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通过流动磨削进行组件的表面加工的方法与流程

文档序号:24940583发布日期:2021-05-04 11:33
通过流动磨削进行组件的表面加工的方法与流程

本发明涉及一种通过流动磨削对组件进行表面加工的方法,包括以下步骤:

(a)提供坯体,

(b)用含有研磨颗粒的流体载体材料淹没坯体的至少一个表面。

流动磨削方法为用含有研磨颗粒的流体载体材料,特别是含有研磨颗粒的液体淹没待加工表面的加工方法。在淹没操作过程中,流体载体材料中含有的研磨颗粒撞击待加工组件的表面,由此相应的表面被侵蚀磨损,因为研磨颗粒在撞击时由组件移除材料。取决于几何形状,特别是研磨颗粒的形状和尺寸分布,在这种情况下,可对表面进行非常精细的加工,特别是还可以对非常精细的结构进行处理。当流体载体材料为液体时,流动磨削方法也称为水蚀方法或水蚀磨削方法。流动磨削方法可用于例如处理表面粗糙度为50-500μm的金属、陶瓷和/或塑料的3d打印组件的表面。这些表面粗糙度在使用相应的组件时带来不希翼的效果,例如结垢或增加压力损失。为了能够在磨削过程之后将精确的几何形状保持在误差公差内,在生产过程,特别是通过3d打印过程进行生产的情况下,组件的几何形状必须任选地经修改,并且必须能够以精确和受控方式调整磨削方法。

例如,wo2014/000954a1公开了通过水蚀方法对内燃机注射阀中的注射管嘴上的孔进行倒角,从而以这种方式在非常小的孔处磨去锐边过渡,燃料通过该孔在高压下注入内燃机。对于该方法,含有研磨颗粒的液体流动通过注射管嘴。为了均匀地流动通过注射管嘴中的孔且因此均匀地倒角边缘,在注射阀中引入中空体且使含有研磨颗粒的液体引导通过在中空体中形成的内部流动管道和在中空体与注射阀的内壁之间形成的外部流动管进行。在此,为了获得均匀的结果,可以使用流动通过内部和外部流动管道的不同的含有研磨颗粒的液体,和/或以不同流动速度或压力使含有研磨颗粒的液体通过内部和外部流动管道。

例如在p.a.rizkalla,developmentofahydroerosionmodelusingasemi-empiricalmethodcoupledwithaneuler-eulerapproach,dissertation,royalmelbourneinstituteoftechnology,universityofmelbourne,2007年11月,第36-44页中描述了水蚀磨削的数学模拟。

已知方法的缺点是在待加工的非平面表面的情况下,可能发生的是流分离,其导致气蚀且因此不希翼的材料移除,因此可能导致待加工表面的损坏,而且磨削的数学模拟是复杂的。

因此,本发明的一个目的是提供一种在其中不损坏待加工组件的表面且其数学模拟较不复杂的方法。

该目的通过一种通过流动磨削对组件进行表面加工的方法实现,所述分包括以下步骤:

(a)提供坯体;

(b)用含有研磨颗粒的流体载体材料淹没坯体的至少一个表面;

其中将坯体在淹没过程中在含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向变化的位置处磨圆,

并且在成品组件上发生流分离的位置处附接额外材料,使得防止淹没操作开始时的流分离。

通过在淹没过程中在含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向变化的位置处磨圆坯体且通过在成品组件上发生流分离的位置处附接额外材料,防止由于含有研磨颗粒的流体载体材料对表面进行加工,因流分离和相关的回流而通过气蚀以非受控方式移除材料并因此损坏组件的情况。

含有研磨颗粒的流体载体材料例如是水、油或高度粘稠脂,即在加工温度下具有100-1000000pa·s的粘度,特别是具有1000-200000pa·s的粘度的脂。特别优选流体载体材料是油,特别是液压油。研磨颗粒在流体载体材料中的比例优选为1-80体积%,特别是2-60体积%。当使用液体作为流体载体材料如水或油时,研磨颗粒的比例优选为1-50体积%,更优选为1-20体积%,特别是1-5体积%,并且当使用高度粘稠脂作为流体载体材料时,研磨颗粒的比例优选为20-80体积%,特别是40-60体积%。

