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CN104786155A - 一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工方法及装置 - Google Patents

一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声波辅助磨粒流抛光加工方法及装置，将逆向超声波发生装置安装在磨粒流方向相逆、且与磨粒流方向呈60度夹角的位置上，将顺向超声波发生器安装在磨粒流方向相同、且与磨粒流方向呈60度夹角的位置上，利用逆向超声波发生装置和顺向超声波发生装置分别产生逆向超声波和顺向超声波，逆向超声波和顺向超声波在含有微尺寸气泡的磨粒流介质中对工件加工表面附近的微尺寸气泡压缩致使微尺寸气泡溃灭，微尺寸气泡溃灭时会产生一种与磨粒流方向相逆的逆向微激波，微激波使得磨粒流内局部区域产生很大的压强从而产生微观爆炸作用，从而增加磨粒与工件的作用时间，大幅度提高磨粒流的抛光效率。

Description

一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工方法及装置
技术领域
本发明涉及软性流体表面研磨抛光领域，更具体的说，涉及一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工方法及装置。
背景技术
在现代光电子学、计算机科学及薄膜科学等高新技术领域，需要在精密光学零件和功能晶体材料表面实现超光滑表面加工Ultrasmooth Surface Manufacturing，例如软X射线光学系统、激光陀螺反射镜、高密度波分复用器、高能激光反射镜、功能光学器件、光学窗口、K9玻璃超精密加工等。
前期出现的液固两相软性磨粒流抛光加工是以磨粒流的湍流为理论依据，以磨粒之间的相互碰撞以及磨粒与壁面间的碰撞为基础，对磨粒进行动力学分析，利用湍流流场中磨粒对壁面的切削作用，对工件的壁面粗糙处进行精密抛光加工。
气液固三相磨粒流抛光加工方法是将微尺寸气泡以一定的比例均匀混合进液固两相磨粒流中形成的新型流体抛光介质，在加工工件上表面形成湍流流动，利用其中的气泡溃灭产生的微爆炸机理推动磨粒更高效的切削工件表面，达到高效的对工件进行抛光的效果。
目前，气液固三相磨粒流抛光加工所用的流道采用单入口、单出口的方式，流体从流道的入口流入，出口流出，最终回流至磨粒流储存箱。按照三相磨粒流的加工原理，对工件进行加工的磨粒流在流道内必须形成湍流流动，湍流中，磨粒运动的随机性有利于表面无序化，直至实现工件表面无工具镜面级加工效果。基于前期的实验状况，简单的单输入输出的加工流道存在以下缺点：①增压泵的压力或者流量较低的时候，增压泵输出的气液固三相磨粒流的流速不能达到产生湍流的最小速度，导致磨粒流道内的磨粒流处于层流状态，进而导致磨粒流内的微尺寸气泡溃灭的概率很低，加工效果不明显；②增压泵输出磨粒流的流速达到了在流道内形成湍流的最小速度，气泡在湍流的扰动下可能溃灭，但是不能在靠近工件表面的 区域以较高的概率溃灭，进而不能形成区域化的明显加工效果，导致工件加工的效率不高。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术利用磨粒流对工件表面进行抛光时工件抛光效果不明显的问题，提供一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工方法及装置。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工方法，用于超声波应用到气液固三相磨粒流抛光加工中，包括如下步骤：将逆向超声波发生装置安装在气液固三相磨粒流方向相逆、且与气液固三相磨粒流方向呈60度夹角的位置上，将顺向超声波发生器安装在气液固三相磨粒流方向相同、且与气液固三相磨粒流方向呈60度夹角的位置上，利用逆向超声波发生装置和顺向超声波发生装置分别产生逆向超声波和顺向超声波，逆向超声波和顺向超声波在含有微尺寸气泡的气液固三相磨粒流介质中对工件加工表面附近的微尺寸气泡压缩致使微尺寸气泡溃灭，微尺寸气泡溃灭时会产生一种与气液固三相磨粒流方向相逆的逆向微激波，微激波使得气液固三相磨粒流内局部区域产生很大的压强从而产生微观爆炸作用，并通过微观爆炸作用产生垂直向下的分力对微尺寸气泡周围的磨粒产生向下加速推动作用，进而大幅度提高所述气液固三相磨粒流与工件加工表面凸起峰的接触几率和作用力；同时围观爆炸作用产生的与气液固三相磨粒流流向相逆的分力可以对磨粒起到相对阻滞作用，增加磨粒与工件加工表面的接触作用时间。
