CN110238706B

CN110238706B - 一种基于空化和介电泳的多相流抛光方法及抛光系统

Info

Publication number: CN110238706B
Application number: CN201910477046.5A
Authority: CN
Inventors: 赵军; 方海东; 彭浩然
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2019-06-03
Filing date: 2019-06-03
Publication date: 2020-09-11
Anticipated expiration: 2039-06-03
Also published as: CN110238706A

Abstract

本发明公开一种基于空化和介电泳的多相流抛光方法及抛光系统，该方法为将待抛光平面工件放置在一个静止的过流腔体内，使磨粒流发生空化后进入过流腔体，并在过流腔体内施加非均匀电场将磨粒极化，导致其受力不均匀而向工件表面发生移动聚集，经空化作用的磨粒流在非均匀电场作用下对待抛光工件的平面进行抛光，达到均匀抛光的效果。本发明的抛光方法抛光的工件表面均匀、表面粗糙度低、表面质量高、加工效率高。

Description

一种基于空化和介电泳的多相流抛光方法及抛光系统

技术领域

本发明属于超精密加工领域，具体涉及一种基于空化和介电泳的多相流抛光方法及抛光系统。

背景技术

传统的抛光工艺，如研磨，其工艺是在研磨盘上通过游离磨粒对工件表面进行抛光，但由于游离磨粒在研磨盘上的分布具有很大的不均匀性，容易导致研磨加工后工件表面各处的表面粗糙度不等，且易造成表面损伤，严重影响工件的性能。对分散性磨粒研磨方法的改进是将磨粒相对固定在研磨盘上，这种方法虽然能够使磨粒分布保持均匀，但由于研磨过程中磨粒距离回转中心的距离不同，不同位置的磨粒线速度不相等，导致靠近研磨盘边缘的磨粒磨损程度远大于靠近回转中心的磨粒，从而导致工件表面的抛光程度不同，使加工表面质量下降。随着对工件表面要求的不断提高，传统抛光方法已难以满足生产的需求。

随后有学者提出采用磨粒流方法进行加工。磨粒流抛光方法是一种新型加工方法，以流体作为磨粒的载体，通过磨粒相对工件表面的流动对工件表面进行抛光处理，与传统的抛光工艺相比具有许多优点。其抛光原理是利用充分搅拌的磨粒混合流体在加工工件表面形成湍流，并配上一定形状的约束块，使流体在流动过程中，对加工工件表面进行精密加工，达到所需的光滑要求。相比于传统加工方法，磨粒流加工方法具有以下特点:磨粒流不像其它直接工具接触式加工，在加工过程中，会对加工工件表面形成二次损伤；磨粒流具有流动性，能够适应各种复杂形状的加工表面；磨粒流被约束在一个特定的小空间内，循环往复地对工件表面进行加工，易于控制，更加安全可靠。

但在实际应用过程中，却发现这种磨粒流加工方法存在加工时间长，效率低，加工表面不均匀的特点。主要因为：

(1)工件的硬度高，在一定加工时间内，表面材料去除率低，难以满足超精密均匀化加工需求。

(2)磨粒流流经工件表面的过程中，因为摩擦的存在，能量不断减小。在平行于磨粒流流动方向上压力分布不均匀，磨粒附带的能量不断减小，对加工工件表面的剪切力大小分布不均匀，从而导致加工后工件表面不均匀，加工精度难以满足要求。

(3)加工的时间还较长，加工过程效率低，能耗过大，导致加工的成本不低。

综上所述，工件表面的超精密抛光仍是一个亟待解决的难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于空化和介电泳的多相流抛光方法及抛光系统，该抛光方法抛光的工件表面均匀、粗糙度低，抛光质量高。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种基于空化和介电泳的多相流抛光方法，其特征在于，将待抛光平面工件放置在一个静止的过流腔体内，使磨粒流发生空化后进入过流腔体，并在过流腔体内施加非均匀电场将磨粒极化，磨粒在非均匀电场作用下对待抛光工件的平面进行抛光，达到均匀抛光的效果；

所述的过流腔体底部为平面，顶面为斜面或曲面，使得流体作用在待抛光工件上的动压均匀；所述的磨粒流中磨粒流中的的磨粒为质量分数为10％以下的碳化硅磨粒，磨粒的粒径在200nm～50μm之间，磨粒流的压力为2MPa以下，温度为10～50摄氏度，所述的磨粒流的液相由去离子水、分散剂和切削液配置而成，三者比例为4:3:1,分散剂选用HT-4000系列分散剂，切削液选用RX-1系列润滑油；