用于研磨颗粒的材料取决于待加工的组件的材料。当组件由金属或陶瓷组成时,优选使用碳化硼或金刚石的研磨颗粒。在组件由塑料组成的情况下,特别适合的是碳化硼、金刚石、砂或硅的研磨颗粒。研磨颗粒的形式和尺寸还取决于待加工的组件的材料和所需的表面整饰,特别是所需的表面粗糙度,以及待加工的结构的尺寸。研磨颗粒的合适形式尤其是锐边颗粒,例如粉碎的颗粒。合适研磨颗粒优选具有1-1000μm的尺寸分布,特别是在使用油时的尺寸分布为1-10μm,且在使用脂时的尺寸分布为10-1000μm。

对于通过流动磨削进行加工,首先将组件引入管道,使含有研磨颗粒的流体载体材料流动通过该管道。当意欲对组件的外表面进行加工时,将组件引入管道,使得含有研磨颗粒的流体载体材料可淹没表面。当加工内部表面如孔时,组件与管道连接,使得含有研磨颗粒的流体载体材料流动通过待加工的开口如孔,但不与不意欲加工的表面接触。例如,对于孔的研磨,可以在组件上提供适当的连接,经由这些连接供应含有研磨颗粒的流体载体材料并由组件中流回。

为了防止在淹没过程中在含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向变化的位置处于流分离且因此由于气蚀不希翼的材料移除,将坯体在淹没过程中在含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向以对应于流通过其上的表面与含有研磨颗粒的流体载体材料流动通过的管道的相对壁之间的平均间距的0.1-2.5倍的半径变化的位置处磨圆。优选在淹没过程中含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向以对应于流通过其上的表面与含有研磨颗粒的流体载体材料流动通过的管道的相对壁之间的平均间距的0.25-1.5倍的半径,特别是0.5倍的半径变化的位置处将坯体磨圆。

就此而言,平均间距例如可以以数学方式测定。然而,优选平均间距是流通过其上的表面与相对壁之间的最小间距和流通过其上的表面与相对壁之间的最大间距的平均值。在该情况下,最小间距和最大间距均可位于流动方向变化的上游或均位于流动方向变化的下游,或者两种间距之一位于流动方向变化的上游,而两种间距中的另一个位于流动方向的下游。特别是在流通过其中的管道包含方向变化的情况下,可能的是例如管道可在方向变化的上游具有第一水力直径,而在方向变化的下游具有第二水力直径。在这方面,第一水力直径可以小于第二水力直径,或者第一水力直径大于第二水力直径。

这里水力直径的计算如下:

其中dh是水力直径,u是圆周,且a是流通过其中的管道的横截面积。

例如,当将坯体引入其中并且含有研磨颗粒的流体载体材料流动通过其中以加工坯体外表面的管道具有弯曲或弯曲,并且将待加工的坯体定位于弯曲或弯曲的区域时,导致含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向变化。此外,当坯体中含有管道且该管道具有弯曲(curvature)或弯部(bend)时,还导致流动方向变化,并且意欲通过流动磨削方法加工界限管道的壁。在该情况下,含有研磨颗粒的流体载体材料流动通过坯体所位于的管道。

当意欲通过流动磨削方法加工坯体的外表面时,坯体通常位于沿着没有弯部或弯曲且没有收缩或加宽的直线伸展的管道中。在该情况下为了防止材料由于流分离而通过气蚀以非受控方式移除的情况,在成品组件上发生流分离的位置上附接额外材料。在组件具有暴露于流的旋转对称投影表面的情况下,额外材料在面对流的侧面上具有相对于含有研磨颗粒的流体载体材料在其中流通过的管道的中心轴线沿着流动方向倾斜并且凹形伸展的表面。

