冷凝析出式磨料射流加工装置及方法

本发明涉及微磨料喷射加工，具体是一种冷凝析出式磨料射流加工装置及方法。

背景技术：

1、表面微结构是指具有提升表面特性，规则分布的微小几何结构，表面微结构的深度通常为0.5-50μm，特征尺寸一般为100μm至数毫米。目前，在平面、圆柱表面以及自由曲面上都可以加工出具有确定几何特性、纹理形状规则的微结构表面。这些特点赋予微结构表面超疏水性、低黏附性，并显著提高表面的耐磨、润滑等性能。

2、随着材料应用的多元化，软质材料在摩擦副中的使用率也逐年上升，因与传统硬质材料不同的物理、化学特性而有着自身不可替代的优势，能够满足许多特殊工况下的摩擦学使用要求，如人工关节、隐形眼镜、唇形密封、离合器、汽车雨刮、汽车轮胎等，已成为摩擦副材料性能研究领域中不可或缺的一部分。

3、目前，表面微结构的加工技术主要有激光加工、微切削、微细电火花/电解加工、聚焦离子束加工、反应性粒子刻蚀、磨料射流加工等。每一种技术都有独特的优点和特定的适用范围。激光加工是目前加工表面微结构最常用的方法，具有适用材料范围广、加工效率高、无刀具磨损等优点。但是，激光加工中的热裂纹、翻边、重熔等热影响仍是难以解决的问题。微切削加工方法主要指的是微车/铣削，可以在圆周面或端面加工出按规则排布的阵列微凹坑，该方法具有加工成本低、效率高和批量生产等优势。但是微切削加工的凹坑是工件和刀具相对运动的结果，受机床精度和刀具尺寸的影响，凹坑的形状和排布受到一定限制；加工硬脆性材料时，刀具的磨损和折断仍是工艺中要考虑问题。微细电火花/电解不受材料力学性能的影响，加工过程中对工件没有宏观作用力，但该类加工只能应用于导电材料。电火花加工伴随着工具电极损耗，加工时工件会受局部放电热影响，存在热影响带来的表面裂纹，产生重铸层，导致材料性能的改变；电解加工没有电极损耗，热影响小，对于电腐蚀性能均匀的材料可以获得较好的加工效果，但加工形状易受电解液流场和材料电极电位的影响。聚焦离子束和反应性离子刻蚀来源于微机电系统和芯片的加工工艺，其利用离子的轰击产生溅射或反应去除材料。但是，该工艺的系列设备成本较高，加工效率低。磨料射流技术实质上是一种冷加工技术，其利用流体驱动磨料喷射至工件表面，实现特定区域的材料去除。由于该技术具有几乎没有热影响区、不破坏零件的物理结构和化学完整性、可加工非导电硬质材料、加工表面残余应力小、表面质量高等优势，是一种具有特色的表面微结构加工方法。

4、但传统的磨料射流加工技术都是使用固体磨料，在加工软材料表面时，由于冲击力的作用，固体磨料硬度较高往往会陷入软材料表面，清洗过程中无法彻底清除，在后续摩擦过程中会起到切削对磨副的负面效应，同时，固体磨料进入喷管内部时易导致喷管内部产生堵塞。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种冷凝析出式磨料射流加工装置及方法，通过喷嘴产生的负压和低温会导致盐从饱和溶液中析出，从而实现无硬质固体磨料加工，避免喷管堵塞和工件表面清洗不干净的问题。

2、本发明提供了一种冷凝析出式磨料射流加工装置，包括进气装置、喷嘴、工件、浆体供应模块，所述进气装置包括依次连接的空气压缩机、储气罐、空气干燥机、稳压阀、流量计和球阀，所述喷嘴包括一条气体通道，气体通道的进气口与球阀连接，出气口朝向工件，喷嘴两侧设置有连通到进气通道的浆料输送通道，浆料输送通道与浆体供应模块连接；所述浆体供应模块包括储存浆体的储料罐，储料罐中央设置有转子，所述工件通过工作台放置于储料罐上方，储料罐放置在恒温磁力搅拌仪内部，储料罐四周填充有水。