所述磨粒流的空化数为0.02～0.4，所述磨粒流液相动力黏度为0.0014～0.0017kg/m·s；

所述的非均匀电场的电源频率在0～100Hz间断可调，电压在0～20000V连续可调。

进一步地，以磨粒流压力、磨粒直径、磨粒的浓度、磨粒流的空化数、磨粒流液相动力黏度、非均匀电场的电源频率和电压作为输入参数，以抛光后所得工件的表面粗糙度、均匀性程度作为输出参数，利用BP神经网络进行训练，建立多相流抛光模型，优化参数后进行抛光。

一种用于实现上述的抛光方法的抛光系统，其特征在于，该系统包括电气控制柜、冷却装置、电机、搅拌池、阀门、泵、流量计、压力计一、磨粒流箱体、介电泳装置、压力计二，所述的电气控制柜与所述的电机相连，所述的电机与所述的搅拌池中的搅拌器相连，所述的搅拌池位于所述的冷却装置内，所述的阀门连接所述的搅拌池，所述的阀门、泵、磨粒流箱体依次通过管道连接，所述的磨粒流箱体的出口连接到所述的搅拌池，形成磨粒流的封闭循环系统；所述的泵与所述的磨粒流箱体之间的管道上设置流量计、压力计一，所述的磨粒流箱体与所述的搅拌池之间设置压力计二，所述的介电泳装置设置于所述的磨粒流箱体的外部，形成非均匀电场。

进一步地，所述的磨粒流箱体具体结构如下：

其包括两个端盖、两个密封圈、入口导流块、约束模块、腔体、放置工件的底座、放置底座的滑槽、出口导流块、多孔板，所述的两个端盖分别位于所述的所述的箱体的两端，所述的多孔板固定在腔体的入口处，所述的入口导流块和出口导流块分别固定在两个端盖内，且位于所述的腔体的进出口处，所述的放置工件的底座固定在所述的滑槽内，所述的滑槽、底座和约束模块均放置于所述的腔体内，所述的底座和约束模块间形成磨粒流的流道。

进一步地，所述的约束模块的下表面为倾斜的平面，该表面的倾斜角度为0～10°。

进一步地，所述的磨粒流箱体的入口导流块的入口为圆孔，出口为方孔，中间通过光滑曲面连接；所述的出口导流块的入口为方孔，出口为圆孔，中间也通过光滑曲面连接；所述的出口导流块的入口高度小于所述的入口导流块的出口高度。

进一步地，所述的多孔板的孔径在0.5～2mm之间。

本发明的有益效果如下：

本发明通过采用空化和介电泳效应辅助，磨粒流的压力降低到饱和蒸汽压以下时，产生空化泡，形成固液气多相流，其中空化泡能增强湍流程度，增大磨粒的运动随机性，使工件表面附近的磨粒的动能提高，受到空化作用影响的磨粒流进入加工区域后，中性磨粒受外加非均匀电场的作用而发生诱导极化，导致其受力不均匀而发生移动，利用介电泳效应，磨粒向工件表面聚集，并能延长多相流在斜楔形加工流场内的驻留时间，增强磨粒对工件材料的去除能力，从而提高加工效率。

附图说明

图1是本发明的抛光系统的整体结构示意图；

图2是本发明的磨粒流箱体的结构示意图；

图3是本发明磨粒流箱体的爆炸视图；

图4是本发明磨粒流箱体的半剖视图；

图5是介电泳效应原理图；

图6是采用BP神经网络进行抛光参数优化的流程图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-5所示，作为其中一种实施例，为实现上述抛光方法的抛光系统，该系统包括电气控制柜1、冷却装置2、电机3、搅拌池4、阀门5、泵6、流量计7、压力计一8、磨粒流箱体9、介电泳装置10、压力计二11，电气控制柜1与电机3相连，电机3与搅拌池4中的搅拌器相连，搅拌池4位于冷却装置2内，阀门5连接搅拌池4，阀门5、泵6、磨粒流箱体9依次通过管道连接，磨粒流箱体9的出口连接到搅拌池4，形成磨粒流的封闭循环系统；泵6与磨粒流箱体9之间的管道上设置流量计7、压力计一8，磨粒流箱体9与搅拌池4之间设置压力计二11，介电泳装置10设置于磨粒流箱体9的外部，在加工流场内形成非均匀电场。