就此而言,“在面对流的侧面上”是指含有流动颗粒的流体载体材料流通过其上的侧面。

具有暴露于流的旋转对称投影表面的组件例如是球体。沿着含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向显现出圆形面的任何其他组件也具有暴露于流的旋转对称投影表面。该组件例如还可具有液滴的形式,其中在该情况下,组件在液滴的半球形端部暴露于流。

为了防止流分离,额外施加的材料的倾斜和凹形伸展表面具有半径为旋转对称投影表面直径的1-5倍的弯曲。额外施加的材料的倾斜和凹形伸展表面还优选具有半径为旋转对称投影表面直径的1.5-3倍的弯曲,例如具有半径对应于旋转对称投影表面直径的2倍的弯曲。

当暴露于流的投影表面并非旋转对称时,在成品组件上发生流分离的位置上附接的额外材料在面对流的侧面上具有相对于平行于含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向伸展的中心平面沿着流动方向倾斜且凹形伸展的表面。同样地,在该情况下,相对于平行于含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向伸展的中心平面倾斜和凹形的表面防止发生流分离,这导致气蚀且因此非受控移除材料。

特别有利的是相对于平行于含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向伸展的中心平面倾斜并凹陷伸展的额外材料的表面具有半径为由平行于含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向伸展的中心平面至非旋转对称投影表面的边缘的最大垂直间距的2-10倍的弯曲。特别优选的是倾斜和凹形伸展表面的弯曲具有由平行于含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向伸展的中心平面至非旋转对称投影表面的边缘的最大垂直间距的3-6倍的半径,例如对应于平行于含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向伸展的中心平面至非旋转对称投影表面的边缘的最大垂直间距的4倍的半径。

就此而言,“中心”是指平行于含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向伸展并具有非旋转对称投影表面的平面的交线在投影表面的中心伸展。在轴向对称的投影表面的情况下,与含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向平行伸展并具有非旋转对称投影表面的平面的交线形成非旋转对称投影表面的对称轴。

具有非旋转对称投影表面的组件例如是管、轴或锭子,其外表面要用流动磨削方法加工。管、轴或锭子在此可以具有任何所需的横截面形式,其中圆形横截面特别适合用流动磨削方法加工。在该情况下,将待加工的管、待加工的轴或待加工的锭子与含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向横向放置,置于将含有研磨颗粒的流体载体材料引导通过的管道中,其结果是暴露于流中的管、轴或锭子的投影表面是矩形,其长度对应于管、轴或锭子的长度且其高度对应于管、轴或锭子的直径。平行于含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向伸展的中心平面优选平行于矩形的长度延伸,并在一半高度处与投影表面相交。在该情况下,倾斜和凹形表面的弯曲半径因此对应于管、轴或锭子的半径的2-10倍。

在表面通过流动磨削加工后,必须移除额外施加的材料,以获得所需组件。为此,可以例如提高含有研磨颗粒的流体载体材料的流动速度且因此以目标方式磨蚀材料。在这方面,应确保速度不会增加太多,从而防止额外施加的材料非受控移除。

当意欲不加工坯体的外表面而是坯体内的管道时,在流通过其上且形成在其中管道包括方向变化的管道壁的表面的情况下,优选将在中心具有凸形伸展表面和向外凹形伸展表面的材料施加于由于管道的方向变化而暴露于含有研磨颗粒的流体载体的流的管道壁。

在暴露于含有研磨颗粒的流体载体材料的流的侧面上额外施加的材料防止通过流动磨削将凹陷引入管道壁的情况。在中心凸形伸展且向外凹形伸展的表面有助于含有研磨颗粒的流体载体材料的偏转,特别是防止材料因气蚀而非受控移除。因此,施加于壁的材料通过流动磨削方法以受控方式移除,其结果是可以以简单方式防止损坏管道壁。

