專利名稱：一種模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體精密加工觀測(cè)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體精密加工領(lǐng)域，尤其是涉及一種模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體精密加工觀測(cè)方法及裝置。
背景技術(shù)：
模具在制造業(yè)生產(chǎn)鏈條中具有不可替代的作用。模具制造生產(chǎn)過(guò)程中，為了消除模具表面所殘留的機(jī)械加工痕跡，對(duì)其進(jìn)行光整加工成為必要的工藝程序，且會(huì)占整個(gè)模具制造時(shí)間的一半以上?，F(xiàn)有方法一般需借助光整工具接觸或靠近待加工表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)待加工表面的材料去除。隨著制造業(yè)及其相關(guān)支撐技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)雜型腔模具的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)其所涉及的尺寸微小、非常規(guī)幾何結(jié)構(gòu)的各種異型表面的精密光整加工技術(shù)研發(fā)卻比較薄弱。由于基于工具接觸加工原理的光整加工方法難以應(yīng)用于模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面的精密加工，因此模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面的精密光整加工成為亟待解決的工程技術(shù)問(wèn)題。磨粒與粘性流體混合，可構(gòu)成液固兩相磨粒流，磨粒流的流體性質(zhì)決定其可變化無(wú)形且無(wú)孔不入。由于磨粒流可形成良好仿形接觸，因此在曲面和異型面加工中體現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前主要的磨粒流加工方法主要有擠壓珩磨拋光、磨粒水射流拋光、磁流變拋光、 磁射流拋光、電流變液拋光等。這些方法利用磨粒流與加工表面接觸時(shí)的壁面沖擊效應(yīng)，形成磨粒對(duì)表面的微切削實(shí)現(xiàn)表面材料去除，達(dá)到光整加工效果。但由于上述磨粒流加工方法的固有技術(shù)特點(diǎn)，一般不能直接應(yīng)用于模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面的光整加工，或者尚不能獲得滿意的表面粗糙度。磁流變光整、磁射流光整和電流變液光整等方法仍須借助剛性工具，受工具尺寸限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)于微小尺寸的孔、溝、槽、狹縫、曲面的光整加工；磨粒水射流光整方法利用高壓高速磨粒流噴射待加工工件表面，借助磨粒高速碰撞的剪切、沖壓作用實(shí)現(xiàn)光整加工，但射流的直線運(yùn)動(dòng)特性使得它難以均勻地觸及微細(xì)結(jié)構(gòu)表面的各個(gè)部位，因此無(wú)法與模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面形成的良好仿形接觸和均勻的加工效果。擠壓珩磨拋光和磨料水射流拋光需要對(duì)磨料流施加強(qiáng)大的擠壓力或噴射動(dòng)力，工件表面受磨料強(qiáng)力切削或沖擊碰撞實(shí)現(xiàn)材料去除。雖光整加工效率較高，但在磨料的強(qiáng)力作用下，不能獲得理想的表面粗糙度，且會(huì)在表面留下明顯方向性的加工痕跡。因此， 它們只能用作表面的初級(jí)粗拋加工。如果從精拋加工需求問(wèn)題考慮，解決模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面的光整加工問(wèn)題，尚需提出新的解決方法以實(shí)現(xiàn)接近鏡面級(jí)粗糙度的精密加工效果。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體加工運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其動(dòng)力學(xué)特性研究帶來(lái)的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種能夠較好模擬模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體加工條件及狀態(tài)、操作簡(jiǎn)便、簡(jiǎn)單可行、通用性良好的模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體精密加工觀測(cè)方法及裝置。