本發(fā)明涉及面約束磨粒流光整加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說，尤其涉及一種基于結(jié)構(gòu)空化效應(yīng)的高效流體光整加工方法及裝置。

背景技術(shù)：

在電子信息、國防航空等領(lǐng)域，需要使用到一類大直徑平面工件，該類工件厚度較小，直徑較大，在使用過程中需要其具有較高的表面粗糙度及面形精度?，F(xiàn)有的加工該類工件的方法主要有兩種，分別為工具接觸式加工及磨粒流加工，其中工具接觸式加工通過工具施力與磨粒使之去除被加工表面的微隆起；由于難以避免磨粒及雜質(zhì)粒徑尺寸的不一致，因此，必然會導(dǎo)致磨粒受力不均，從而造成工件表面的亞表面損傷；而使用傳統(tǒng)磨粒流加工技術(shù)雖然可以有效避免工件表面的亞表面損傷及加工變質(zhì)，但是加工效率很低。

為了解決上述問題，前期提出了一種基于氣泡潰滅驅(qū)動磨粒在工件表面運動從而實現(xiàn)研磨拋光的面約束流體光整加工技術(shù)，并結(jié)合超聲波設(shè)計了一系列的相關(guān)設(shè)備；借助氣泡潰滅所釋放的能量，磨粒流能夠以更高速、無序的方式加工工件，從而極大的提高加工效率。目前基于氣泡潰滅的磨粒流加工主要分為兩類：一類是氣流多向注入法，這類方法通過往加工工具內(nèi)注入氣泡，借助氣泡在流道內(nèi)隨機潰滅的方式達到高效率的加工，該方法結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，但是可控性不強，不能有針對性的實現(xiàn)工件表面的光整加工；另一類方法主要是借助超聲波實現(xiàn)氣泡在工件表面針對性的潰滅，這類方法可以較好的控制流道內(nèi)磨粒流有針對性的加速，從而實現(xiàn)工件表面加工強弱的可控。但是，針對大直徑的工件表面加工，需要布置多個超聲波發(fā)生器，或周期性移動超聲波發(fā)生器以實現(xiàn)工件加工均勻性，這使得加工設(shè)備過于復(fù)雜，成本較高。因此，研發(fā)一種能夠充分利用氣泡潰滅所釋放的能量，并且能以較低成本實現(xiàn)工件表面加工均勻性的設(shè)備，是一件非常有實際意義的工作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有氣泡潰滅驅(qū)動磨粒式加工設(shè)備過于復(fù)雜，難以實現(xiàn)大直徑工件表面均勻性加工的難題的問題，提供了一種低成本且加工更加均勻的基于結(jié)構(gòu)空化效應(yīng)的高效流體光整加工方法及裝置。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的：一種基于結(jié)構(gòu)空化效應(yīng)的高效流體光整加工方法，將文丘里管空化效應(yīng)引入到流體光整加工中，通過在加工工具上設(shè)置文丘里管結(jié)構(gòu)，在加工工具和待加工工件之間形成的有效拋光區(qū)域內(nèi)形成強烈的氣泡空化作用，利用氣泡空化作用驅(qū)動形成有效拋光區(qū)內(nèi)的液固兩相磨粒流高速湍流渦旋，實現(xiàn)磨粒對待加工工件表面的加工，具體包括如下步驟：首先，按照需要的比例在磨粒流循環(huán)池內(nèi)調(diào)配好液固兩相磨粒流，并將調(diào)配好的液固兩相磨粒流注入載流體存儲箱中，利用氣泡發(fā)生器向載流體存儲箱中注入氣體形成固液氣三相磨粒流，并將固液氣三相磨粒流通過多個磨粒流入口通入到加工工具的磨粒流入口中，固液氣三相磨粒流流入有效拋光區(qū)域內(nèi)形成高速運動的固液氣三相磨粒流以加工待加工工件的表面；同時，磨粒流循環(huán)池內(nèi)的部分液固兩相磨粒流經(jīng)過磨粒流過濾器過濾得到磨粒載流體，將磨粒載流體通入加工工具的載流體入口中，并經(jīng)過載流體入口流體加工工具的文丘里管結(jié)構(gòu)進入有效拋光區(qū)域內(nèi)，通過文丘里管結(jié)構(gòu)在有效拋光區(qū)域內(nèi)形成強烈的氣泡空化作用，擾亂原有高速運動的固液氣三相磨粒流內(nèi)磨粒的運動，促使磨粒以高速和隨機的方式加工工件表面；在此過程中，利用運動模塊帶動加工工具做周期性自轉(zhuǎn)和縱橫向的平移運動，直至完成整個待加工工件表面的加工。