优选凸形伸展表面具有半径为管道的水力直径的0.5-5倍的弯曲。该弯曲特别优选具有管道的水力直径的0.5-2倍,例如管道的水力直径的1倍的半径。所施加的材料的最大厚度优选对应于管道的水力直径的0.1-0.75倍,特别是0.4-0.6倍,例如0.5倍。

所施加的材料的向外凹形伸展的表面优选具有半径为管道的水力直径的0.5-5倍的弯曲。向外凹形伸展的表面特别优选具有半径为管道的水力直径的1-3倍,例如2倍的弯曲。

当管道具有在方向变化上游与方向变化下游的水力直径不同的水力直径时,所施加的材料的凹形弯曲半径和所施加的材料的凸形弯曲半径所基于的水力直径是管道在方向变化下游的水力直径。

当管道具有在其中管道尺寸由具有第一水力直径的区域至具有第二水力直径的区域增加的加宽时,即第二水力直径大于第一水力直径,在其中在具有第一水力直径的区域与具有第二水力直径的区域之间的管道壁的过渡部分相对于主流动方向具有7°和90°之间,特别是45°和90°之间的角度,当流沿着由具有第一水力直径的区域至具有第二水力直径的区域的方向通过管道时,在过渡部分和具有第二水力直径的区域均可能发生气蚀且因此非受控的材料移除。在逆流方向的情况下,气蚀与相关的非受控的材料移除可以相应地发生在过渡区域和随后沿着流动方向与之相邻并具有第一水力直径的区域。

为了防止该非受控的材料移除,优选在流通过其上且形成如下管道壁的表面的情况下,在其中管道具有在其中管道尺寸由具有第一水力直径的区域至具有第二水力直径的区域增加的加宽,在其中在具有第一水力直径的区域和具有第二水力直径的区域之间的管道壁的过渡部分相对于主流动方向具有7°和90°之间,特别是在45°和90°之间的角度,在其中流通过其上的表面在由具有第一水力直径的区域至过渡部分的过渡处凸形伸展且在由过渡部分至具有第二水力直径的区域的过渡处凹形伸展。然而,由过渡部分至具有第二水力直径的区域的过渡还可具有角度。

由于在由具有第一水力直径的区域至过渡部分的过渡处的凸形路线,防止或至少大大减少在由具有第一水力直径的区域至过渡部分的过渡处的流分离,其结果是可防止或限制由于相关气蚀的非受控的材料移除。

由具有第一水力直径的区域至过渡部分的过渡处凸形伸展的表面优选具有半径为加宽上游的管道的水力直径的0.05-2.5倍的弯曲。由具有第一水力直径的区域至过渡部分的过渡处凸形伸展的表面优选具有半径为加宽上游的管道的水力直径的0.25-1倍,例如0.375倍的弯曲。

在由过渡部分至具有第二水力直径的区域的过渡处凹形伸展的表面优选具有半径为加宽上游的管道的水力直径的0.05-2.5倍的弯曲。在由过渡部分至具有第二水力直径的区域的过渡处凹形伸展的表面的弯曲特别优选具有加宽上游的管道的水力直径的0.25-1倍,例如0.375倍的半径。

通过流动磨削分加工的坯体可以通过各种生产方法生产。例如,坯体可以通过铸造方法生产。还可通过机械方法生产坯体。然而,坯体特别优选由增材生产方法如3d打印生产。

本发明的实例示于附图中并在下面的描述中更详细地说明。

在附图中:

图1显示了具有圆形横截面的坯体和与其附接以防止流分离的材料。

图2显示了流通过其中的管道,该管道的壁通过流动磨削加工且该管道包含方向变化。

图3显示了流通过其中且具有加宽的管道。

图1显示了具有圆形横截面的坯体和与其附接以防止流分离的材料。

为此将具有表面3的坯体1(该坯体意欲通过流动磨削加工)引入合适管道中,含有研磨颗粒的流体载体材料流动通过该管道。为了防止流分离,在坯体1面向远离流的侧面附接额外材料5。额外材料5在面向流的侧面7上有表面11,该表面11相对于与含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向25平行伸展的中心平面9沿着流动方向是倾斜的并且凹形伸展。

