本實(shí)用新型涉及超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說(shuō)，尤其涉及一種氣液固三相磨粒流循環(huán)加工方法及裝置。

背景技術(shù)：

氣液固三相磨粒流加工是指借助氣相進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)磨粒流加工的一種新方法，主要用于大面積脆硬材料超光滑表面的高效原子級(jí)材料去除，表面粗糙度達(dá)到Rq1nm以下，且光學(xué)紋波和表面損傷情況符合超光滑表面加工要求，并極大的提高了加工效率。磨粒流加工主要是指不依靠加工工具直接接觸工件表面，而是利用攜帶微細(xì)磨粒的磨粒流的高速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的加工，也將這一方法稱(chēng)為流體拋光。

從超光滑表面加工的特殊性要求來(lái)看，流體拋光使用柔性非常好的流體驅(qū)動(dòng)微細(xì)磨粒對(duì)工件表面加工，可以有效避免加工層變質(zhì)和亞表面損傷，是非常合理的超光滑表面加工方法。而氣液固三相磨粒流在原有二相磨粒流基礎(chǔ)上增加了超聲波氣泡發(fā)生裝置驅(qū)動(dòng)，采用具有多個(gè)磨粒流入口的拋光工具，可以形成高速湍流渦旋，極大的提高了磨粒流加工效率。

但是，現(xiàn)有三相磨粒流加工系統(tǒng)，存在以下缺點(diǎn)：

1、自動(dòng)化程度不夠高，不能定時(shí)定量的對(duì)工件加工，需要由加工人員自己監(jiān)控。

2、磨粒流回收使用效率低，加工過(guò)程中磨粒沉淀使得磨粒流加工效果變差。

3、加工面積小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)超光滑表面大面積高效的原子級(jí)材料去除。

4、加工對(duì)象單一，無(wú)法適應(yīng)多種工件。

5、流體相對(duì)工件表面的流速偏低、流動(dòng)方向單一。這時(shí)，由于流體流速不足以達(dá)到湍流狀態(tài)，一般處于層流狀態(tài)，磨粒流動(dòng)方向基本一致，只有與工件直接接觸的表層流體處的磨粒有機(jī)會(huì)與被加工表面接觸，因此真正發(fā)揮切削作用的磨粒只是流體中磨粒的極小部分，并僅從單一方向作用于凸起峰，加工效率自然不高。

6、流體相對(duì)工件表面的法向沖擊力力過(guò)大或作用力與工件表面的夾角不合理。這時(shí)，流體流速雖可以達(dá)到很高，但磨粒沖擊方向仍基本一致，沖擊流與工件直接接觸的面積小，若法向沖擊力力過(guò)小，則加工效率很低，法向沖擊力力過(guò)大或作用力與工件表面的夾角不合理則可能導(dǎo)致表面損傷和新的不光滑表面出現(xiàn)，因此很難把握加工品質(zhì)與加工效率的協(xié)調(diào)關(guān)系。

基于目前存在的一些問(wèn)題，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種氣液固三相磨粒流循環(huán)加工方法及裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的就在于為了解決上述問(wèn)題而提供一種氣液固三相磨粒流循環(huán)加工方法及裝置，采用在固液二相磨粒流中注入氣流形成氣液固三相磨粒流的高速湍流漩渦，大幅度增加磨粒流中的磨粒的運(yùn)動(dòng)速度，并能對(duì)固液二相磨粒流進(jìn)行循環(huán)利用，增加了加工質(zhì)量和加工效率。

本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的：一種氣液固三相磨粒流循環(huán)加工裝置，包括機(jī)架、加工池、真空夾具、三自由度夾具、拋光工具、真空泵、攪拌箱和水泵；所述加工池固定在機(jī)架上，所述加工池包括水罩和與水罩底部一體式成型的棱臺(tái)形漏斗，棱臺(tái)形漏斗底部設(shè)有出水口；所述真空夾具固定在加工池底部，真空夾具內(nèi)部設(shè)有空腔，真空夾具表面開(kāi)有與所述空腔相連通的多個(gè)通孔，真空夾具底部設(shè)有與所述空腔連通的真空泵接口，真空夾具底部的真空泵接口通過(guò)真空管道連接固定在機(jī)架上的真空泵；所述攪拌箱和水泵均固定在機(jī)架上，攪拌箱的側(cè)面上部開(kāi)有磨粒流進(jìn)料口，所述磨粒流進(jìn)料口通過(guò)回料管連接棱臺(tái)形漏斗底部的出水口，所述攪拌箱的下部沿圓周方向均布三個(gè)磨粒流出口；所述拋光工具通過(guò)三自由度夾具固定在所述真空夾具的上方，所述拋光工具的側(cè)面沿圓周方向均布三個(gè)磨粒流入口和兩個(gè)氣體入口，每個(gè)氣體入口處均設(shè)置有氣泡發(fā)生裝置，氣泡發(fā)生裝置通過(guò)管道連接固定在機(jī)架上的氣泵，攪拌箱下部的三個(gè)磨粒流出口與拋光工具上的三個(gè)磨粒流入口一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)磨粒流出口均通過(guò)磨粒流管道和設(shè)置在管道上的水泵將攪拌箱中的固液二相磨粒 流送入拋光工具中。

