CN106670983B - 一种低温磨料射流加工装置 - Google Patents
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Abstract
一种低温磨料射流加工装置，其特征是它包括：磨料射流发生系统、冷却系统和加工系统；所述磨料射流发生系统主要包括氮气瓶（1）、磨料仓（2）、气粉混合器（15）、磨料射流管（8）和磨料射流喷嘴（14）；冷却系统主要包括一个自增压液氮罐（5）、液氮安全阀（4）和冷却管（16）；冷却管（16）的一端通过液氮安全阀（4）与自增压液氮罐（5）相连，另一端与复合喷嘴（11）相连；磨料射流管（8）及其相连的磨料射流喷嘴（14）均安装在冷却管（16）内以便在磨料流动过程中实现冷却，磨料在喷出磨料射流喷嘴（14）的同时与冷却管（16）进入复合喷嘴（11）中的低温氮气混合后再从复合喷嘴（11）喷口喷向工件（13），本发明结构简单，加工效率高，解决了疏水性聚合物的低温快速加工难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种磨料射流加工技术，尤其是一种疏水性聚合物低温射流加工技术，具体地说是一种低温磨料射流加工装置。
背景技术
近年来，出现了一种新颖的微细加工技术，即用干燥的压缩空气来加速微小金属颗粒形成磨料射流，将射流喷射到工件表面对工件进行加工，称之为磨料射流加工技术。磨料射流加工技术成本较低，加工时可以得到很高的材料去除率，且材料去除率可控。磨料射流加工技术可用于加工玻璃、陶瓷和有色金属等。
陶瓷材料由于其自身的局限性，在某些场合并不适用。如陶瓷材料缺乏光学透明性，以及其有限的生物相容性因而在生物医学中的应用受限。基于此，人们开始用聚合物材料来替代陶瓷材料。但聚合物大多数为疏水材料，采用常规的磨料射流以及水射流技术进行加工时，材料去除率较低。经研究发现在低温下，对聚合物进行磨料射流加工，材料去除率较高。
目前在国外用到两种实验装置进行低温磨料射流加工，其中一种装置为磨料射流流经液氮罐实现冷却的目的，此装置对被加工材料的冷却效果较差，且实验装置所占空间过大。另一种装置为液氮射流和磨料射流以一定的入射角进行对射，形成含有液氮的磨料射流，此装置对磨料射流冷却效果较差，且液氮和磨料射流难以实现充分混合，同时由于两射流对射，易导致磨料射流偏离原轨迹。考虑到上述两种装置的缺点，设计了一种低温磨料射流加工装置，对磨料射流和工件进行冷却，工件的加工温度可低至-190℃。
发明内容
本发明的目的是针对现有的射流技术加工聚合物时存在加工效率不高的问题，设计一种利用低温技术进行疏水性聚合物射流加工的低温磨料射流加工装置。
本发明的技术方案是：
一种低温磨料射流加工装置，其特征是它包括：
一磨料射流发生系统；所述磨料射流发生系统主要包括氮气瓶1、磨料仓2、气粉混合器15、磨料射流管8和磨料射流喷嘴14，磨料仓2中的磨料落入气粉混合器15与从氮气瓶1中同步进入气粉混合器15的氮气混合后进入磨料射流管8，磨料射流管8与磨料射流喷嘴14相连，磨料射流喷嘴14安装在复合喷嘴11中；
一冷却系统；所述冷却系统主要包括一个自增压液氮罐5、液氮安全阀4和冷却管16；冷却管16的一端通过液氮安全阀4与自增压液氮罐5相连，另一端与复合喷嘴11相连；磨料射流管8及其相连的磨料射流喷嘴14均安装在冷却管16以便在磨料流动过程中实现冷却，磨料在喷出磨料射流喷嘴14的同时与冷却管16进入复合喷嘴11中的低温氮气混合后再从复合喷嘴11喷口喷向工件13；
一加工系统；所述的加工系统包括工件13、六坐标工作台12和温度信号处理显示系统；工件13安装在复合喷嘴11的正前方并由六坐标工作台12驱动移动，温度信号处理显示系统能实时显示磨料射流出口处温度和工件13的加工温度。
所述的磨料射流管8呈S形布置在冷却管16中以延长冷却时间。
所述的磨料射流管8的一端快速接头一3与气粉混合器15的输出管道相连，它的另一端通过快速接头二10与磨料射流喷嘴14相连，其中快速接头一3位于冷却管16外，快速接头二10位于冷却管16中。
所述的冷却管16为可拆卸式结构，它由冷却管一6和冷却管二9相连而成，冷却管一6插入冷却管二9中并通过石墨环7密封相连。
所述的冷却管16外层覆盖有对液氮进行保温、保证冷却效果的泡沫玻璃。
所述的冷却管二9出口处加工成锥形，可使冷却管内液氮充分喷出；冷却管二9出口处有三个对称分布的内槽，用来固定磨料射流喷嘴14，防止其转动、上下移动和向前移动；冷却管二9出口处外部加工有螺纹，复合喷嘴11通过螺纹连接固定在冷却管二9上