图1所示的坯体1具有圆形横截面,例如圆柱体或球体。当坯体1是圆柱体时,它具有暴露于流中的非旋转对称投影表面,特别是矩形投影表面。与含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向25平行伸展的中心平面9与矩形投影表面形成在投影表面中心伸展的相交线,其结果是由相交线至投影表面边缘的间距对应于圆柱体的半径。

当坯体不为圆柱体而是球体时,它具有旋转对称的投影表面,在该情况下,额外材料在面对流的侧面上具有相对于中心轴线沿着流动方向25以倾斜的方式凹形伸展的表面。在该情况下,中心轴线以对应于通过球体中心点并与含有研磨颗粒的流体载体材料的流动方向25平行的中心平面9的方式伸展。

在圆柱形坯体1的情况下,相对于中心平面9倾斜并凹形伸展的表面11优选具有半径13的弯曲,该半径对应于由中心平面9至非旋转对称投影表面边缘的最大垂直间距的2-10倍,即它对应于圆柱形坯体1的半径15的2-10倍。相应地,在球形坯体1的情况下,相对于中心轴倾斜并凹形伸展的表面具有半径13的弯曲,该半径对应于球形坯体1的直径的1-5倍,即对应于球形坯体1的半径的2-10倍。

以凹形和倾斜方式伸展的表面11的弯曲半径13特别优选为由中心平面9至非旋转对称投影表面边缘的最大垂直间距和/或旋转对称投影表面半径15(例如如图1所示)的3-6倍,为旋转对称投影表面或圆柱体的半径15的4倍和/或旋转对称投影表面或圆柱体半径15的2倍。

额外施加材料的凹形且以倾斜方式伸展的表面优选是倾斜的,使得中心平面9(在坯体1沿着流动方向25具有非旋转对称投影表面的情况下)或者中心轴(在坯体1沿着流动方向具有旋转对称投影表面的情况下)是倾斜和凹形伸展表面11的切线。

在其中中心平面9为对称平面的坯体1的情况下,额外材料5也相对于中心平面9对称地附接,其结果是中心平面9两侧上的额外材料5具有相对于中心平面9切向结束的倾斜和凹形伸展表面11。在坯体1沿着流动方向具有旋转对称的投影表面的情况下,额外材料5优选同样旋转对称地附接至坯体1。在其沿着流动方向25相对于与中心平面9的相交线也并非轴向对称的非旋转对称的投影表面的情况下,额外材料的施加优选使得中心平面9的两侧上的弯曲半径不同,使得中心平面9在两侧上和沿着含有研磨颗粒的流体载体材料的的流动方向的相同位置处形成与以弯曲且倾斜方式伸展的表面切线。

图2显示了流通过其中的管道,该管道的壁通过流动磨削加工且该管道包含方向变化。

图2中所示的管道17具有具有第一水力直径19的第一部分和具有第二水力直径21的第二部分。第二部分在方向变化的下游与第一部分相邻。

将在中心具有凸形伸展表面27和向外凹形伸展表面29的额外材料5施加于由于管道方向的变化而暴露于含有研磨颗粒的流体载体材料的流(其流动方向用箭头25标记)中的管道17的壁23。

凸形伸展表面27优选具有半径31的弯曲,该半径为水力直径的0.5-5倍。凸形伸展表面27的弯曲半径31特别优选为管道17的水力直径的0.5-2倍。当如这里所示,管道17在方向变化的上游具有第一水力直径19,而在方向变化的下游具有第二水力直径21,半径31的大小所基于的水力直径是第二水力直径21。如这里所示,凸形伸展表面的弯曲半径31特别优选为第二水力直径21的1倍。

