的比例常数，通过实验测量不同点的去除量分别计算系数求取平均值来确定，m²/N；v为磨料介质在近壁面区域的相对速度，m/s；p为磨粒在近壁面区域的相对压力，Pa；

E、判断材料去除率是否满足加工要求

计算材料去除率的最大值与材料去除率最小值之差，判定该差值是否满足式(5)：

MRR_max-MRR_min≤e (5)

式中：MRR_max和MRR_min分别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许的最大材料去除率和最小材料去除率之差的最大值；

如果满足则转步骤H；

F、建立材料去除率与流道间隙关系

依据Preston方程得到交叉孔内壁的材料去除规律与流道间隙的关系式：

式中，(x，y，z)表示交叉孔内壁一点在坐标系中的坐标值，Ω为交叉孔内壁所在的边界函数；H为交叉孔内壁材料去除率与流道间隙的关系函数；

G、优化模芯轮廓方程

为了保证所求的模芯外表面所在方程向着使得交叉孔工件(5)壁面流场更加均匀的方向进行，流道间隙的调整必须满足间隙优化准则式(7)：

式中，m是大于等于1的自然数，δ^(m+1)(x₁,y₁,z₁)表示交叉管内壁一点(x₁,y₁,z₁)处经过第m次优化得到的该处的流道间隙，MRR^(m)(x₁,y₁,z₁)表示利用第m次流场分析求得的点(x₁,y₁,z₁)的材料去除率，δ^(m+1)(x₂,y₂,z₂)表示交叉管内壁另一点(x₂,y₂,z₂)经过第m次优化得到的该处的流道间隙，MRR^(m)(x₂,y₂,z₂)表示利用第m次流场分析求得的点(x₂,y₂,z₂)的材料去除率；

依据上述间隙优化准则，等间距确定流道间隙δ，采用样条插值方式反求出使得材料去除率更加均匀的模芯外轮廓所在的方程B^(m+1)，如式(8)所示：

式中，B^(m+1)表示经过第m次模芯优化得到的第m+1个模芯外轮廓样条插值所得的方程；

返回至步骤D进行迭代，即将B^(m+1)作为新的模芯轮廓方程，进行流场模拟仿真分析与材料去除率求解；

H、结束。