進一步的，文丘里管空化效應(yīng)通過磨粒載流體流經(jīng)文丘里管結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，通過向載流體存儲箱中注入氣體的效率調(diào)控文丘里管空化效應(yīng)的強弱。

進一步的，文丘里管結(jié)構(gòu)滿足固液氣三相磨粒流流經(jīng)文丘里管結(jié)構(gòu)時固液氣三相磨粒流的最小壓強低于固液氣三相磨粒流的飽和蒸氣壓。

進一步的，所述液固二相磨粒流為低粘度流體。低粘度流體容易實現(xiàn)空化效應(yīng)。

進一步的，所述運動模塊帶動加工工具以周期性自轉(zhuǎn)和縱橫向的平移運動兩種方式交替運動，即運動模塊首先以角度θ做周期性自轉(zhuǎn)加工，在完成360度自轉(zhuǎn)后平移距離s，開始新一輪的自轉(zhuǎn)，完成360度自轉(zhuǎn)后再次平移距離s，循環(huán)此過程，直至加工完整個待加工工件的表面。

一種基于結(jié)構(gòu)空化效應(yīng)的高效流體光整加工裝置，包括工件加工池、工件安裝平臺、加工工具、運動模塊、磨粒流循環(huán)池、磨粒流過濾器、載流體存儲箱、氣泡發(fā)生器、載流體管路、磨粒流管路、入水口自吸泵、出水口自吸泵和磨粒流自吸泵，待加工工件安裝在工件安裝平臺上，所述工件安裝平臺固定在所述工件加工池上方；所述運動模塊安裝在所述工件加工池的上方，運動模塊連接所述加工工具并驅(qū)動所述加工工具的周期性自轉(zhuǎn)以及沿待加工工件表面進行沿x軸和y軸的平移運動；所述加工工具包括上封蓋和工具本體，所述工具本體的下表面與待加工工件之間形成微距間隙，所述上封蓋與工具本體固定連接，上封蓋上設(shè)置有多個載流體入口，所述工具本體為圓盤形結(jié)構(gòu)，工具本體的周向開設(shè)有多個磨粒流入口，所述工具本體內(nèi)設(shè)置有文丘里管結(jié)構(gòu)，所述文丘里管結(jié)構(gòu)為設(shè)置在工具本體內(nèi)并沿工具本體的周向方向均布的多個文丘里管空化單元，每個文丘里管空化單元均包括入水槽、出水槽和多個節(jié)流孔，所述入水槽設(shè)置在所述工具本體的上表面，所述入水槽與上封蓋上的載流體入口連通，所述入水槽從內(nèi)向外呈弧線形布置，所述出水槽與所述入水槽一一對應(yīng)，出水槽的槽寬小于所述入水槽的槽寬，所述出水槽沿著與入水槽相同的方向呈弧線形布置，出水槽與入水槽之間通過設(shè)置在入水槽底部的多個節(jié)流孔連通；所述磨粒流加工池安裝在磨粒流循環(huán)池的正上方，所述工件加工池底部設(shè)置有磨粒流回流孔，磨粒流加工完成后經(jīng)磨粒流回流孔流入磨粒流循環(huán)池內(nèi)；所述磨粒流循環(huán)池連接磨粒流管路的一端，磨粒流管路的另一端連接磨粒流入口，所述磨粒流管路上設(shè)置有用于將磨粒流循環(huán)池內(nèi)的液固二相磨粒流注入所述磨粒流入口中的磨粒流自吸泵；所述磨粒流循環(huán)池通過載流體管路依次連接磨粒流過濾器、入水口自吸泵、載流體存儲箱、出水口自吸泵和加工工具的載流體入口，所述載流體存儲箱連接用于向所述載流體存儲箱內(nèi)通入氣體的氣泡發(fā)生器。