進(jìn)一步的，所述三自由度夾具包括X軸線(xiàn)性模組、驅(qū)動(dòng)X軸線(xiàn)性模組沿X軸方向自由運(yùn)動(dòng)的X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)、Y軸線(xiàn)性模組、驅(qū)動(dòng)Y軸線(xiàn)性模組沿Y軸方向自由運(yùn)動(dòng)的Y軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)、Z軸線(xiàn)性模組、驅(qū)動(dòng)Z軸線(xiàn)性模組沿Z軸方向自由運(yùn)動(dòng)的Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

進(jìn)一步的，所述攪拌箱頂部設(shè)有攪拌電機(jī)，攪拌電機(jī)通過(guò)穿過(guò)所述攪拌箱頂部的攪拌軸連接設(shè)置在攪拌箱內(nèi)部的攪拌葉片并驅(qū)動(dòng)所述攪拌葉片在所述攪拌箱內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。

利用上述一種氣液固三相磨粒流循環(huán)加工裝置進(jìn)行加工的方法包括如下步驟：

a、利用內(nèi)設(shè)空腔、上表面開(kāi)有若干與內(nèi)腔連通的通孔且底部設(shè)有真空泵接口的真空夾具固定加工工件，真空夾具底部的真空泵接口通過(guò)真空管道連接真空泵，真空泵運(yùn)行時(shí)將空腔內(nèi)抽真空從而實(shí)現(xiàn)加工工件的吸附夾緊；

b、利用三自由度夾具驅(qū)動(dòng)拋光工具沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，使拋光工具與加工工件表面形成大面積的高度為H1的微距間隙；

c、利用水泵將攪拌箱中的固液二相磨粒流抽出，并向拋光工具中注入固液二相磨粒流，再利用氣泡發(fā)生裝置沿多個(gè)方向的氣流注入孔向固液二相磨粒流中注入氣流，在拋光工具中形成含有微尺度氣泡的氣液固三相磨粒流的高速湍流漩渦；

d、利用三自由度夾具驅(qū)動(dòng)拋光工具在X軸和Y軸方向呈S型周期移動(dòng)，移動(dòng)的同時(shí)拋光工具中的氣液固三相磨粒流對(duì)加工工件進(jìn)行拋光加工；

e、利用水罩擋住因沖擊加工工件而飛散的氣液固三相磨粒流并通過(guò)漏斗將氣液固三相磨粒流收集，將收集后的氣液固三相磨粒流通入攪拌箱中攪拌，準(zhǔn)備下一輪的拋光加工。

所述拋光加工分為T(mén)1、T2和T3三個(gè)時(shí)間段，T1時(shí)間段內(nèi)拋光工具與加工工件表面高度為H1，經(jīng)過(guò)T1時(shí)間后將微距間隙高度調(diào)整為H2，進(jìn)行二次拋光加工；經(jīng)過(guò)T2時(shí)間后將微距間隙高度調(diào)整為H3，加工T3時(shí)間后完成整個(gè)加工過(guò)程。

所述的拋光加工包括氣液固三相磨粒流中的微尺度氣泡潰滅時(shí)對(duì)加工工件表面的切削作 用、拋光工具中形成含有微尺度氣泡的氣液固三相磨粒流的高速湍流漩渦對(duì)加工工件表面的沖擊作用和通過(guò)控制氣液固三相磨粒流中微尺度氣泡潰滅過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊力作用于氣液固三相磨粒流中的微細(xì)磨粒時(shí)加速微細(xì)磨粒對(duì)加工工件表面的切削作用。