所述的磨料射流喷嘴14上设有三个对称分布的卡销，卡销卡在冷却管二9的内槽里，可避免磨料射流喷嘴14在冷却管二9中的转动、上下移动和向前移动。
所述的六坐标工作台12能带动工件13实现沿X轴、Y轴、Z轴三个方向的移动和绕X轴、Y轴、Z轴三个方向的转动。
所述的磨料射流出口处和被加工零件背部安装有热电偶，温度信号处理显示系统将热电偶采集到的信号实时显示出来。改变冷却管的长度，能调节控制磨料射流出口处温度。
本发明的有益效果：
本发明可以将混有液氮的低温磨料射流喷射到聚合物材料表面，先实现对聚合物材料的冷却，由于材料表面的冷却速率高于材料去除率，因而可以使聚合物在被加工之前可以冷却至目标温度。聚合物大多为疏水材料，在常温下难以进行磨料射流加工，但在低温下，对聚合物进行磨料射流加工，能实现较高的材料去除率。因而本低温磨料射流加工装置可以实现对疏水性聚合物材料的加工。
本发明将工件固定在六坐标工作台上，六坐标工作台可以带动工件实现沿X轴、Y轴、Z轴三个方向的移动和绕X轴、Y轴、Z轴三个方向的转动。本发明可实现在低温下对工件进行加工，加工温度可达-190℃。
附图说明
图1是本发明的系统组成结构示意图。
图2是本发明的冷却管二的结构示意图。
图3是本发明的冷却管一的结构示意图。
图4是本发明的复合喷嘴的结构示意图。
图5是本发明的磨料射流喷嘴的结构示意图；
图中：1、氮气瓶；2、磨料仓；3、快速接头一；4、液氮安全阀；5、自增压液氮罐（带有液氮压力表）；6、冷却管一；7、石墨环；8、磨料射流管；9、冷却管二；10、快速接头二；11、复合喷嘴；12、六坐标工作台；13、工件；14、磨料射流喷嘴；15、气粉混合器；16、冷却管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如1-5所示。
一种低温磨料射流加工装置，包括磨料射流发生系统、冷却系统、冷却管、加工系统，如图1所示；所述磨料射流发生系统主要包括氮气瓶1、磨料仓2、气粉混合器15、快速接头一3、磨料射流管8、快速接头二10、磨料射流喷嘴14；所述冷却系统主要包括一个自增压液氮罐（带有液氮压力表）5、液氮安全阀4、冷却管16、复合喷嘴11；所述的冷却管16包括冷却管一6、石墨环7、冷却管二9；所述的加工系统包括工件13、六坐标工作台12、温度信号处理显示系统；所述气粉混合器15一端接氮气瓶1，一端通过快速接头一3与磨料射流管8相连；所述磨料仓2与气粉混合器15固联；所述自增压液氮罐通过液氮安全阀4与冷却管一6相连；所述磨料射流弯管8套在冷却管一6内，与冷却管一6为过渡配合；所述磨料射流喷嘴14通过快速接头二10与磨料射流管8相连；所述复合喷嘴11通过螺纹连接安装者冷却管二9上；所述工件13粘贴在六坐标工作台12上；所述温度信号处理显示系统与热电偶相连，热电偶安装在六坐标工作台12上。
详述如下：
冷却管16采用可拆卸结构，由冷却管一6（图3）、石墨环7、冷却管二9（图2）组成，冷却管一6插入冷却管二9中，两者为过渡配合，由石墨环7进行密封，冷却管外层覆盖泡沫玻璃，可对液氮进行保温，保证冷却效果。所述的磨料射流弯管8形状为蛇形管，其材料为超低温钢，蛇形结构可以增加磨料射流冷却时间，提高冷却效率；磨料射流管8通过快速接头一3和气粉混合器15连接，通过快速接头二10和磨料射流喷嘴14连接。冷却管二9出口处加工成锥形，如图2，可使冷却管内液氮充分喷出；冷却管二9出口处有三个对称分布的内槽，用来固定磨料射流喷嘴14，防止其转动、上下移动和向前移动；冷却管二9出口处外部加工有螺纹，复合喷嘴11通过螺纹连接固定在冷却管二9上。冷却管一6通过其上部管道与液氮安全阀4连接，如图3，液氮通过液氮安全阀4经该管道进入冷却管；冷却管一6底部开有通孔，与磨料射流管8为过渡配合，采用石墨环进行密封（图1）。磨料射流喷嘴14管道上有三个对称分布的卡销，如图5卡销卡在冷却管二9的内槽里，可避免磨料射流喷嘴14转动、上下移动和向前移动。磨料射流喷嘴14套在复合喷嘴11（图4）内，由于卷吸作用以及液氮和磨料射流两种流体的相互冲击作用，磨料射流和由冷却管二9喷出的液氮在复合喷嘴11内可以实现充分混合，与液氮充分混合后的磨料射流由复合喷嘴11喷出至工件13表面。磨料射流出口处温度和工件13的加工温度可实时显示。磨料射流出口处和被加工零件背部安装有热电偶，温度信号处理显示系统将热电偶采集到的信号实时显示出来。改变冷却管的长度，可调节控制磨料射流出口处温度。将工件13固定在六坐标工作台12上，六坐标工作台12可以带动工件13实现沿X轴、Y轴、Z轴三个方向的移动和绕X轴、Y轴、Z轴三个方向的转动。本发明可以实现工件13在低温下进行加工，其加工温度可达-190℃。