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是—種模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體精密加工觀測(cè)方法，采用基于流體流動(dòng)相似模化方法，對(duì)微細(xì)模具結(jié)構(gòu)化表面進(jìn)行等比例放大，模擬稀疏磨粒流在微細(xì)約束流道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，采集流道內(nèi)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，得到稀疏磨粒流在微細(xì)約束流道環(huán)境下的分布狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、典型流態(tài)特征及發(fā)展趨勢(shì)；其中，所述的流體流動(dòng)相似?；椒ㄊ窃跐M足幾何相似與運(yùn)動(dòng)相似的前提下，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)流道模型和模具微細(xì)約束流道原型中各對(duì)應(yīng)點(diǎn)處所受的力性質(zhì)相同，大小成比例，且比例常數(shù)對(duì)兩個(gè)流場(chǎng)中的任意對(duì)應(yīng)點(diǎn)都不變，使其流體動(dòng)力學(xué)屬性滿足流動(dòng)相似第二定律要求；所述的模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面是指高精度復(fù)雜型腔模具中存在的各種微小尺寸、非常規(guī)幾何結(jié)構(gòu)表面；所述的稀疏磨粒流是一種工作在湍流充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)的低雷諾數(shù)、稀疏固相流體加工介質(zhì)，所述的稀疏磨粒流固相體積份數(shù)小于15% ；所述的微細(xì)約束流道是指在微細(xì)結(jié)構(gòu)表面安裝約束裝置所構(gòu)成的封閉流體運(yùn)動(dòng)空間；所述的約束裝置材料為透明材料，提供可觀測(cè)流道內(nèi)流體狀態(tài)的窗口。進(jìn)一步，所述的約束裝置材料為透明的聚甲基丙烯酸甲酯。一種模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體精密加工觀測(cè)裝置，所述觀測(cè)裝置包括磨粒流輸送泵、壓力傳感器、流量傳感器、磨粒流輸送軟管、支撐臺(tái)架、模擬結(jié)構(gòu)化表面試件、實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、補(bǔ)償光源、磨粒流回流軟管、保險(xiǎn)溢流管、續(xù)流池和續(xù)流溢流管；所述的磨粒流輸送泵為觀測(cè)裝置的微細(xì)約束流道輸送處于湍動(dòng)狀態(tài)的稀疏磨粒流，所述的磨粒流輸送泵能夠攜帶直徑在1毫米以下的固體顆粒；所述的固體顆粒為發(fā)泡聚丙烯碎片，固體顆粒的平均粒徑小于0. 5毫米；所述的壓力傳感器為內(nèi)部集成電荷放大器的壓電傳感器，安裝在輸送泵出口處， 測(cè)量輸送泵的出口壓力；所述的流量傳感器為內(nèi)置集成電路的卡門(mén)渦旋式流量傳感器，安裝在微細(xì)約束流道的入口處，測(cè)量通過(guò)微細(xì)流道的稀疏磨粒流速度，判斷磨粒流是否達(dá)到滿足加工需要的湍流條件；所述的磨粒流輸送軟管為兩端配有旋轉(zhuǎn)接頭的四分鋁塑管，提供磨粒流輸送通道；一端套接輸送泵的法蘭盤(pán)接口，一端套接約束流道的前端管螺紋接口 ；所述的旋轉(zhuǎn)接頭能夠提供周向自由度；所述的支撐臺(tái)架支撐磨粒流輸送軟管、磨粒流回流軟管、微細(xì)約束流道和圖像數(shù)據(jù)采集裝置；所述的模擬結(jié)構(gòu)化表面試件為一面鍍銅的鋼質(zhì)薄片，厚度為0. 5毫米，通過(guò)硅酸鈉無(wú)機(jī)粘結(jié)劑安裝在微細(xì)流道底部，用以表征稀疏磨粒流對(duì)模具微細(xì)結(jié)構(gòu)化表面的加工效果；所述的實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集器為工業(yè)攝像頭，透過(guò)約束裝置完成對(duì)約束流道內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)的圖像信息采集；所述的監(jiān)控計(jì)算機(jī)接受攝像頭所采集的流體流動(dòng)圖像信號(hào)，作為圖像信號(hào)處理與識(shí)別的支撐平臺(tái)；所述的磨粒流回流軟管為單端配有旋轉(zhuǎn)接頭的四分鋁塑管，提供磨粒流回流通道；一端套接約束流道的后端螺紋接口，一端浸入在續(xù)流池內(nèi)；所述的續(xù)流池，用以存儲(chǔ)稀疏磨粒流，實(shí)現(xiàn)對(duì)磨粒流的循環(huán)使用。
