本發明涉及面約束磨粒流光整加工技術領域，更具體的說，尤其涉及一種基于結構空化效應的高效流體光整加工方法及裝置。

背景技術：

在電子信息、國防航空等領域，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。現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粒徑尺寸的不一致，因此，必然會導致磨粒受力不均，從而造成工件表面的亞表面損傷；而使用傳統磨粒流加工技術雖然可以有效避免工件表面的亞表面損傷及加工變質，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動磨粒在工件表面運動從而實現研磨拋光的面約束流體光整加工技術，并結合超聲波設計了一系列的相關設備；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注入氣泡，借助氣泡在流道內隨機潰滅的方式達到高效率的加工，該方法結構簡單，易于操作，但是可控性不強，不能有針對性的實現工件表面的光整加工；另一類方法主要是借助超聲波實現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磨粒流有針對性的加速，從而實現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生器，或周期性移動超聲波發生器以實現工件加工均勻性，這使得加工設備過于復雜，成本較高。因此，研發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工件表面加工均勻性的設備，是一件非常有實際意義的工作。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有氣泡潰滅驅動磨粒式加工設備過于復雜，難以實現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構空化效應的高效流體光整加工方法及裝置。

本發明通過以下技術方案來實現上述目的：一種基于結構空化效應的高效流體光整加工方法，將文丘里管空化效應引入到流體光整加工中，通過在加工工具上設置文丘里管結構，在加工工具和待加工工件之間形成的有效拋光區域內形成強烈的氣泡空化作用，利用氣泡空化作用驅動形成有效拋光區內的液固兩相磨粒流高速湍流渦旋，實現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池內調配好液固兩相磨粒流，并將調配好的液固兩相磨粒流注入載流體存儲箱中，利用氣泡發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域內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，磨粒流循環池內的部分液固兩相磨粒流經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，并經過載流體入口流體加工工具的文丘里管結構進入有效拋光區域內，通過文丘里管結構在有效拋光區域內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，文丘里管空化效應通過磨粒載流體流經文丘里管結構實現，通過向載流體存儲箱中注入氣體的效率調控文丘里管空化效應的強弱。

進一步的，文丘里管結構滿足固液氣三相磨粒流流經文丘里管結構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空化效應。

進一步的，所述運動模塊帶動加工工具以周期性自轉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做周期性自轉加工，在完成360度自轉后平移距離s，開始新一輪的自轉，完成360度自轉后再次平移距離s，循環此過程，直至加工完整個待加工工件的表面。

一種基于結構空化效應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、磨粒流循環池、磨粒流過濾器、載流體存儲箱、氣泡發生器、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動所述加工工具的周期性自轉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，上封蓋上設置有多個載流體入口，所述工具本體為圓盤形結構，工具本體的周向開設有多個磨粒流入口，所述工具本體內設置有文丘里管結構，所述文丘里管結構為設置在工具本體內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、出水槽和多個節流孔，所述入水槽設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，所述入水槽從內向外呈弧線形布置，所述出水槽與所述入水槽一一對應，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置在入水槽底部的多個節流孔連通；所述磨粒流加工池安裝在磨粒流循環池的正上方，所述工件加工池底部設置有磨粒流回流孔，磨粒流加工完成后經磨粒流回流孔流入磨粒流循環池內；所述磨粒流循環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置有用于將磨粒流循環池內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通入氣體的氣泡發生器。

進一步的，所述節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池之間的磨粒流管路上設置有第一溫度計、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數量為三個。

進一步的，所述節流孔均布在所述入水槽的底部。

與現有技術相比，本發明的有益效果在于：

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

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

3)本發明所采用的文丘里管空化單元沿著加工工具由內向外呈弧形布置，配合運動模塊驅動加工工件做周期性自轉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的均勻性，從而達到更好的面型精度。

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

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

附圖說明

圖1是本發明一種基于結構空化效應的高效流體光整加工的結構示意圖。

圖2是本發明加工裝置的剖視圖。

圖3是本發明加工裝置的結構示意圖。

圖4是本發明工具本體的主視圖。

圖5是本發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

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

如圖1～5所示，本發明所述的一種基于結構空化效應的高效流體光整加工方法，將文丘里管空化效應引入到流體光整加工中，通過在加工工具8上設置文丘里管結構，在加工工具8和待加工工件9之間形成的有效拋光區域內形成強烈的氣泡空化作用，利用氣泡空化作用驅動形成有效拋光區內的液固兩相磨粒流高速湍流渦旋，實現磨粒對待加工工件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池18內調配好液固兩相磨粒流，并將調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域內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，磨粒流循環池18內的部分液固兩相磨粒流經過磨粒流過濾器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，并經過載流體入口821流體加工工具8的文丘里管結構進入有效拋光區域內，通過文丘里管結構在有效拋光區域內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，根據待加工工件9的實際需要來設定液固兩相磨粒流中的磨粒比例。

在本發明中，文丘里管空化效應通過磨粒載流體流經文丘里管結構實現，通過向載流體存儲箱25中注入氣體的效率調控文丘里管空化效應的強弱，調節文丘里管空化效應強弱的目的在于適用于不同種類的待加工工件9的加工。

在本發明中，文丘里管結構滿足固液氣三相磨粒流流經文丘里管結構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。為了確保上述內容，文丘里管結構必須經過計算流體力學軟件驗證。

在本發明中，所述液固二相磨粒流為低粘度流體，容易實現空化效應。

在本發明中，所述運動模塊10帶動加工工具8以周期性自轉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做周期性自轉加工，在完成360度自轉后平移距離s，開始新一輪的自轉，完成360度自轉后再次平移距離s，循環此過程，直至加工完整個待加工工件9的表面。運動模塊10包括驅動加工工具8周期性自轉的轉動模塊和用于帶動整個轉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。

本發明所述的一種基于結構空化效應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、磨粒流循環池18、磨粒流過濾器22、載流體存儲箱25、氣泡發生器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并驅動所述加工工具8的周期性自轉以及沿待加工工件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上設置有多個載流體入口821，所述工具本體83為圓盤形結構，工具本體83的周向開設有多個磨粒流入口831，所述工具本體內設置有文丘里管結構，所述文丘里管結構為設置在工具本體83內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和多個節流孔833，所述入水槽832設置在所述工具本體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，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之間通過設置在入水槽832底部的多個節流孔833連通；所述磨粒流加工池安裝在磨粒流循環池18的正上方，所述工件加工池12底部設置有磨粒流回流孔，磨粒流加工完成后經磨粒流回流孔流入磨粒流循環池18內；所述磨粒流循環池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上設置有用于將磨粒流循環池18內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內通入氣體的氣泡發生器27。

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

所述磨粒流自吸泵16與磨粒流循環池18之間的磨粒流管路15上設置有第一溫度計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置有第三流量控制閥23。

作為本發明的最優選擇，所述載流體入口821、磨粒流入口831、文丘里管空化單元835的最優數量為三個。與之對應的，三個載流體入口821分別對應第一壓力表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載流體入口或磨粒流入口處的壓力。

上述實施例只是本發明的較佳實施例，并不是對本發明技術方案的限制，只要是不經過創造性勞動即可在上述實施例的基礎上實現的技術方案，均應視為落入本發明專利的權利保護范圍內。