进一步的，所述逆向超声波和顺向超声波的功率和频率通过外接电路和控制系统进行人为控制，进而可以人为控制气液固三相磨粒流中的微尺寸气泡的溃灭速率，提高微尺寸气泡靠近工件加工表面处的溃灭几率。进一步可以防止微尺寸气泡溃灭产生的作用力过大或过小时使工件表面破坏或加工效率低下，从而提高微尺寸气泡溃灭对加工的有益效果。
一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工装置，包括顺向超声波发生装置、逆向超声波发生装置、三相磨粒流流道、流道盖板、和底座，三相磨粒流流道固定在底座上，流道盖 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处均设有螺纹管，三相磨粒流流道内设有安装带抛光工件的凹槽；
所述逆向超声波发生装置包括超声波换能器、平面圆形活塞式发射头、固定法兰盘和密封连接盘，所述超声波换能器连接平面圆形活塞式发射头，所述平面圆形活塞式发射头通过密封连接盘连接流道盖板的一个倾斜侧面，所述超声波换能器通过平面圆形活塞式发射头将超声波发射进入三相磨粒流流道中，所述三相磨粒流流道内的气液固三相磨粒流的流向与上述超声波的方向相逆且呈60度夹角；所述超声波换能器通过固定法兰盘固定在底座上；
所述顺向超声波发生装置结构与逆向超声波发生装置一致，顺向超声波发生装置装在流道盖板的另外一个倾斜侧面上，顺向超声波发生装置与逆向超声波发生装置对称分布且二者呈60度夹角。
进一步的，所固定法兰盘通过夹具固定在底座上。
进一步的，所述密封连接盘和流道盖板通过O型密封圈密封连接。
进一步的，所述超声波换能器通过平面圆形活塞式发射头发射出的超声波为频率为20KHz的弹性机械振动波。上述超声波在三相磨粒流介质中传播过程中会对其中的固体或空化气泡产生压缩作用，空化气泡在压缩过程中可能会溃灭，其溃灭时会产生一种与三相磨粒流成一定角度的逆向微激波，使局部区域有着很大的压强从而产生微观爆炸作用。
进一步的，三相磨粒流是由液固二相磨粒流与微尺寸气泡均匀混合形成的混合磨粒流体，所述微尺寸气泡是直径为1～100um的空化气泡，所述微尺寸气泡通过微纳米气泡泵产生并均匀混合进入液固二相磨粒流中。
进一步的，所述固定法兰盘包括母盘和子盘，子盘和超声波换能器之间安装有塑料垫片，母盘和超声波换能器之间安装有橡胶减震垫圈。通过塑料垫片和橡胶减震垫圈大幅度减少超声波的传递损失，进而保证超声波换能器输出超声波的完整性。
本发明的有益效果在于：
1将超声波在流体介质中促进微尺寸气泡溃灭进而产生微观爆炸作用的效果应用到磨粒流抛光加工中，微观爆炸作用效果产生的两个分力，垂直分力用于提高磨粒与工件加工表面凸起峰的接触几率和作用力，逆向水平分力可以对磨粒形成相对阻滞作用，增加磨粒与工件的作用时间，大幅度提高磨粒流的抛光效率。
2本装置采用的顺向超声波发生装置和逆向超声波发生装置呈60度夹角对称分布，分别从两个方向向三相磨粒流流道内摄入频率相同，功率不同的超声波，在超声波的交汇区叠加，使微尺寸气泡大部分集中在工件加工表面附近溃灭，提高对工件的加工效果。
3利用气液固三相磨粒流在抛光系统中反复对加工工件表面进行抛光加工，可以提高气液固三相磨粒流的利用效率，并可以有效过滤加工残留物以减少污水排放，实现清洁加工，节约能源，绿色环保。
附图说明
图1是本发明一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工方法的流程示意图。
图2是本发明一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工装置的结构示意图。
图3是超声波换能器变幅杆与固定法兰盘装配结构剖视图。
图4是三相磨粒流流道与平面圆形活塞式发射头装配结构剖视图。