進(jìn)一步，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中，對(duì)所述實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集器獲得的圖像信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波去噪，利用小波能量法提取圖像信號(hào)特征，最后通過(guò)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別當(dāng)前約束流道內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；所述的數(shù)字濾波去噪方法為標(biāo)準(zhǔn)中值濾波算法，將濾波窗口內(nèi)的最大值和最小值均視為噪聲，用濾波窗口內(nèi)的中值代替窗口中心像素點(diǎn)的灰度；所述的小波能量法將經(jīng)過(guò)離散傅里葉變換后的流體圖像信號(hào)投影到一組互相正交的小波函數(shù)構(gòu)成的子空間上，形成信號(hào)在不同尺度上的展開(kāi)，從而提取信號(hào)在不同頻帶的特征數(shù)據(jù)；所述的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為算術(shù)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用模糊誤差反向傳播算法進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練，得到標(biāo)準(zhǔn)的流體規(guī)律模板，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)流道內(nèi)的稀疏磨粒流的狀態(tài)識(shí)別。再進(jìn)一步，所述觀測(cè)裝置還包括所述的標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭為四分之一寸管螺紋接頭， 分別安裝在微細(xì)約束流道的兩端，通過(guò)軟橡膠密封圈防止流道內(nèi)的流體溢出；前端接頭與輸送軟管的旋轉(zhuǎn)接頭套接，后端接頭與回流軟管的旋轉(zhuǎn)接頭套接。更進(jìn)一步，所述觀測(cè)裝置還包括補(bǔ)償光源為整體反射LED無(wú)影燈，為約束流道內(nèi)的流體提供背景光源，提高圖像數(shù)據(jù)采集所獲信號(hào)的質(zhì)量；所述所述實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集器與補(bǔ)償光源配合使用。所述觀測(cè)裝置還包括保險(xiǎn)溢流管，所述的保險(xiǎn)溢流管安裝在約束流道的中部，內(nèi)嵌閾值單向閥，防止約束流道堵塞造成的輸送管爆裂、輸送泵過(guò)壓損壞等問(wèn)題的發(fā)生；單向閥的預(yù)設(shè)壓力閾值為2兆帕。所述觀測(cè)裝置還包括續(xù)流溢流管，所述續(xù)流溢流管安裝在續(xù)流池的一側(cè)，用于安全溢流與續(xù)流池磨粒流排空；續(xù)流溢流管呈倒丁字形結(jié)構(gòu)，共有三個(gè)端口 ；一端接續(xù)流池上部，用于安全溢流，閥門(mén)常開(kāi)；一端接續(xù)流池底部，用于磨粒流排空，閥門(mén)常閉；上述兩端口通過(guò)三通接口匯成一路與排水通道接通。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為稀疏磨粒流可有有效地解決上述方法存在的問(wèn)題。稀疏磨粒流一種液-固兩相磨粒流，為低濃度磨料與具有弱黏性或無(wú)黏性的流體的混合物，因此具有更好的流動(dòng)特性并可實(shí)現(xiàn)湍流流動(dòng)，具有以下特點(diǎn)①可與復(fù)雜形狀的模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面形成良好接觸，克服了細(xì)小尺度的結(jié)構(gòu)表面無(wú)法使用工具進(jìn)行光整加工的困難；②利用流體在湍流狀態(tài)的壁面沖擊效應(yīng)實(shí)現(xiàn)表面的微力、微量切削，會(huì)實(shí)現(xiàn)較高的表面加工質(zhì)量，易于加工應(yīng)力的釋放，不會(huì)導(dǎo)致模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面的機(jī)械變形；③利用磨粒在封閉流道內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)反復(fù)碰撞被加工表面，可提高磨粒利用率和加工效率，并可有效過(guò)濾加工殘留物并減少污水排放實(shí)現(xiàn)清潔加工，并節(jié)約能源，綠色環(huán)保。