其中，磨粒流箱体9具体结构如下：

其包括两个端盖902、两个密封圈903、入口导流块904、约束模块905、腔体906、放置工件的底座907、放置底座的滑槽908、出口导流块909，两个端盖902分别位于箱体的两端，并通过螺栓901与腔体906固定，入口导流块904和出口导流块909分别固定在两个端盖902内，且位于腔体906的进出口处，放置工件的底座907固定在滑槽908内，滑槽908、底座907和约束模块905均放置于腔体906内，底座907和约束模块905间形成磨粒流的流道；

作为其中一种实施例，在磨粒流箱体9中设置多孔板910，将其固定在腔体906的入口处，优选地，多孔板的孔径在0.5～2毫米之间。

作为其中一种实施例，约束模块905为斜楔块，斜楔块的下表面为斜面，斜面的倾斜角度为0～10°；作为另外一种实施例，斜楔块的下表面为曲面，该曲面由曲线沿垂直磨粒流流动方向拉伸得到，所述曲线以对装置仿真得到的理论剪应力值为依据，保证磨粒流沿流动方向对加工表面的剪应力均匀，用分段插值的方法得到。

电气控制柜1供电给电机3，带动磨粒流搅拌器，安装在磨粒流循环管道上的流量计7 和压力计一8用来检测流道内的实时情况；介电泳装置10能够使加工流场内的磨粒产生介电泳效应。通过控制泵的输入功率，来控制多相流在流道内的流通情况。另外搅拌池4、泵6、磨粒流箱体9和管道等组成磨粒流循环系统可使磨粒流在封闭循环系统中流动，实现磨粒反复使用。冷却装置2用来保持整个装置内的磨粒流温度稳定，从而保证抛光效果。

本发明的方法由于多孔板的限流作用，形成多相流。在限流区流体流速增大，压力降低，当压力降低到当前温度对应的饱和蒸汽压以下时，会产生大量空化泡，随着流体周围压力迅速恢复，空化泡瞬间溃灭，产生水力空化现象。在空化泡闭合时产生冲击波，给斜楔形流场内流体和磨粒切削加工表面带去能量，增大了磨粒对加工表面的剪应力，增强了对加工表面的滑擦作用，从而提高抛光效果，达到降低加工表面粗糙度和均匀化加工的作用。另外，这种作用促进磨粒与流体均匀混合，能够有效控制磨粒在流体中的分布情况。

本发明的方法还利用介电泳效应同时提高多相流低压均匀化抛光的效果。在加工流场的上下两面设置非均匀的电场。中性磨粒受外加非均匀电场的作用而发生诱导极化，从而产生诱导偶极矩。磨粒受力不均匀，向工件表面方向移动。该方法能延长多相流在斜楔形加工流场内的驻留时间，改变磨粒在加工流场内的分布情况，增强磨粒对工件材料的去除能力，提高加工效率。

根据preston方程，

空化作用增大了磨粒在近壁区的相对运动速度v，介电泳效应增大了磨粒在近壁区的相对压力p和时间t，使得磨削去除量△z增大，进一步实现加工的高效率。

另外，为了保证较好的抛光效果，入口导流块904的入口为圆孔，出口为方孔，中间通过光滑曲面连接；出口导流块的入口为方孔，出口为圆孔，中间也通过光滑曲面连接；出口导流块909的入口高度小于入口导流块904的出口高度。多相流能够从横截面积较大的入口进入加工区域，在冲击加工表面后，从横截面积较小的出口流出。角度增大使出口横截面积的减小，多相流流速加快，动能增加，压力势能减小，压力较小，在流动方向的所有过流面形成较大压力差，有利于保持工件加工表面的剪应力均匀，以保证工件表面材料的均匀去除。而替换不同角度的约束模块又能够控制压力差，达到控制抛光效果的作用。

另外，本发明的方法属于低压抛光，低压抛光具有以下优点：(1)易于控制多相流的流动情况，能够更好地实现对加工表面的均匀化抛光；(2)对装置的强度要求低，对装置的密封要求低，更容易设计出实用的装置；(3)加工过程中更加安全可靠，且成本也相应较小。