進一步的，所述節(jié)流孔的長度和孔徑之間的比值在3-4之間。

進一步的，所述磨粒流自吸泵與磨粒流循環(huán)池之間的磨粒流管路上設(shè)置有第一溫度計、第一流量計和第一流量控制閥，每個磨粒流入口和載流體入口均連接壓力表，所述出水口自吸泵與所述加工工具之間的載流體管路上設(shè)置有第二溫度計、第二流量計和第二流量控制閥，所述入水口自吸泵和所述磨粒流過濾器之間的載流體管路上設(shè)置有第三流量控制閥。

進一步的，所述載流體入口、磨粒流入口、文丘里管空化單元的最優(yōu)數(shù)量為三個。

進一步的，所述節(jié)流孔均布在所述入水槽的底部。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

1)本發(fā)明利用文丘里管結(jié)構(gòu)實現(xiàn)加工工具和待加工工件之間的微距間隙內(nèi)氣泡的生長和潰滅，從而實現(xiàn)磨粒的無序、高速湍流流動，相比于借助于超聲波的加工設(shè)備，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)更加的簡單，成本更加的低廉；相比于普通的氣泡自由潰滅式加工設(shè)備，本發(fā)明的可控性更好，氣泡潰滅驅(qū)動效果更佳明顯。

2)本發(fā)明通過控制氣泡發(fā)生器主動注入氣泡的速度來調(diào)節(jié)空化潰滅的強度，控制方便簡單，可以針對不同的加工材料指定相適應(yīng)的空化加工工藝，防止有些軟性材料由于空化效應(yīng)過于強烈而導(dǎo)致工件表面的疲勞破壞，提高本方法和本裝置的適應(yīng)性。

3)本發(fā)明所采用的文丘里管空化單元沿著加工工具由內(nèi)向外呈弧形布置，配合運動模塊驅(qū)動加工工件做周期性自轉(zhuǎn)以及縱橫向的平移運動，可以有效保證大直徑工件表面空化效應(yīng)的均勻性，從而達到更好的面型精度。

4)本發(fā)明利用磨粒流循環(huán)池形成液固二流磨粒流的循環(huán)管路，加工完成后的液固二相磨粒流回到磨粒流循環(huán)池內(nèi)并進行再次循環(huán)利用，有效降低了加工過程中液固二相磨粒流的消耗，降低了生產(chǎn)成本。

5)本發(fā)明在加工工具每一個磨粒流入口和載流體入口處均安裝有一個壓力表，用于測定磨粒流入口和載流體入口的壓力，便于隨時進行加工過程中的觀察和記錄，保證了加工的順利進行。

6)本發(fā)明在磨粒流管路和載流體管路上均設(shè)置有溫度計和流量計，用于實時監(jiān)控磨粒流管路上的溫度和流量，避免加工過程中出現(xiàn)流量和溫度的異常，保證了加工能夠順利的進行。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種基于結(jié)構(gòu)空化效應(yīng)的高效流體光整加工的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明加工裝置的剖視圖。

圖3是本發(fā)明加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明工具本體的主視圖。

圖5是本發(fā)明工具本體的后視圖。

圖中，1-載流體管路、2-第二流量控制閥、3-第二流量計、4-第二溫度計、5-第一壓力表、6-第二壓力表、7-第三壓力表、8-加工工具、9-待加工工件、10-運動模塊、11-工件安裝平臺、12-工件加工池、13-第一溫度計、14-第一流量計、15-磨粒流管路、16-磨粒流自吸泵、17-第一流量控制閥、18-磨粒流循環(huán)池、19-第四壓力表、20-第五壓力表、21-第六壓力表、22-磨粒流過濾器、23-第三流量控制閥、24-入水口自吸泵、25-載流體存儲箱、26-出水口自吸泵、27-氣泡發(fā)生器、82-上封蓋、821-載流體入口、83-工具本體、831-磨粒流入口、832-入水槽、833-節(jié)流孔、834-出水槽、835-文丘里管空化單元。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明了，下面結(jié)合具體實例并參照附圖1～5對本發(fā)明作進一步詳細說明。應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要的混淆本發(fā)明的概念。