稀疏磨粒流方法雖然原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)施操作，但其加工機(jī)理卻非常復(fù)雜。研究微細(xì)流道內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)于該加工方法具有重要意義。因此，研發(fā)一種面向稀疏磨粒流精密加工的可觀測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置及方法是非常有必要的工作。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1)可以較好的模擬模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體加工條件及狀態(tài)，是在實(shí)驗(yàn)室條件下研究稀疏磨粒流運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其動(dòng)力學(xué)特性的有效方法。2)操作簡(jiǎn)便，簡(jiǎn)單可行，可以直接觀察、測(cè)量稀疏磨粒流在微細(xì)流道內(nèi)的基本參數(shù)如壓力、溫度、流量、速度等，把模型觀察的結(jié)果定性或定量地轉(zhuǎn)化為實(shí)際流動(dòng)現(xiàn)象，為稀疏磨粒流湍流發(fā)展?fàn)顟B(tài)的檢測(cè)與控制、約束流道的設(shè)計(jì)以及流體加工工藝優(yōu)化提供依據(jù)。3)不受物理理論規(guī)律、流體運(yùn)動(dòng)方程形式以及邊界條件的限制，可以在其能夠提供的物理空間內(nèi)自由的對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究。


圖1是模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體精密加工觀測(cè)技術(shù)方案。圖2是模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體精密加工觀測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2中1-磨粒流輸送泵2-壓力傳感器3-磨粒流輸送軟管4-支撐臺(tái)架5-流量傳感器6-補(bǔ)償光源7-圖像數(shù)據(jù)采集裝置(工業(yè)攝像頭)8-微細(xì)結(jié)構(gòu)流道9-保險(xiǎn)溢流管10-工業(yè)監(jiān)控計(jì)算機(jī)11-磨粒流回流軟管12-續(xù)流溢流管13-續(xù)流池。圖3是約束模塊系列示意圖。圖4是微細(xì)流道湍流狀態(tài)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集及處理方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖，下面對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。參照?qǐng)D1 圖4，一種模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體精密加工觀測(cè)方法，其技術(shù)思路如附圖1所示，具體實(shí)施步驟可描述如下基于流體流動(dòng)相似?；椒ǎ瑢?duì)微細(xì)模具結(jié)構(gòu)化表面進(jìn)行同邊界等比例放大，模擬稀疏磨粒流在微細(xì)約束流道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)工業(yè)攝像裝置采集流道內(nèi)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理與識(shí)別，得到稀疏磨粒流在微細(xì)約束流道環(huán)境下的分布狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、典型流態(tài)特征及發(fā)展趨勢(shì)，為面向微細(xì)模具結(jié)構(gòu)化表面的精密加工實(shí)施提供技術(shù)依據(jù)，為細(xì)小流道的湍流狀態(tài)發(fā)展研究提供實(shí)驗(yàn)條件。