一種超聲波輔助氣液固三相磨粒流拋光加工方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及軟性流體表面研磨拋光領(lǐng)域，更具體的說，涉及一種超聲波輔助氣液固三相磨粒流拋光加工方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)代光電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及薄膜科學(xué)等高新技術(shù)領(lǐng)域，需要在精密光學(xué)零件和功能晶體材料表面實(shí)現(xiàn)超光滑表面加工Ultrasmooth Surface Manufacturing,例如軟X射線光學(xué)系統(tǒng)、激光陀螺反射鏡、高密度波分復(fù)用器、高能激光反射鏡、功能光學(xué)器件、光學(xué)窗口、K9玻璃超精密加工等。
[0003]前期出現(xiàn)的液固兩相軟性磨粒流拋光加工是以磨粒流的湍流為理論依據(jù)，以磨粒之間的相互碰撞以及磨粒與壁面間的碰撞為基礎(chǔ)，對磨粒進(jìn)行動力學(xué)分析，利用湍流流場中磨粒對壁面的切削作用，對工件的壁面粗糙處進(jìn)行精密拋光加工。
[0004]氣液固三相磨粒流拋光加工方法是將微尺寸氣泡以一定的比例均勻混合進(jìn)液固兩相磨粒流中形成的新型流體拋光介質(zhì)，在加工工件上表面形成湍流流動，利用其中的氣泡潰滅產(chǎn)生的微爆炸機(jī)理推動磨粒更高效的切削工件表面，達(dá)到高效的對工件進(jìn)行拋光的效果。
[0005]目前，氣液固三相磨粒流拋光加工所用的流道采用單入口、單出口的方式，流體從流道的入口流入，出口流出，最終回流至磨粒流儲存箱。按照三相磨粒流的加工原理，對工件進(jìn)行加工的磨粒流在流道內(nèi)必須形成湍流流動，湍流中，磨粒運(yùn)動的隨機(jī)性有利于表面無序化，直至實(shí)現(xiàn)工件表面無工具鏡面級加工效果?；谇捌诘膶?shí)驗(yàn)狀況，簡單的單輸入輸出的加工流道存在以下缺點(diǎn):①增壓泵的壓力或者流量較低的時(shí)候，增壓泵輸出的氣液固三相磨粒流的流速不能達(dá)到產(chǎn)生湍流的最小速度，導(dǎo)致磨粒流道內(nèi)的磨粒流處于層流狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致磨粒流內(nèi)的微尺寸氣泡潰滅的概率很低，加工效果不明顯；②增壓泵輸出磨粒流的流速達(dá)到了在流道內(nèi)形成湍流的最小速度，氣泡在湍流的擾動下可能潰滅，但是不能在靠近工件表面的區(qū)域以較高的概率潰滅，進(jìn)而不能形成區(qū)域化的明顯加工效果，導(dǎo)致工件加工的效率不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)利用磨粒流對工件表面進(jìn)行拋光時(shí)工件拋光效果不明顯的問題，提供一種超聲波輔助氣液固三相磨粒流拋光加工方法及裝置。
[0007]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的:
[0008]一種超聲波輔助氣液固三相磨粒流拋光加工方法，用于超聲波應(yīng)用到氣液固三相磨粒流拋光加工中，包括如下步驟:將逆向超聲波發(fā)生裝置安裝在氣液固三相磨粒流方向相逆、且與氣液固三相磨粒流方向呈60度夾角的位置上，將順向超聲波發(fā)生器安裝在氣液固三相磨粒流方向相同、且與氣液固三相磨粒流方向呈60度夾角的位置上，利用逆向超聲波發(fā)生裝置和順向超聲波發(fā)生裝置分別產(chǎn)生逆向超聲波和順向超聲波，逆向超聲波和順向超聲波在含有微尺寸氣泡的氣液固三相磨粒流介質(zhì)中對工件加工表面附近的微尺寸氣泡壓縮致使微尺寸氣泡潰滅，微尺寸氣泡潰滅時(shí)會產(chǎn)生一種與氣液固三相磨粒流方向相逆的逆向微激波，微激波使得氣液固三相磨粒流內(nèi)局部區(qū)域產(chǎn)生很大的壓強(qiáng)從而產(chǎn)生微觀爆炸作用，并通過微觀爆炸作用產(chǎn)生垂直向下的分力對微尺寸氣泡周圍的磨粒產(chǎn)生向下加速推動作用，進(jìn)而大幅度提高所述氣液固三相磨粒流與工件加工表面凸起峰的接觸幾率和作用力；同時(shí)圍觀爆炸作用產(chǎn)生的與氣液固三相磨粒流流向相逆的分力可以對磨粒起到相對阻滯作用，增加磨粒與工件加工表面的接觸作用時(shí)間。
[0009]進(jìn)一步的，所述逆向超聲波和順向超聲波的功率和頻率通過外接電路和控制系統(tǒng)進(jìn)行人為控制，進(jìn)而可以人為控制氣液固三相磨粒流中的微尺寸氣泡的潰滅速率，提高微尺寸氣泡靠近工件加工表面處的潰滅幾率。進(jìn)一步可以防止微尺寸氣泡潰滅產(chǎn)生的作用力過大或過小時(shí)使工件表面破壞或加工效率低下，從而提高微尺寸氣泡潰滅對加工的有益效果O
[0010]一種超聲波輔助氣液固三相磨粒流拋光加工裝置，包括順向超聲波發(fā)生裝置、逆向超聲波發(fā)生裝置、三相磨粒流流道、流道蓋板、和底座，三相磨粒流流道固定在底座上，流道蓋板固定在三相磨粒流流道上，三相磨粒流流道的出口和入口處均設(shè)有螺紋管，三相磨粒流流道內(nèi)設(shè)有安裝帶拋光工件的凹槽；