如圖1～5所示，本發(fā)明所述的一種基于結(jié)構(gòu)空化效應(yīng)的高效流體光整加工方法，將文丘里管空化效應(yīng)引入到流體光整加工中，通過在加工工具8上設(shè)置文丘里管結(jié)構(gòu)，在加工工具8和待加工工件9之間形成的有效拋光區(qū)域內(nèi)形成強烈的氣泡空化作用，利用氣泡空化作用驅(qū)動形成有效拋光區(qū)內(nèi)的液固兩相磨粒流高速湍流渦旋，實現(xiàn)磨粒對待加工工件9表面的加工，具體包括如下步驟：首先，按照需要的比例在磨粒流循環(huán)池18內(nèi)調(diào)配好液固兩相磨粒流，并將調(diào)配好的液固兩相磨粒流注入載流體存儲箱25中，利用氣泡發(fā)生器27向載流體存儲箱25中注入氣體形成固液氣三相磨粒流，并將固液氣三相磨粒流通過多個磨粒流入口831通入到加工工具8的磨粒流入口831中，固液氣三相磨粒流流入有效拋光區(qū)域內(nèi)形成高速運動的固液氣三相磨粒流以加工待加工工件9的表面；同時，磨粒流循環(huán)池18內(nèi)的部分液固兩相磨粒流經(jīng)過磨粒流過濾器22過濾得到磨粒載流體，將磨粒載流體通入加工工具8的載流體入口821中，并經(jīng)過載流體入口821流體加工工具8的文丘里管結(jié)構(gòu)進入有效拋光區(qū)域內(nèi)，通過文丘里管結(jié)構(gòu)在有效拋光區(qū)域內(nèi)形成強烈的氣泡空化作用，擾亂原有高速運動的固液氣三相磨粒流內(nèi)磨粒的運動，促使磨粒以高速和隨機的方式加工工件表面；在此過程中，利用運動模塊10帶動加工工具8做周期性自轉(zhuǎn)和縱橫向的平移運動，直至完成整個待加工工件9表面的加工。

本發(fā)明中液固兩相磨粒流的磨粒比例并非是固定的，不同的待加工工件9在加工時需要的液固兩相磨粒流的磨粒比例是不一樣的，根據(jù)待加工工件9的實際需要來設(shè)定液固兩相磨粒流中的磨粒比例。

在本發(fā)明中，文丘里管空化效應(yīng)通過磨粒載流體流經(jīng)文丘里管結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，通過向載流體存儲箱25中注入氣體的效率調(diào)控文丘里管空化效應(yīng)的強弱，調(diào)節(jié)文丘里管空化效應(yīng)強弱的目的在于適用于不同種類的待加工工件9的加工。

在本發(fā)明中，文丘里管結(jié)構(gòu)滿足固液氣三相磨粒流流經(jīng)文丘里管結(jié)構(gòu)時固液氣三相磨粒流的最小壓強低于固液氣三相磨粒流的飽和蒸氣壓。為了確保上述內(nèi)容，文丘里管結(jié)構(gòu)必須經(jīng)過計算流體力學(xué)軟件驗證。

在本發(fā)明中，所述液固二相磨粒流為低粘度流體，容易實現(xiàn)空化效應(yīng)。

在本發(fā)明中，所述運動模塊10帶動加工工具8以周期性自轉(zhuǎn)和縱橫向的平移運動兩種方式交替運動，即運動模塊10首先以角度θ做周期性自轉(zhuǎn)加工，在完成360度自轉(zhuǎn)后平移距離s，開始新一輪的自轉(zhuǎn)，完成360度自轉(zhuǎn)后再次平移距離s，循環(huán)此過程，直至加工完整個待加工工件9的表面。運動模塊10包括驅(qū)動加工工具8周期性自轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動模塊和用于帶動整個轉(zhuǎn)動模塊進行縱橫向的平移運動的平移模塊組成，二者受到控制器控制進行交替運動。