上述方案所涉及的流體流動(dòng)相似?；椒ㄊ窃跐M足幾何相似與運(yùn)動(dòng)相似的前提下，模型(實(shí)驗(yàn)觀測(cè)流道)和原型(模具微細(xì)約束流道)中各對(duì)應(yīng)點(diǎn)處所受的力性質(zhì)相同，大小成比例，且比例常數(shù)對(duì)兩個(gè)流場(chǎng)中的任意對(duì)應(yīng)點(diǎn)都不變，使其流體動(dòng)力學(xué)屬性滿足流動(dòng)相似第二定律要求。其中，模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面是指高精度復(fù)雜型腔模具中存在的各種微小尺寸、非常規(guī)幾何結(jié)構(gòu)表面。稀疏磨粒流是一種工作在湍流充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)的低雷諾數(shù) (Re)、稀疏固相流體加工介質(zhì)，其固相體積份數(shù)小于15%。微細(xì)約束流道是指在微細(xì)結(jié)構(gòu)表面安裝約束裝置，所構(gòu)成的封閉流體運(yùn)動(dòng)空間，形成微細(xì)約束流道；所述的約束裝置材料為透明的聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)，提供可觀測(cè)流道內(nèi)流體狀態(tài)的窗口。利用上述方法，在不改變邊界條件的基礎(chǔ)上，將原型尺寸為ImmX Imm的正方形截面流道放大5倍，形成5mm X 5mm的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)流道。一種模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體精密加工觀測(cè)裝置，其組成結(jié)構(gòu)如附圖2所示，由磨粒流輸送泵1、壓力傳感器2、流量傳感器5、磨粒流輸送軟管3、支撐臺(tái)架4、標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭、 模擬結(jié)構(gòu)化表面試件、實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集器7、微細(xì)結(jié)構(gòu)流道8、工業(yè)監(jiān)控計(jì)算機(jī)10、補(bǔ)償光源6、磨粒流回流軟管11、保險(xiǎn)溢流管9、續(xù)流池13、續(xù)流溢流管12等構(gòu)件組成。上述方案所涉及的磨粒流輸送泵為揚(yáng)程大于20米的污水泵，具體技術(shù)牌號(hào)為 NL50-30-1K技術(shù)要求如下節(jié)所述)，為觀測(cè)裝置的微細(xì)約束流道輸送處于湍動(dòng)狀態(tài)的稀疏磨粒流，要求能夠攜帶直徑在1毫米以下的固體顆粒；所述的固體顆粒為發(fā)泡聚丙烯 (Polypropylene,PP)碎片，其平均粒徑小于0. 5毫米。壓力傳感器為內(nèi)部集成電荷放大器的壓電傳感器，具體技術(shù)牌號(hào)為PTH501，安裝在輸送泵出口處，測(cè)量輸送泵的出口壓力，防止由于微細(xì)流道堵塞而使輸送泵過(guò)載損壞。流量傳感器為內(nèi)置集成電路的卡門(mén)渦旋式流量傳感器，具體技術(shù)牌號(hào)為L(zhǎng)UGB-Dm5，安裝在微細(xì)約束流道的入口處，測(cè)量通過(guò)微細(xì)流道的稀疏磨粒流速度，判斷磨粒流是否達(dá)到滿足加工需要的湍流條件。磨粒流輸送軟管為兩端配有旋轉(zhuǎn)接頭的四分鋁塑管，提供磨粒流輸送通道；一端套接輸送泵的法蘭盤(pán)接口，一端套接約束流道的前端管螺紋接口 ；所述的旋轉(zhuǎn)接頭能夠提供周向自由度，防止軟管在抖動(dòng)、 牽曳過(guò)程中造成的扭轉(zhuǎn)剪切損壞。支撐臺(tái)架由輕質(zhì)硬鋁材料焊接成型，起到支撐磨粒流輸送軟管、磨粒流回流軟管、微細(xì)約束流道、圖像數(shù)據(jù)采集裝置的作用。標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭為四分之一寸管螺紋接頭，分別安裝在微細(xì)約束流道的兩端，通過(guò)軟橡膠密封圈防止流道內(nèi)的流體溢出；前端接頭與輸送軟管的旋轉(zhuǎn)接頭套接，后端接頭與回流軟管的旋轉(zhuǎn)接頭套接。模擬結(jié)構(gòu)化表面試件為一面鍍銅的鋼質(zhì)薄片，厚度為0.5毫米，通過(guò)硅酸鈉(水玻璃)無(wú)機(jī)粘結(jié)劑安裝在微細(xì)流道底部，用以表征稀疏磨粒流對(duì)模具微細(xì)結(jié)構(gòu)化表面的加工效果。