本實(shí)用新型的有益效果在于：

1、本實(shí)用新型引入微尺度氣泡和高速氣流，利用氣泡潰滅和氣流驅(qū)動(dòng)流體加速大幅度提高磨粒產(chǎn)生加工作用的幾率、力度和作用方向的隨機(jī)性，有利于形成高效的原子級(jí)材料去除且表面紋理隨機(jī)性的鏡面效果。

2、本實(shí)用新型利用非接觸式的拋光工具在工件表面形成微距大面積縫隙，克服了現(xiàn)有流體拋光基本是采用小工具加工大面積的形式，可以對(duì)大面積平面或曲率變換緩和的大面積曲面進(jìn)行大面積加工，液固二相磨粒流在大面積加工時(shí)需要很大的流量才能形成湍流狀態(tài)，而氣液固三相磨粒流則不需要很大的流量的液流泵，依靠氣流驅(qū)動(dòng)即可形成湍流狀態(tài)，降低了對(duì)設(shè)備的成本要求并提高了加工效率。

3、本實(shí)用新型中大面積的微距縫隙對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)形成了約束，使得流體中運(yùn)動(dòng)的磨粒沿工件表面切向方面沖擊表面凸起峰的幾率大大超過(guò)沿法相方向撞擊凸起峰的幾率，因此對(duì)避免表面損傷層有很大好處。

4、本實(shí)用新型拋光工具本身無(wú)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，加工中無(wú)振動(dòng)，更有利于實(shí)現(xiàn)超光滑表面加工。

5、本實(shí)用新型中的固液二相磨粒流在加工池中循環(huán)流動(dòng)，極大節(jié)省了固液二相磨粒流的消耗，降低了加工成本。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型一種氣液固三相磨粒流循環(huán)加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1-機(jī)架、2-三自由度夾具、3-加工池、4-拋光工具、5-真空夾具、6-水罩、7-棱臺(tái)形漏斗、8-攪拌箱、9-攪拌電機(jī)、10-攪拌葉片、11-水泵、12-真空泵、13-氣泵。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1所示，一種氣液固三相磨粒流循環(huán)加工裝置，包括機(jī)架1、加工池3、真空夾具5、三自由度夾具2、拋光工具4、真空泵12、攪拌箱8和水泵11；所述加工池3固定在機(jī)架1上，所述加工池3包括水罩6和與水罩6底部一體式成型的棱臺(tái)形漏斗7，棱臺(tái)形漏斗7底部設(shè)有出水口；所述真空夾具5固定在加工池3底部，真空夾具5內(nèi)部設(shè)有空腔，真空夾具5表面開(kāi)有與所述空腔相連通的多個(gè)通孔，真空夾具5底部設(shè)有與所述空腔連通的真空泵接口，真空夾具5底部的真空泵接口通過(guò)真空管道連接固定在機(jī)架1上的真空泵12；所述攪拌箱8和水泵11均固定在機(jī)架1上，攪拌箱8的側(cè)面上部開(kāi)有磨粒流進(jìn)料口，所述磨粒流進(jìn)料口通過(guò)回料管連接棱臺(tái)形漏斗7底部的出水口，所述攪拌箱8的下部沿圓周方向均布三個(gè)磨粒流出口；所述拋光工具4通過(guò)三自由度夾具2固定在所述真空夾具5的上方，所述拋光工具4的側(cè)面沿圓周方向均布三個(gè)磨粒流入口和兩個(gè)氣體入口，每個(gè)氣體入口處均設(shè)置有氣泡發(fā)生裝置，氣泡發(fā)生裝置通過(guò)管道連接固定在機(jī)架1上的氣泵13，攪拌箱8下部的三個(gè)磨粒流出口與拋光工具4上的三個(gè)磨粒流入口一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)磨粒流出口均通過(guò)磨粒流管道和設(shè)置在管道上的水泵11將攪拌箱8中的固液二相磨粒流送入拋光工具4中。

所述三自由度夾具2包括X軸線(xiàn)性模組、驅(qū)動(dòng)X軸線(xiàn)性模組沿X軸方向自由運(yùn)動(dòng)的X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)、Y軸線(xiàn)性模組、驅(qū)動(dòng)Y軸線(xiàn)性模組沿Y軸方向自由運(yùn)動(dòng)的Y軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)、Z軸線(xiàn)性模組、驅(qū)動(dòng)Z軸線(xiàn)性模組沿Z軸方向自由運(yùn)動(dòng)的Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