[0011]所述逆向超聲波發(fā)生裝置包括超聲波換能器、平面圓形活塞式發(fā)射頭、固定法蘭盤和密封連接盤，所述超聲波換能器連接平面圓形活塞式發(fā)射頭，所述平面圓形活塞式發(fā)射頭通過密封連接盤連接流道蓋板的一個(gè)傾斜側(cè)面，所述超聲波換能器通過平面圓形活塞式發(fā)射頭將超聲波發(fā)射進(jìn)入三相磨粒流流道中，所述三相磨粒流流道內(nèi)的氣液固三相磨粒流的流向與上述超聲波的方向相逆且呈60度夾角；所述超聲波換能器通過固定法蘭盤固定在底座上；
[0012]所述順向超聲波發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)與逆向超聲波發(fā)生裝置一致，順向超聲波發(fā)生裝置裝在流道蓋板的另外一個(gè)傾斜側(cè)面上，順向超聲波發(fā)生裝置與逆向超聲波發(fā)生裝置對稱分布且二者呈60度夾角。
[0013]進(jìn)一步的，所固定法蘭盤通過夾具固定在底座上。
[0014]進(jìn)一步的，所述密封連接盤和流道蓋板通過O型密封圈密封連接。
[0015]進(jìn)一步的，所述超聲波換能器通過平面圓形活塞式發(fā)射頭發(fā)射出的超聲波為頻率為20KHz的彈性機(jī)械振動波。上述超聲波在三相磨粒流介質(zhì)中傳播過程中會對其中的固體或空化氣泡產(chǎn)生壓縮作用，空化氣泡在壓縮過程中可能會潰滅，其潰滅時(shí)會產(chǎn)生一種與三相磨粒流成一定角度的逆向微激波，使局部區(qū)域有著很大的壓強(qiáng)從而產(chǎn)生微觀爆炸作用。
[0016]進(jìn)一步的，三相磨粒流是由液固二相磨粒流與微尺寸氣泡均勻混合形成的混合磨粒流體，所述微尺寸氣泡是直徑為I?10um的空化氣泡，所述微尺寸氣泡通過微納米氣泡泵產(chǎn)生并均勻混合進(jìn)入液固二相磨粒流中。
[0017]進(jìn)一步的，所述固定法蘭盤包括母盤和子盤，子盤和超聲波換能器之間安裝有塑料墊片，母盤和超聲波換能器之間安裝有橡膠減震墊圈。通過塑料墊片和橡膠減震墊圈大幅度減少超聲波的傳遞損失，進(jìn)而保證超聲波換能器輸出超聲波的完整性。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于:
[0019]I將超聲波在流體介質(zhì)中促進(jìn)微尺寸氣泡潰滅進(jìn)而產(chǎn)生微觀爆炸作用的效果應(yīng)用到磨粒流拋光加工中，微觀爆炸作用效果產(chǎn)生的兩個(gè)分力，垂直分力用于提高磨粒與工件加工表面凸起峰的接觸幾率和作用力，逆向水平分力可以對磨粒形成相對阻滯作用，增加磨粒與工件的作用時(shí)間，大幅度提高磨粒流的拋光效率。
[0020]2本裝置采用的順向超聲波發(fā)生裝置和逆向超聲波發(fā)生裝置呈60度夾角對稱分布，分別從兩個(gè)方向向三相磨粒流流道內(nèi)攝入頻率相同，功率不同的超聲波，在超聲波的交匯區(qū)疊加，使微尺寸氣泡大部分集中在工件加工表面附近潰滅，提高對工件的加工效果。
[0021]3利用氣液固三相磨粒流在拋光系統(tǒng)中反復(fù)對加工工件表面進(jìn)行拋光加工，可以提高氣液固三相磨粒流的利用效率，并可以有效過濾加工殘留物以減少污水排放，實(shí)現(xiàn)清潔加工，節(jié)約能源，綠色環(huán)保。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明一種超聲波輔助氣液固三相磨粒流拋光加工方法的流程示意圖。
[0023]圖2是本發(fā)明一種超聲波輔助氣液固三相磨粒流拋光加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖3是超聲波換能器變幅桿與固定法蘭盤裝配結(jié)構(gòu)剖視圖。
[0025]圖4是三相磨粒流流道與平面圓形活塞式發(fā)射頭裝配結(jié)構(gòu)剖視圖。
[0026]圖中，1-底座、2-三相磨粒流流道、3-夾具、4-子盤、5-下壓塊、6_壓電陶瓷元件、
7-預(yù)緊力螺釘、8-上壓塊、9-電極元件、10-變幅桿、11-母盤、12-平面圓形活塞式發(fā)射頭、13-流道蓋板、14-工件、15-微尺寸氣泡、16-氣液固三相磨粒流、17-密封連接盤、18-螺紋管、19-塑料墊片、20-橡膠減震墊圈。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0028]參照附圖1?4，一種超聲波輔助氣液固三相磨粒流拋光加工方法，具體的技術(shù)思路可以描述如下:由拋光加工裝置中的螺紋管18向三相磨粒流流道2內(nèi)注入處于湍流狀態(tài)的氣液固三相磨粒流16，同時(shí)開啟超聲波換能器，利用外接電路和控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)所述超聲波換能器發(fā)射超聲波的功率和頻率，持續(xù)工作一定時(shí)間后取出工件14進(jìn)行測量，得出加工