實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集器為500萬(wàn)像素工業(yè)攝像頭，具體技術(shù)牌號(hào)SXY-150，透過(guò)約束裝置完成對(duì)約束流道內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)的圖像信息采集，需要與補(bǔ)償光源配合使用。監(jiān)控計(jì)算機(jī)接受攝像頭所采集的流體流動(dòng)圖像信號(hào)，作為圖像信號(hào)處理與識(shí)別的支撐平臺(tái)，其具體技術(shù)牌號(hào)為Dell-0ptiPleX750。補(bǔ)償光源為整體反射LED無(wú)影燈，為約束流道內(nèi)的流體提供背景光源，提高圖像數(shù)據(jù)采集所獲信號(hào)的質(zhì)量。磨粒流回流軟管為單端配有旋轉(zhuǎn)接頭的四分鋁塑管，提供磨粒流回流通道；一端套接約束流道的后端螺紋接口，一端浸入在續(xù)流池內(nèi)。保險(xiǎn)溢流管安裝在約束流道的中部，內(nèi)嵌閾值單向閥，防止約束流道堵塞造成的輸送管爆裂、 輸送泵過(guò)壓損壞等問(wèn)題的發(fā)生；單向閥的預(yù)設(shè)壓力閾值為2兆帕。續(xù)流池為硬質(zhì)聚氯乙烯 (Polyvinylchloride,PVC)容器，用以存儲(chǔ)稀疏磨粒流，實(shí)現(xiàn)對(duì)磨粒流的循環(huán)使用。流溢流管安裝在續(xù)流池的一側(cè)，用于安全溢流與續(xù)流池磨粒流排空；續(xù)流溢流管呈倒丁字形結(jié)構(gòu)， 共有三個(gè)端口 ；一端接續(xù)流池上部，用于安全溢流，閥門(mén)常開(kāi)；一端接續(xù)流池底部，用于磨粒流排空，閥門(mén)常閉；上述兩端口通過(guò)三通接口匯成一路與排水通道接通。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建過(guò)程①水泵選擇水泵選擇是觀測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建的核心問(wèn)題。對(duì)于本發(fā)明來(lái)講，水泵應(yīng)該滿足兩個(gè)基本條件水泵的額定流量、出口壓力等技術(shù)參數(shù)能夠滿足微細(xì)結(jié)構(gòu)流道產(chǎn)生湍流的基本要求；水泵能夠輸送含有固體磨粒顆粒的二相流體。由于待加工的結(jié)構(gòu)化流道的截面為正方形，其幾何尺寸為5mmX5mm。流道當(dāng)量水力直徑的計(jì)算方法為d = 4j(1)式(1)中，A為流道截面積，P為流道浸潤(rùn)周邊長(zhǎng)度。因此，可以得到待加工結(jié)構(gòu)化流道的當(dāng)量水力直徑為
25J = 4—= 4x — = 5mm = 5xl0_3w(2)
P 20對(duì)于管道流動(dòng)，其由層流過(guò)度到湍流的臨界雷諾數(shù)Rera應(yīng)在2100 4000之間，即當(dāng)雷諾數(shù)Re小于2000時(shí)為層流狀態(tài)，當(dāng)Re大于4000時(shí)為湍流狀態(tài)。取Rera的浮動(dòng)區(qū)間上限4000，因?yàn)镽e的計(jì)算方法為
權(quán)利要求
1.一種模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體精密加工觀測(cè)方法，其特征在于采用基于流體流動(dòng)相似?；椒ǎ瑢?duì)微細(xì)模具結(jié)構(gòu)化表面進(jìn)行等比例放大，模擬稀疏磨粒流在微細(xì)約束流道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，采集流道內(nèi)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，得到稀疏磨粒流在微細(xì)約束流道環(huán)境下的分布狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、典型流態(tài)特征及發(fā)展趨勢(shì)；其中，所述的流體流動(dòng)相似?