图中，1-底座、2-三相磨粒流流道、3-夹具、4-子盘、5-下压块、6-压电陶瓷元件、7-预紧力螺钉、8-上压块、9-电极元件、10-变幅杆、11-母盘、12-平面圆形活塞式发射头、13-流道盖板、14-工件、15-微尺寸气泡、16-气液固三相磨粒流、17-密封连接盘、18-螺纹管、19-塑料垫片、20-橡胶减震垫圈。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
参照附图1～4，一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工方法，具体的技术思路可以描述如下：由抛光加工装置中的螺纹管18向三相磨粒流流道2内注入处于湍流状态的气液固三相磨粒流16，同时开启超声波换能器，利用外接电路和控制系统调节所述超声波换能器发 射超声波的功率和频率，持续工作一定时间后取出工件14进行测量，得出加工效果结论。其中，在外接电路和控制系统的调节下，结合测量工件14得出的加工效果，多次实验，使超声波达到最佳加速三相磨粒流中的微尺寸气泡溃灭速率的效果，最后拟定实验加工工艺。
所述逆向超声波和顺向超声波的功率和频率通过外接电路和控制系统进行人为控制，进而可以人为控制气液固三相磨粒流16中的微尺寸气泡的溃灭速率，提高微尺寸气泡15靠近工件14加工表面处的溃灭几率。进一步可以防止微尺寸气泡溃灭产生的作用力过大或过小时使工件14表面破坏或加工效率低下，从而提高微尺寸气泡15溃灭对加工的有益效果。
上述方案所涉及的一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工装置，包括顺向超声波发生装置、逆向超声波发生装置、三相磨粒流流道2、流道盖板13、和底座1，三相磨粒流流道2固定在底座1上，流道盖板13固定在三相磨粒流流道2上，三相磨粒流流道2的出口和入口处均设有螺纹管18，三相磨粒流流道2内设有安装带抛光工件的凹槽；所述逆向超声波发生装置包括超声波换能器、平面圆形活塞式发射头12、固定法兰盘和密封连接盘17，所述超声波换能器连接平面圆形活塞式发射头12，所述平面圆形活塞式发射头12通过密封连接盘17连接流道盖板13的一个倾斜侧面，所述超声波换能器通过平面圆形活塞式发射头12将超声波发射进入三相磨粒流流道2中，所述三相磨粒流流道2内的气液固三相磨粒流的流向与上述超声波的方向相逆且呈60度夹角；所述超声波换能器通过固定法兰盘固定在底座1上；所述顺向超声波发生装置结构与逆向超声波发生装置一致，顺向超声波发生装置装在流道盖板13的另外一个倾斜侧面上，顺向超声波发生装置与逆向超声波发生装置对称分布且二者呈60度夹角。
所固定法兰盘通过夹具3固定在底座1上。
所述密封连接盘17和流道盖板13通过O型密封圈密封连接。
所述超声波发生器包括变幅杆10、下压块5、压电陶瓷元件6、电极元件9、预紧力螺钉7和上压块8，下压块5和上压块8设在压电陶瓷元件6的两端并通过预紧力螺栓7进行固定， 电极元件9连接压电陶瓷元件6，下压块5的一端通过变幅杆10连接平面圆形活塞式发射头12，固定法兰盘固定在变幅杆10上。
所述超声波换能器通过平面圆形活塞式发射头12发射出的超声波为频率为20KHz的弹性机械振动波。上述超声波在三相磨粒流介质中传播过程中会对其中的固体或空化气泡产生压缩作用，空化气泡在压缩过程中可能会溃灭，其溃灭时会产生一种与三相磨粒流成一定角度的逆向微激波，使局部区域有着很大的压强从而产生微观爆炸作用。
三相磨粒流是由液固二相磨粒流与微尺寸气泡均匀混合形成的混合磨粒流体，所述微尺寸气泡是直径为1～100um的空化气泡，所述微尺寸气泡通过微纳米气泡泵产生并均匀混合进入液固二相磨粒流中。
所述固定法兰盘包括母盘11和子盘4，子盘4和超声波换能器之间安装有塑料垫片19，母盘11和超声波换能器之间安装有橡胶减震垫圈20。通过塑料垫片19和橡胶减震垫圈20大幅度减少超声波的传递损失，进而保证超声波换能器输出超声波的完整性。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (8)