3、进一步改进，所述恒温磁力搅拌仪连接有x轴工作平台和y轴工作平台，所述喷嘴连接有z轴运动平台。

4、进一步改进，所述喷嘴由上下依次设置有收缩段通道、喉部通道、扩张段通道以及聚焦管通道。

5、进一步改进，所述浆料输送通道连通扩张段通道的两侧。

6、本发明还提供了一种冷凝析出式磨料射流加工装置的加工方法，包括以下步骤：

7、1）配制饱和盐溶液浆体，放置入浆体供应模块中；

8、2）进气装置提供输送压力空气至喷嘴，压力空气通过收缩段通道和喉部通道后，在扩张段通道产生低温负压；

9、3）浆体供应模块提供盐溶液，盐溶液由于负压从扩张段通道两侧的浆体输送通道吸入喷嘴内部；

10、4）压力空气和盐溶液在喷嘴内混合后由于负压和低温析出晶体颗粒形成气液固三相混合流，经聚焦管通道喷出，对工件表面加工；对工件表面加工过程中，通过z轴运动平台以及x轴工作平台和y轴工作平台调整喷嘴和工件之间的相对位置；

11、5）经过工件表面后的晶体和溶液重新回流到浆料容器内，通过恒温磁力搅拌仪重新加热成饱和溶液。

12、对于所选的盐溶剂应具有以下要求：

13、1)所选盐溶剂在水中的溶解度应随温度的升高而增加，如硝酸钠，磷酸二氢钠等。

14、2)所选盐溶剂在水中的溶解度随温度的变化应有较大的变化，氯化钠的溶解度虽然随着温度的升高而升高，但其溶解度曲线斜率较小近乎与x轴平行，经过喷嘴降温后无法大量析出晶体。

15、3)所选盐溶剂不宜有较大的过饱和区间，能确保在经过喷嘴降温后析出晶体，氯化钙的溶解度随温度升高增加较大，但其过饱和区间较大，经过喷嘴降温后进入过饱和状态，无法有效结晶。

16、4)所选盐溶剂结晶时的晶核生长速度不宜过快，晶核生长速度过快会导致析出晶体颗粒体积过大造成喷嘴堵塞。

17、本发明有益效果在于：

18、1、与传统磨料射流加工技术相比，该方法无需使用硬质固体磨料，所使用的盐溶剂可以很好的溶于水中，从而能够很好的解决在加工软材料表面时磨粒嵌入材料表面无法有效的清除这一问题。

19、2、与传统磨料射流加工技术相比，硬质固体磨料在进入喷嘴内部时可能会团聚在一起从而导致喷嘴的堵塞，无固体磨料溶液更有利于浆体从输送管道进入喷嘴并且能够有效的避免喷管内部堵塞这一问题。

1.一种冷凝析出式磨料射流加工装置，其特征在于：包括进气装置、喷嘴、工件、浆体供应模块，所述进气装置包括依次连接的空气压缩机、储气罐、空气干燥机、稳压阀、流量计和球阀，所述喷嘴包括一条气体通道，气体通道的进气口与球阀连接，出气口朝向工件，喷嘴两侧设置有连通到进气通道的浆料输送通道，浆料输送通道与浆体供应模块连接；所述浆体供应模块包括储存浆体的储料罐，储料罐中央设置有转子，所述工件通过工作台放置于储料罐上方，储料罐放置在恒温磁力搅拌仪内部，储料罐四周填充有水。

2.根据权利要求1所述的冷凝析出式磨料射流加工装置，其特征在于：所述恒温磁力搅拌仪连接有x轴工作平台和y轴工作平台，所述喷嘴连接有z轴运动平台。

3.根据权利要求1所述的冷凝析出式磨料射流加工装置，其特征在于：所述喷嘴由上下依次设置有收缩段通道、喉部通道、扩张段通道以及聚焦管通道。

4.根据权利要求3所述的冷凝析出式磨料射流加工装置，其特征在于：所述浆料输送通道连通扩张段通道的两侧。

5.一种权利要求1所述冷凝析出式磨料射流加工装置的加工方法，其特征在于包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述冷凝析出式磨料射流加工装置的加工方法，其特征在于：步骤1）所述盐溶剂在水中的溶解度应随温度的升高而增加，盐溶剂在水中的溶解度随温度的变化应有较大的变化，具有较大的过饱和区间，能确保在经过喷嘴降温后析出晶体，且盐溶剂结晶时的晶核生长速度较低，采用具有良好温度和溶解度效应，并具有适合加工的结晶特征的盐，包括但不限于硝酸钠，磷酸二氢钠。

7.根据权利要求5所述冷凝析出式磨料射流加工装置的加工方法，其特征在于：步骤4）所述对工件表面加工过程中，通过z轴运动平台以及x轴工作平台和y轴工作平台调整喷嘴和工件之间的相对位置。