凹形伸展表面29优选具有半径33的弯曲,该半径为管道17的水力直径的0.5-5倍。半径33特别优选为管道17的水力直径的1-3倍。同对于凸形伸展表面27的弯曲半径31一样,凹形伸展表面29的弯曲半径33所基于的水力直径是第二水力直径21。如这里所示,凸形伸展表面27的弯曲半径33尤其对应于第二水力直径21的2倍。

所施加的额外材料5的厚度具有最大厚度,其对应于管道17的水力直径的0.2-0.75倍。所施加的额外材料5的厚度特别优选对应于管道17的水力直径的0.5倍,其中所施加的额外材料5的厚度所基于的水力直径在这里也是第二水力直径。

将壁37在与如下壁相对的侧面磨圆,该壁由于管道方向的变化而暴露于含有研磨颗粒的流体载体材料的流中,在该壁处由于管道17方向的变化而可能导致流分离。经磨圆的壁37的半径39优选对应于管道17的水力直径的0.1-2.5倍,在其中在管道17的水力直径在方向变化的上游具有第一水力直径19,而在方向变化的下游具有第二水力直径21的情况下,使用平均水力直径。在这方面,使用算术平均值,即平均水力直径由第一水力直径19和第二水力直径21之和除以2计算出。半径39特别优选对应于平均水力直径的0.25-1倍,特别是平均水力直径的0.5倍。

图3显示了流通过其中且具有加宽的管道。

流通过其中并具有加宽43的管道41具有具有第一水力直径47的第一区域45和具有第二水力直径51的第二区域49。在该情况下,第二水力直径51大于第一水力直径47。在加宽43处,流通过其中的管道41具有过渡部分53,在该过渡部分中,管道41的壁相对于流动方向25具有45°和90°之间的角度。在这里示出的实施方案中,管道41过渡部分的壁相对于流动方向25具有90°的角度。

为了防止在加宽43处的流分离,流通过其中的管道41的表面在由第一区域45至过渡部分53的过渡处凸形伸展。

在由第一区域45至过渡部分53的过渡处凸形伸展的表面55优选具有半径57的弯曲,所述半径为加宽43上游的管道的水力直径,即第一区域45中的第一水力直径47的0.05-2.5倍。在由第一区域45至过渡部分53的过渡处凸形伸展的表面55特别优选具有半径57的弯曲,该半径对应于第一水力直径的0.25-1倍,例如如这里所示,对应于第一区域45中的第一水力直径47的0.375倍。

由过渡部分53至第二区域49的过渡可具有角度,例如直角(在过渡部分53的壁相对于流动方向25具有90°的角度的情况下),或者如这里所示,可以凹形伸展。

当由过渡部分53至第二区域49的过渡处的表面凹形伸展时,所述表面优选具有半径59的弯曲,该半径对应于第一区域45中的第一水力直径47,即加宽43上游的水力直径的0.05-2.5倍。过渡部分53的过渡处的弯曲特别优选具有半径59,其对应于第一水力直径47的0.25-1倍,例如如这里所示,对应于第一水力直径,即在第一区域45中加宽43的上游的水力直径的0.375倍。

由于由第一区域45至过渡部分53的凸形过渡和由过渡部分53至第二区域49的凹形过渡,防止了在加宽43处的流分离,此外还防止了可能导致气蚀和因此不受控移除材料的不希翼的回流的发生。

附图标记

1坯体

3表面

5额外材料

7面向流的侧面

9中心平面

11倾斜和凹形伸展表面

13凹形且以倾斜方式伸展的表面11的半径

15坯体1的半径

17管道

19第一水力直径

21第二水力直径

23壁

25流方向

27凸形伸展表面

29凹面伸展表面

31凸形伸展表面的半径

33凹形伸展表面的半径

35额外材料的厚度

37壁

39半径

41流通过其中的管道

43加宽

45第一区域

47第一水力直径

49第二区域

51第二水力直径

53过渡部分

55凸形伸展表面

57半径

59半径

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