1.一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工方法，用于超声波应用到气液固三相磨粒流抛光加工中，其特征在于：包括如下步骤：将逆向超声波发生装置安装在气液固三相磨粒流方向相逆、且与气液固三相磨粒流方向呈60度夹角的位置上，将顺向超声波发生器安装在气液固三相磨粒流方向相同、且与气液固三相磨粒流方向呈60度夹角的位置上，利用逆向超声波发生装置和顺向超声波发生装置分别产生逆向超声波和顺向超声波，逆向超声波和顺向超声波在含有微尺寸气泡的气液固三相磨粒流介质中对工件加工表面附近的微尺寸气泡压缩致使微尺寸气泡溃灭，微尺寸气泡溃灭时会产生一种与气液固三相磨粒流方向相逆的逆向微激波，微激波使得气液固三相磨粒流内局部区域产生很大的压强从而产生微观爆炸作用，并通过微观爆炸作用产生垂直向下的分力对微尺寸气泡周围的磨粒产生向下加速推动作用，进而大幅度提高所述气液固三相磨粒流与工件加工表面凸起峰的接触几率和作用力；同时围观爆炸作用产生的与气液固三相磨粒流流向相逆的分力可以对磨粒起到相对阻滞作用，增加磨粒与工件加工表面的接触作用时间。
2.根据权利要求1所述的一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工方法，其特征在于：所述逆向超声波和顺向超声波的功率和频率通过外接电路和控制系统进行人为控制，进而可以人为控制气液固三相磨粒流中的微尺寸气泡的溃灭速率，提高微尺寸气泡靠近工件加工表面处的溃灭几率。
3.一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工装置，其特征在于：包括顺向超声波发生装置、逆向超声波发生装置、三相磨粒流流道(2)、流道盖板(13)、和底座(1)，三相磨粒流流道(2)固定在底座(1)上，流道盖板(13)固定在三相磨粒流流道(2)上，三相磨粒流流道(2)的出口和入口处均设有螺纹管(18)，三相磨粒流流道(2)内设有安装带抛光工件的凹槽；
所述逆向超声波发生装置包括超声波换能器、平面圆形活塞式发射头(12)、固定法兰盘和密封连接盘(17)，所述超声波换能器连接平面圆形活塞式发射头(12)，所述平面圆形活 塞式发射头(12)通过密封连接盘(17)连接流道盖板(13)的一个倾斜侧面，所述超声波换能器通过平面圆形活塞式发射头(12)将超声波发射进入三相磨粒流流道(2)中，所述三相磨粒流流道(2)内的气液固三相磨粒流的流向与上述超声波的方向相逆且呈60度夹角；所述超声波换能器通过固定法兰盘固定在底座(1)上；
所述顺向超声波发生装置结构与逆向超声波发生装置一致，顺向超声波发生装置装在流道盖板(13)的另外一个倾斜侧面上，顺向超声波发生装置与逆向超声波发生装置对称分布且二者呈60度夹角。
4.根据权利要求3所述的一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工装置，其特征在于：所固定法兰盘通过夹具(3)固定在底座(1)上。
5.根据权利要求3所述的一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工装置，其特征在于：所述密封连接盘(17)和流道盖板(13)通过O型密封圈密封连接。
6.根据权利要求3所述的一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工装置，其特征在于：所述超声波换能器通过平面圆形活塞式发射头(12)发射出的超声波为频率为20KHz的弹性机械振动波。
7.根据权利要求3所述的一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工装置，其特征在于：三相磨粒流是由液固二相磨粒流与微尺寸气泡均匀混合形成的混合磨粒流体，所述微尺寸气泡是直径为1～100um的空化气泡，所述微尺寸气泡通过微纳米气泡泵产生并均匀混合进入液固二相磨粒流中。
8.根据权利要求3所述的一种超声波辅助气液固三相磨粒流抛光加工装置，其特征在于：所述固定法兰盘包括母盘(11)和子盘(4)，子盘(4)和超声波换能器之间安装有塑料垫片(19)，母盘(11)和超声波换能器之间安装有橡胶减震垫圈(20)。
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