优选地，以磨粒流压力、磨粒直径、磨粒的浓度、磨粒流的空化数、磨粒流液相动力黏度、非均匀电场的电源频率和电压作为输入参数，以抛光后所得工件的表面粗糙度、均匀性程度作为输出参数，利用BP神经网络进行训练，建立多相流抛光模型，优化参数后进行抛光，具体流程如图6所示。其中，工件抛光区域表面所需达到的表面粗糙度及其对应的变化率或变化值可按如下分布：100nm以上，15％；50～100nm，12％；20～50nm，15％；10～20nm，20％； 2～10nm，正负1nm；1～2nm，正负0.3nm；0.5～1nm，正负0.2nm，0.1～0.5nm，正负0.1nm，且单位面积材料最大去除深度变化率在10％以内。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于空化和介电泳的多相流抛光方法，其特征在于，将待抛光工件放置在一个静止的过流腔体内，使磨粒流发生空化后进入过流腔体，并在过流腔体内施加非均匀电场将磨粒极化，磨粒在非均匀电场作用下对待抛光工件的平面进行抛光，达到均匀抛光的效果；

所述的过流腔体底部为平面，顶面为斜面或曲面，使得流体作用在待抛光工件上的动压均匀；所述的磨粒流中的磨粒为质量分数为10%以下的碳化硅磨粒，磨粒的粒径在200nm～50μm之间，磨粒流的压力为2MPa以下，温度为10～50摄氏度，所述的磨粒流的液相由去离子水、分散剂和切削液配置而成，三者比例为4:3:1,分散剂选用HT-4000系列分散剂，切削液选用RX-1系列润滑油；

所述磨粒流的空化数为0.02～0.4，所述磨粒流液相动力黏度为0.0014～0.0017kg/m•s；

所述的非均匀电场的电源频率在0～100 Hz间断可调，电压在0～20000V连续可调。

2.根据权利要求1所述的抛光方法，其特征在于，以磨粒流压力、磨粒粒径、磨粒的浓度、磨粒流的空化数、磨粒流液相动力黏度、非均匀电场的电源频率和电压作为输入参数，以抛光后所得工件的表面粗糙度、均匀性程度作为输出参数，利用BP神经网络进行训练，建立多相流抛光模型，优化参数后进行抛光。

3.一种用于实现权利要求1所述的抛光方法的抛光系统，其特征在于，该系统包括电气控制柜（1）、冷却装置（2）、电机（3）、搅拌池（4）、阀门（5）、泵（6）、流量计（7）、压力计一（8）、磨粒流箱体（9）、介电泳装置（10）、压力计二（11），所述的电气控制柜（1）与所述的电机（3）相连，所述的电机（3）与所述的搅拌池（4）中的搅拌器相连，所述的搅拌池（4）位于所述的冷却装置（2）内，所述的阀门（5）连接所述的搅拌池（4），所述的阀门（5）、泵（6）、磨粒流箱体（10）依次通过管道连接，所述的磨粒流箱体（9）的出口连接到所述的搅拌池（4），形成磨粒流的封闭循环系统；所述的泵（6）与所述的磨粒流箱体（9）之间的管道上设置流量计（7）、压力计一（8），所述的磨粒流箱体（9）与所述的搅拌池（4）之间设置压力计二（11），所述的介电泳装置（10）设置于所述的磨粒流箱体（9）的外部，在加工流场内形成非均匀电场。

4.根据权利要求3所述的抛光系统，其特征在于，所述的磨粒流箱体（9）具体结构如下：

其包括两个端盖（902）、两个密封圈（903）、入口导流块（904）、约束模块（905）、腔体（906）、放置工件的底座（907）、放置底座的滑槽（908）、出口导流块（909）、多孔板（910），所述的两个端盖（902）分别位于所述的所述的箱体的两端，所述的多孔板（910）固定在腔体（906）的入口处，所述的入口导流块（904）和出口导流块（909）分别固定在两个端盖（902）内，且位于所述的腔体（906）的进出口处，所述的放置工件的底座（907）固定在所述的滑槽（908）内，所述的滑槽（908）、底座（907）和约束模块（905）均放置于所述的腔体（906）内，所述的底座（907）和约束模块（905）间形成磨粒流的流道。

5.根据权利要求4所述的抛光系统，其特征在于，所述的约束模块（905）的下表面为倾斜的平面，该表面的倾斜角度为0～10°。

6.根据权利要求4所述的抛光系统，其特征在于，所述的磨粒流箱体（9）的入口导流块（904）的入口为圆孔，出口为方孔，中间通过光滑曲面连接；所述的出口导流块的入口为方孔，出口为圆孔，中间也通过光滑曲面连接；所述的出口导流块（909）的入口高度小于所述的入口导流块（904）的出口高度。

7.根据权利要求4所述的抛光系统，其特征在于，所述的多孔板（910）的孔径在0.5～2mm之间。