所述攪拌箱8頂部設(shè)有攪拌電機(jī)9，攪拌電機(jī)9通過(guò)穿過(guò)所述攪拌箱8頂部的攪拌軸連接設(shè)置在攪拌箱8內(nèi)部的攪拌葉片10并驅(qū)動(dòng)所述攪拌葉片10在所述攪拌箱8內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。

在加工時(shí)，為了控制拋光工具的位置，需要制定如下幾個(gè)工藝參數(shù)：X軸線(xiàn)性模組、Y軸線(xiàn)性模組和Z軸線(xiàn)性模組的運(yùn)動(dòng)行程；以及X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)、Y軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)和Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。

為了實(shí)現(xiàn)加工循環(huán)并保持固液二相磨粒流的加工特性，需要制定如下幾個(gè)工藝參數(shù)：棱 臺(tái)形漏斗的出水口直徑、水泵的功率、攪拌箱的磨粒流進(jìn)料口直徑、攪拌箱的出口直徑和攪拌電機(jī)的功率。

為了能夠適應(yīng)多種加工工件的拋光加工，需要制定如下幾個(gè)參數(shù)：真空夾具表面開(kāi)設(shè)的通孔數(shù)量及通孔直徑、真空夾具底部的抽真空接口的直徑和真空泵的功率。

針對(duì)特定的加工對(duì)象，需要制定相應(yīng)的加工方案，主要需要制定如下幾個(gè)加工參數(shù)：三道拋光工序中拋光工具與真空間距之間的微距間隙高度H1、H2和H3、三道拋光工序的加工時(shí)間T1、T2和T3,；以及拋光工具S型周期循環(huán)移動(dòng)路線(xiàn)和循環(huán)周期T。

利用該裝置進(jìn)行的一種氣液固三相磨粒流循環(huán)加工方法，包括如下步驟：

a、利用內(nèi)設(shè)空腔、上表面開(kāi)有若干與內(nèi)腔連通的通孔且底部設(shè)有真空泵接口的真空夾具5固定加工工件，真空夾具5底部的真空泵接口通過(guò)真空管道連接真空泵12，真空泵12運(yùn)行時(shí)將空腔內(nèi)抽真空從而實(shí)現(xiàn)加工工件的吸附夾緊；

b、利用三自由度夾具2驅(qū)動(dòng)拋光工具4沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，使拋光工具4與加工工件表面形成大面積的高度為H1的微距間隙；

c、利用水泵11將攪拌箱8中的固液二相磨粒流抽出，并向拋光工具4中注入固液二相磨粒流，再利用氣泡發(fā)生裝置沿多個(gè)方向的氣流注入孔向固液二相磨粒流中注入氣流，在拋光工具4中形成含有微尺度氣泡的氣液固三相磨粒流的高速湍流漩渦；

d、利用三自由度夾具2驅(qū)動(dòng)拋光工具4在X軸和Y軸方向呈S型周期移動(dòng)，移動(dòng)的同時(shí)拋光工具4中的氣液固三相磨粒流對(duì)加工工件進(jìn)行拋光加工；

e、利用水罩6擋住因沖擊加工工件而飛散的氣液固三相磨粒流并通過(guò)漏斗將氣液固三相磨粒流收集，將收集后的氣液固三相磨粒流通入攪拌箱8中攪拌，準(zhǔn)備下一輪的拋光加工。

所述拋光加工分為T(mén)1、T2和T3三個(gè)時(shí)間段，T1時(shí)間段內(nèi)拋光工具4與加工工件表面高度為H1，經(jīng)過(guò)T1時(shí)間后將微距間隙高度調(diào)整為H2，進(jìn)行二次拋光加工；經(jīng)過(guò)T2時(shí)間后將微距間隙高度調(diào)整為H3，加工T3時(shí)間后完成整個(gè)加工過(guò)程。

所述的拋光加工包括氣液固三相磨粒流中的微尺度氣泡潰滅時(shí)對(duì)加工工件表面的切削作用、拋光工具4中形成含有微尺度氣泡的氣液固三相磨粒流的高速湍流漩渦對(duì)加工工件表面的沖擊作用和通過(guò)控制氣液固三相磨粒流中微尺度氣泡潰滅過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊力作用于氣液固三相磨粒流中的微細(xì)磨粒時(shí)加速微細(xì)磨粒對(duì)加工工件表面的切削作用。

上述實(shí)施例只是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并不是對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案的限制，只要是不經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性勞動(dòng)即可在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，均應(yīng)視為落入本實(shí)用新型專(zhuān)利的權(quán)利保護(hù)范圍內(nèi)。