；椒ㄊ窃跐M足幾何相似與運(yùn)動(dòng)相似的前提下，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)流道模型和模具微細(xì)約束流道原型中各對(duì)應(yīng)點(diǎn)處所受的力性質(zhì)相同，大小成比例，且比例常數(shù)對(duì)兩個(gè)流場(chǎng)中的任意對(duì)應(yīng)點(diǎn)都不變，使其流體動(dòng)力學(xué)屬性滿足流動(dòng)相似第二定律要求；所述的模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面是指高精度復(fù)雜型腔模具中存在的各種微小尺寸、非常規(guī)幾何結(jié)構(gòu)表面；所述的稀疏磨粒流是一種工作在湍流充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)的低雷諾數(shù)、稀疏固相流體加工介質(zhì)，所述的稀疏磨粒流固相體積份數(shù)小于15% ；所述的微細(xì)約束流道是指在微細(xì)結(jié)構(gòu)表面安裝約束裝置所構(gòu)成的封閉流體運(yùn)動(dòng)空間； 所述的約束裝置材料為透明材料，提供可觀測(cè)流道內(nèi)流體狀態(tài)的窗口。
2.如權(quán)利要求1所述的模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體精密加工觀測(cè)方法，其特征在于所述的約束裝置材料為透明的聚甲基丙烯酸甲酯。
3.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體精密加工觀測(cè)方法的觀測(cè)裝置，其特征在于所述觀測(cè)裝置包括磨粒流輸送泵、壓力傳感器、流量傳感器、磨粒流輸送軟管、支撐臺(tái)架、模擬結(jié)構(gòu)化表面試件、實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、補(bǔ)償光源、磨粒流回流軟管、保險(xiǎn)溢流管、續(xù)流池和續(xù)流溢流管；所述的磨粒流輸送泵為觀測(cè)裝置的微細(xì)約束流道輸送處于湍動(dòng)狀態(tài)的稀疏磨粒流， 所述的磨粒流輸送泵能夠攜帶直徑在1毫米以下的固體顆粒；所述的固體顆粒為發(fā)泡聚丙烯碎片，固體顆粒的平均粒徑小于0. 5毫米；所述的壓力傳感器為內(nèi)部集成電荷放大器的壓電傳感器，安裝在輸送泵出口處，測(cè)量輸送泵的出口壓力；所述的流量傳感器為內(nèi)置集成電路的卡門(mén)渦旋式流量傳感器，安裝在微細(xì)約束流道的入口處，測(cè)量通過(guò)微細(xì)流道的稀疏磨粒流速度，判斷磨粒流是否達(dá)到滿足加工需要的湍流條件；所述的磨粒流輸送軟管為兩端配有旋轉(zhuǎn)接頭的四分鋁塑管，提供磨粒流輸送通道；一端套接輸送泵的法蘭盤(pán)接口，一端套接約束流道的前端管螺紋接口 ；所述的旋轉(zhuǎn)接頭能夠提供周向自由度；所述的支撐臺(tái)架支撐磨粒流輸送軟管、磨粒流回流軟管、微細(xì)約束流道和圖像數(shù)據(jù)采集裝置；所述的模擬結(jié)構(gòu)化表面試件為一面鍍銅的鋼質(zhì)薄片，厚度為0. 5毫米，通過(guò)硅酸鈉無(wú)機(jī)粘結(jié)劑安裝在微細(xì)流道底部，用以表征稀疏磨粒流對(duì)模具微細(xì)結(jié)構(gòu)化表面的加工效果；所述的實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集器為工業(yè)攝像頭，透過(guò)約束裝置完成對(duì)約束流道內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)的圖像信息采集；所述的監(jiān)控計(jì)算機(jī)接受攝像頭所采集的流體流動(dòng)圖像信號(hào)，作為圖像信號(hào)處理與識(shí)別的支撐平臺(tái)；所述的磨粒流回流軟管為單端配有旋轉(zhuǎn)接頭的四分鋁塑管，提供磨粒流回流通道；一端套接約束流道的后端螺紋接口，一端浸入在續(xù)流池內(nèi)；所述的續(xù)流池，用以存儲(chǔ)稀疏磨粒流，實(shí)現(xiàn)對(duì)磨粒流的循環(huán)使用。
4.如權(quán)利要求1所述的觀測(cè)裝置，其特征在于，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中，對(duì)所述實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集器獲得的圖像信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波去噪，利用小波能量法提取圖像信號(hào)特征，最后通過(guò)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別當(dāng)前約束流道內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；所述的數(shù)字濾波去噪方法為標(biāo)準(zhǔn)中值濾波算法，將濾波窗口內(nèi)的最大值和最小值均視為噪聲，用濾波窗口內(nèi)的中值代替窗口中心像素點(diǎn)的灰度；所述的小波能量法將經(jīng)過(guò)離散傅里葉變換后的流體圖像信號(hào)