本發(fā)明所述的一種基于結(jié)構(gòu)空化效應(yīng)的高效流體光整加工裝置，包括工件加工池12、工件安裝平臺11、加工工具8、運動模塊10、磨粒流循環(huán)池18、磨粒流過濾器22、載流體存儲箱25、氣泡發(fā)生器27、載流體管路1、磨粒流管路15、入水口自吸泵24、出水口自吸泵26和磨粒流自吸泵16，待加工工件9安裝在工件安裝平臺11上，所述工件安裝平臺11固定在所述工件加工池12上方；所述運動模塊10安裝在所述工件加工池12的上方，運動模塊10連接所述加工工具8并驅(qū)動所述加工工具8的周期性自轉(zhuǎn)以及沿待加工工件9表面進行沿x軸和y軸的平移運動；所述加工工具8包括上封蓋82和工具本體83，所述工具本體83的下表面與待加工工件9之間形成微距間隙，所述上封蓋82與工具本體83固定連接，上封蓋82上設(shè)置有多個載流體入口821，所述工具本體83為圓盤形結(jié)構(gòu)，工具本體83的周向開設(shè)有多個磨粒流入口831，所述工具本體內(nèi)設(shè)置有文丘里管結(jié)構(gòu)，所述文丘里管結(jié)構(gòu)為設(shè)置在工具本體83內(nèi)并沿工具本體的周向方向均布的多個文丘里管空化單元835，每個文丘里管空化單元835均包括入水槽832、出水槽834和多個節(jié)流孔833，所述入水槽832設(shè)置在所述工具本體83的上表面，所述入水槽832與上封蓋82上的載流體入口821連通，所述入水槽832從內(nèi)向外呈弧線形布置，所述出水槽834與所述入水槽832一一對應(yīng)，出水槽834的槽寬小于所述入水槽832的槽寬，所述出水槽834沿著與入水槽832相同的方向呈弧線形布置，出水槽834與入水槽832之間通過設(shè)置在入水槽832底部的多個節(jié)流孔833連通；所述磨粒流加工池安裝在磨粒流循環(huán)池18的正上方，所述工件加工池12底部設(shè)置有磨粒流回流孔，磨粒流加工完成后經(jīng)磨粒流回流孔流入磨粒流循環(huán)池18內(nèi)；所述磨粒流循環(huán)池18連接磨粒流管路15的一端，磨粒流管路15的另一端連接磨粒流入口831，所述磨粒流管路15上設(shè)置有用于將磨粒流循環(huán)池18內(nèi)的液固二相磨粒流注入所述磨粒流入口831中的磨粒流自吸泵16；所述磨粒流循環(huán)池18通過載流體管路1依次連接磨粒流過濾器22、入水口自吸泵24、載流體存儲箱25、出水口自吸泵26和加工工具8的載流體入口821，所述載流體存儲箱25連接用于向所述載流體存儲箱25內(nèi)通入氣體的氣泡發(fā)生器27。

作為本發(fā)明的最優(yōu)選擇，所述節(jié)流孔833的長度和孔徑之間的比值在3-4之間，且所述節(jié)流孔833均布在所述入水槽832的底部。

所述磨粒流自吸泵16與磨粒流循環(huán)池18之間的磨粒流管路15上設(shè)置有第一溫度計13、第一流量計14和第一流量控制閥17，每個磨粒流入口831和載流體入口821均連接壓力表，所述出水口自吸泵26與所述加工工具8之間的載流體管路1上設(shè)置有第二溫度計4、第二流量計3和第二流量控制閥2，所述入水口自吸泵24和所述磨粒流過濾器之間的載流體管路上設(shè)置有第三流量控制閥23。

作為本發(fā)明的最優(yōu)選擇，所述載流體入口821、磨粒流入口831、文丘里管空化單元835的最優(yōu)數(shù)量為三個。與之對應(yīng)的，三個載流體入口821分別對應(yīng)第一壓力表5、第二壓力表6和第三壓力表7三個壓力表，三個磨粒流入口831分別對應(yīng)第四壓力表19、第五壓力表20和第六壓力表30三個壓力表，每個壓力表用于檢測對應(yīng)載流體入口或磨粒流入口處的壓力。

上述實施例只是本發(fā)明的較佳實施例，并不是對本發(fā)明技術(shù)方案的限制，只要是不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動即可在上述實施例的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的技術(shù)方案，均應(yīng)視為落入本發(fā)明專利的權(quán)利保護范圍內(nèi)。