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，涉及一种超声波空化气泡辅助流体抛光加工方法及装置。

背景技术

在现代光学、电子信息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，液固两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。按照两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，增压泵输出的液固两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，进而导致磨粒流中的磨粒对工件表面的切削概率很低，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，由于加工流道较长，在流动过程中能量损失，湍动能下降，导致工件加工效果不均匀。

发明内容

本发明的目的在于解决现有实验过程中对工件抛光效果不明显或不均匀的问题，提出了一种超声波空化气泡辅助流体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：

一种超声波空化气泡辅助流体抛光加工方法，用于将超声波应用到二相磨粒流抛光加工中，包括如下步骤：将超声波发生装置垂直安装在二相磨粒流流道的上方，利用超声波发生装置发射的超声波在上述二相磨粒流流道内的磨粒流中产生空化效应，从而在超声波发生装置的发射端面处空话产生微尺寸气泡；微尺寸气泡在超声波产生的压力作用下离开发射端面向前运动，当微尺寸气泡运动到上述发射端面正下方的工件近壁面时，上述超声波的压缩作用能够使微尺寸气泡产生溃灭，微尺寸气泡溃灭时会产生一种微激波，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，并通过微观爆炸作用对微尺寸气泡周围的磨粒产生向下加速推动作用，进而大幅度提高二相磨粒流与工件加工表面凸起峰的接触几率和作用力，由此大幅度提高二相磨粒流抛光加工的效率。

进一步的，所述超声波发生装置发射的超声波频率为20KHz，功率为1KW。

进一步的，所述逆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。

一种超声波空化气泡辅助流体抛光加工装置，包括超声波发生装置、平面圆形活塞式发射头、固定法兰盘、二相磨粒流流道、流道盖板、密封连接盘和底座，二相磨粒流流道固定在底座上，流道盖板固定在二相磨粒流流道上，二相磨粒流流道的出口和入口处均设有螺纹管，二相磨粒流流道内设有安装带抛光工件的凹槽；所述超声波发生装置与所述底座垂直安装，二相磨粒流流道位于超声波发生装置的正下方；所述超声波发生装置连接平面圆形活塞 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，所述超声波发生装置通过平面圆形活塞式发射头将超声波垂直发射进入二相磨粒流流道中；所述超声波发生装置通过固定法兰盘固定在底座上。

进一步的，所述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、功率为1KW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，所述二相磨粒流是由磨粒和水均匀混合而成的抛光流体介质，其磨粒的最佳比例为15％，磨粒材料为碳化硅。

进一步的，所述二相磨粒流是由磨粒和轻质油均匀混合而成的抛光流体介质，其磨粒的最佳比例为15％，磨粒材料为氧化铝颗粒。

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)将频率为20KHz、功率为1KW的应用到磨粒流抛光加工中，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，微观爆炸作用加速推动二相磨粒流的磨粒对工件的切削效果，大幅度提高二相磨粒流的抛光效率。

2)利用二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，可以提高二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空化气泡辅助流体抛光加工方法的流程示意图。

图2是本发明一种超声波空化气泡辅助流体抛光加工装置的结构示意图。

图3是超声波发生装置的变幅杆与固定法兰盘装配结构剖视图。

图4是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-螺纹管、3-夹具、4-平面圆形活塞式发射头、5-子盘、6-母盘、7-压电陶瓷元件、8-电极元件、9-预紧力螺钉、10-上压块、11-下压块、12-变幅杆、13-流道盖板、14-二相磨粒流流道、15-工件、16-微尺寸气泡、17-磨粒、18-O型密封圈、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1～4，一种超声波空化气泡辅助流体抛光加工方法，用于将超声波应用到二相磨粒流抛光加工中，其特征在于：包括如下步骤：将超声波发生装置垂直安装在二相磨粒流流道14的上方，利用超声波发生装置发射的超声波在上述二相磨粒流流道14内的磨粒流中产生空化效应，从而在超声波发生装置的发射端面处空话产生微尺寸气泡16；微尺寸气泡16在超声波产生的压力作用下离开发射端面向前运动，当微尺寸气泡16运动到上述发射端面正下方的工件15近壁面时，上述超声波的压缩作用能够使微尺寸气泡16产生溃灭，微尺寸气泡16溃灭时会产生一种微激波，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，并通过微观爆炸作用对微尺寸气泡16周围的磨粒17产生向下加速推动作用，进而大幅度提高二相磨粒流与工件15加工表面凸起峰的接触几率和作用力，由此大幅度提高二相磨粒流抛光加工的效率。

由抛光加工装置中的螺纹管2向二相磨粒流流道14内注入处于湍流状态的液固二相磨粒流，同时开启超声波发生装置，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，结合测量工件得出的加工效果，多次实验，使超声波达到最佳加速所述气液固二相磨粒流中的微尺寸气泡16溃灭速率的效果，优化实验方案，最后拟定实验加工工艺。

所述逆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，进而可以人为控制二相磨粒流流道14中的微尺寸气泡16的溃灭速率，提高微尺寸气泡16靠近工件加工表面处的溃灭几率。

所述超声波发生装置发射的超声波频率为20KHz，功率为1KW。

一种超声波空化气泡辅助流体抛光加工装置，包括超声波发生装置、平面圆形活塞式发射头4、固定法兰盘、二相磨粒流流道14、流道盖板13、密封连接盘和底座1，二相磨粒流流道14固定在底座1上，流道盖板13固定在二相磨粒流流道14上，二相磨粒流流道14的出口和入口处均设有螺纹管2，二相磨粒流流道14内设有安装带抛光工件15的凹槽；所述超声波发生装置与所述底座1垂直安装，二相磨粒流流道14位于超声波发生装置的正下方；所述超声波发生装置连接平面圆形活塞式发射头4，所述平面圆形活塞式发射头4通过密封连接盘连接流道盖板13，所述超声波发生装置通过平面圆形活塞式发射头4将超声波垂直发射进入二相磨粒流流道14中；所述超声波发生装置通过固定法兰盘固定在底座1上。所固定法兰盘通过夹具3固定在底座1上。所述密封连接盘和流道盖板13通过O型密封圈18密封连接。

所述超声波发生器包括变幅杆12、下压块11、压电陶瓷元件7、电极元件8、预紧力螺钉9和上压块10，下压块11和上压块10设在压电陶瓷元件7的两端并通过预紧力螺栓9进行固定，电极元件8连接压电陶瓷元件7，下压块11的一端通过变幅杆12连接平面圆形活塞式发射头4，固定法兰盘固定在变幅杆12上。

所述超声波换能器通过平面圆形活塞式发射头4发射出的超声波为频率为20KHz、功 率为1KW的弹性机械振动波。

二相磨粒流是由磨粒和水或轻质油按照一定比例均匀混合而成的抛光流体介质，其磨粒的最佳比例为15％，磨粒材料为碳化硅或氧化铝颗粒。

所述固定法兰盘包括母盘6和子盘5，子盘5和超声波换能器之间安装有塑料垫片19，母盘6和超声波换能器之间安装有橡胶减震垫圈18。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。