本发明的工作过程如下：氧化铝、碳化硅、碳化硼等磨料在重力作用下从磨料仓2内落入气粉混合器15；氮气瓶1输出高压氮气进入气粉混合器15与磨料混合；在气粉混合器15内形成的磨料射流进入磨料射流管8；液氮发生装置经液氮安全阀4和冷却管一6将液氮输入冷却管内，在冷却管内对磨料射流进行初步降温冷却；由磨料射流喷嘴14喷出的磨料射流和由冷却管二9喷出的液氮在复合喷嘴11内充分混合后，由复合喷嘴11喷出混合有液氮的低温磨料射流至工件13表面进行加工，由六坐标工作台12可调整工件13和磨料射流的相对位置，磨料射流可以以各种入射角度对工件13的各个位置进行加工；温度信号处理显示系统通过分析热电偶采集的信号实时显示磨料射流出口处温度和工件加工温度。
以上所述为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进应包含在本发明的保护之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及同等物界定。同时，尽管本文较多地使用了氮气瓶1，磨料仓2，快速接头一3，液氮安全阀4，自增压液氮罐5，冷却管一6，石墨环7，磨料射流管8，冷却管二9，快速接头二10，复合喷嘴11，六坐标工作台12，工件13，磨料射流喷嘴14，气粉混合器15，冷却管16等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种低温磨料射流加工装置，其特征是它包括：
一磨料射流发生系统；所述磨料射流发生系统主要包括氮气瓶（1）、磨料仓（2）、气粉混合器（15）、磨料射流管（8）和磨料射流喷嘴（14），磨料仓（2）中的磨料落入气粉混合器（15）与从氮气瓶（1）中同步进入气粉混合器（15）的氮气混合后进入磨料射流管（8），磨料射流管（8）与磨料射流喷嘴（14）相连，磨料射流喷嘴（14）安装在复合喷嘴（11）中；
一冷却系统；所述冷却系统主要包括一个自增压液氮罐（5）、液氮安全阀（4）和冷却管（16）；冷却管（16）的一端通过液氮安全阀（4）与自增压液氮罐（5）相连，另一端与复合喷嘴（11）相连；磨料射流管（8）及其相连的磨料射流喷嘴（14）均安装在冷却管（16）以便在磨料流动过程中实现冷却，磨料在喷出磨料射流喷嘴（14）的同时与冷却管（16）进入复合喷嘴（11）中的低温氮气混合后再从复合喷嘴（11）喷口喷向工件（13）；
一加工系统；所述的加工系统包括工件（13）、六坐标工作台（12）和温度信号处理显示系统；工件（13）安装在复合喷嘴（11）的正前方并由六坐标工作台（12）驱动移动，温度信号处理显示系统能实时显示磨料射流出口处温度和工件（13）的加工温度。
2.根据权利要求1所述的低温磨料射流加工装置，其特征是所述的磨料射流管（8）呈S形布置在冷却管（16）中以延长冷却时间。
3.根据权利要求1或2所述的低温磨料射流加工装置，其特征是所述的磨料射流管（8）的一端通过快速接头一（3）与气粉混合器（15）的输出管道相连，它的另一端通过快速接头二（10）与磨料射流喷嘴（14）相连，其中快速接头一（3）位于冷却管（16）外，快速接头二（10）位于冷却管（16）中。
4.根据权利要求1所述的低温磨料射流加工装置，其特征是所述的冷却管（16）为可拆卸式结构，它由冷却管一（6）和冷却管二（9）相连而成，冷却管一（6）插入冷却管二（9）中并通过石墨环（7）密封相连。
5.根据权利要求1或4所述的低温磨料射流加工装置，其特征是所述的冷却管（16）外层覆盖有对液氮进行保温、保证冷却效果的泡沫玻璃。
6.根据权利要求4所述的低温磨料射流加工装置，其特征是所述的冷却管二（9）出口处加工成锥形，可使冷却管内液氮充分喷出；冷却管二（9）出口处有三个对称分布的内槽，用来固定磨料射流喷嘴（14），防止其转动、上下移动和向前移动；冷却管二（9）出口处外部加工有螺纹，复合喷嘴（11）通过螺纹连接固定在冷却管二（9）上。
7.根据权利要求1所述的低温磨料射流加工装置，其特征是所述的六坐标工作台（12）能带动工件（13）实现沿X轴、Y轴、Z轴三个方向的移动和绕X轴、Y轴、Z轴三个方向的转动。
8.根据权利要求1所述的低温磨料射流加工装置，其特征是所述的磨料射流出口处和被加工零件背部安装有热电偶，温度信号处理显示系统将热电偶采集到的信号实时显示出来；改变冷却管的长度，能调节控制磨料射流出口处温度。
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