投影到一組互相正交的小波函數(shù)構(gòu)成的子空間上，形成信號(hào)在不同尺度上的展開(kāi)，從而提取信號(hào)在不同頻帶的特征數(shù)據(jù)；所述的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為算術(shù)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用模糊誤差反向傳播算法進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練，得到標(biāo)準(zhǔn)的流體規(guī)律模板，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)流道內(nèi)的稀疏磨粒流的狀態(tài)識(shí)別。
5.如權(quán)利要求2或3所述的觀測(cè)裝置，其特征在于，所述觀測(cè)裝置還包括所述的標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭為四分之一寸管螺紋接頭，分別安裝在微細(xì)約束流道的兩端，通過(guò)軟橡膠密封圈防止流道內(nèi)的流體溢出；前端接頭與輸送軟管的旋轉(zhuǎn)接頭套接，后端接頭與回流軟管的旋轉(zhuǎn)接頭套接。
6.如權(quán)利要求2或3所述的觀測(cè)裝置，其特征在于，所述觀測(cè)裝置還包括補(bǔ)償光源為整體反射LED無(wú)影燈，為約束流道內(nèi)的流體提供背景光源，提高圖像數(shù)據(jù)采集所獲信號(hào)的質(zhì)量；所述所述實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集器與補(bǔ)償光源配合使用。
7.如權(quán)利要求2或3所述的觀測(cè)裝置，其特征在于，所述觀測(cè)裝置還包括保險(xiǎn)溢流管， 所述的保險(xiǎn)溢流管安裝在約束流道的中部，內(nèi)嵌閾值單向閥，防止約束流道堵塞造成的輸送管爆裂、輸送泵過(guò)壓損壞等問(wèn)題的發(fā)生；單向閥的預(yù)設(shè)壓力閾值為2兆帕。
8.如權(quán)利要求2或3所述的觀測(cè)裝置，其特征在于，所述觀測(cè)裝置還包括續(xù)流溢流管， 所述續(xù)流溢流管安裝在續(xù)流池的一側(cè)，用于安全溢流與續(xù)流池磨粒流排空；續(xù)流溢流管呈倒丁字形結(jié)構(gòu)，共有三個(gè)端口 ；一端接續(xù)流池上部，用于安全溢流，閥門(mén)常開(kāi)；一端接續(xù)流池底部，用于磨粒流排空，閥門(mén)常閉；上述兩端口通過(guò)三通接口匯成一路與排水通道接
全文摘要
一種模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體精密加工觀測(cè)方法，采用基于流體流動(dòng)相似模化方法，對(duì)微細(xì)模具結(jié)構(gòu)化表面進(jìn)行等比例放大，模擬稀疏磨粒流在微細(xì)約束流道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，采集流道內(nèi)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，得到稀疏磨粒流在微細(xì)約束流道環(huán)境下的分布狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、典型流態(tài)特征及發(fā)展趨勢(shì)；在滿足幾何相似與運(yùn)動(dòng)相似的前提下，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)流道模型和模具微細(xì)約束流道原型中各對(duì)應(yīng)點(diǎn)處所受的力性質(zhì)相同，大小成比例，比例常數(shù)對(duì)兩個(gè)流場(chǎng)中的任意對(duì)應(yīng)點(diǎn)都不變，使其流體動(dòng)力學(xué)屬性滿足流動(dòng)相似第二定律要求。以及提供一種模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體精密加工觀測(cè)裝置。本發(fā)明能夠較好模擬模具微細(xì)結(jié)構(gòu)表面流體加工條件及狀態(tài)、操作簡(jiǎn)便、簡(jiǎn)單可行、通用性良好。
文檔編號(hào)B24B49/00GK102528661SQ20111035567
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者袁巧玲, 計(jì)時(shí)鳴, 譚大鵬 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)