CN110877294B - 高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置与方法，包括罐体、搅拌系统、三相增强高速液流发生装置、结构空化单元、射流系统以及工件夹持装置。通过搅拌系统，使罐体内的固液两相流体形成固液两相湍流再输运至微纳米气泡发生器；通过微纳米气泡发生器的气流入口向环形密封腔内注入高压气体，形成高负压微纳米气泡；与高速通过的固液两相流体混合，形成含有高负压微纳米气泡的气液固三相均匀混合的高速流体；然后进入结构空化单元使对微纳米气泡进一步压缩；最后通过射流系统被喷射到工件表面。本发明能够稳定供给含量、压力可控的微纳米气泡，实现稳定、高效、低成本地进行空化抛光，抛光效率可提高30％‑90％。

Description

高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置和方法
技术领域
本发明属于磨粒流抛光领域，更具体的涉及一种高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置和方法。
背景技术
气液固三相磨粒流抛光技术是在固液两相流体中引入微尺寸气体，借助微纳米气泡溃灭时产生的瞬时高速微射流来增强抛光效果的技术，其中微纳米气泡负压越大，溃灭时的空化效应越强，抛光效果越好。如何在固液体系中稳定、高效地产生高负压的微纳米气泡是保证气液固三相磨粒流抛光效果的关键因素。
现有在固液两相体系中引入微纳米气泡的方法总体可分为三类：第一类是气流直接注入法，如中国专利CN201510056821.1中提出通过多个气流注入孔道直接在固液流体中注入气泡，借助气泡随机溃灭来提高加工效率，该方法简单易操作，但是气泡可控性不强，实际加工效果差。然后，在中国专利CN201710976740.2提出将气流入口改为0.1mm-0.2mm的微孔道，提高了气体的可控性，但是其产生的气泡仍然尺寸较大，负压较低，空化溃灭能量低，加工效果改善有限。第二类是在指定位置引入空化泡发生装置，如中国专利CN201510056123.1、CN201610914661.4分别利用超声波和文丘里管产生具有一定负压的空化泡，可以实现空化泡在指定位置的溃灭，实现针对性的磨粒流加速，从而有效控制工件特殊位置加工效果的强弱。但是这种方法在面对大尺寸工件时就需要布置多个装置，或者需要通过单个装置的规律移动来保证工件加工均匀性，这会大大增加设备复杂程度，而且超声波价格昂贵。第三类方法是通过气液混合泵引入微气泡，利用其高速旋转(＞2800rpm)的金属叶轮抽取流体并形成局部负压，实现微量气体自吸入、被粉碎和压缩，所形成的微纳米气泡负压较高，空化效果好，溶气量可以达到8％-10％。但是高速旋转会造成叶轮极快磨损，当抽取含10％-20％碳化硅磨粒流体时，寿命甚至仅数小时，不符合实际生产需求。
针对现有的缺陷，目前通过利用无磨粒流体气液混合生成微纳米气泡，但这将改变系统固液比例，造成加工效果不稳定；另一种是将固液两相流体经过固液分离后的流体再用于气液混合，这将大大增加设备复杂程度和设备成本，降低运行稳定性。
发明内容
本发明目的在于提供一种能够稳定供给含量、压力可控的微纳米气泡，并且能稳定、高效、低成本地进行空化抛光的装置和方法。
为达成上述目的，本发明提出一种高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置，包括：
高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置，其特征在于，包括罐体、搅拌系统、三相增强高速液流发生装置、结构空化单元、射流系统以及工件夹持装置，其中：
所述罐体具有一内腔，定义了对工件进行磨粒流抛光的工作区域，在所述工作区域配置有固液混合的两相流体，所述罐体的底部设置有一连通内腔的排液口；
所述搅拌系统，设置在所述内腔的底部位置，用于对两相流体的搅动形成湍流混合；
所述三相增强高速液流发生装置，连接至所述排液口，被设置成通过一输送泵将罐体内腔中固液混合的两相流体输送至微纳米气泡发生器，在所述微纳米气泡发生器中通过纳米陶瓷膜微孔结构形成的微纳米气泡与高速通过的两相流体快速混合，形成含有高负压微纳米气泡的气液固三相均匀混合的高速流体；
所述结构空化单元，设置在三相增强高速液流发生装置的流体输出端，对经过的流体进行空化强化控制；
射流系统，与所述结构空化单元连接，将空化强化后的高速流体喷射到安装在内腔中、通过工件夹持装置夹持的工件上。
进一步地，所述搅拌系统包括由外部驱动的转动轴以及设置在转动轴上的叶片，通过叶片搅动实现湍流形成。
进一步地，所述三相增强高速液流发生装置包括与排液口连通的所述输送泵和与输送泵连通的所述微纳米气泡发生器，所述微纳米气泡发生器为纳米陶瓷膜型微纳米气泡发生器。
进一步地，所述微纳米气泡发生器包括环形的外部密封壳体和纳米陶瓷膜，密封壳体和陶瓷膜之间形成环形密封腔，所述密封壳体上设有气流入口，高压气体经由气流入口进入并充满环形密封腔内；环形的纳米陶瓷膜的内部形成中空孔道，中空孔道两端与流体输送管路连接，供流体通过。
进一步地，所述纳米陶瓷膜由多层密集排布的纳米微孔构成，微孔孔径10nm～1000nm。
进一步地，所述纳米陶瓷膜形成的中空孔道为单孔道或多孔道的组合。
进一步地，所述结构空化单元构造为流体通道控制组件，被设置成用于控制流道截面积为纳米陶瓷膜形成的中空孔道截面积的30％-70％。
进一步地，所述装置还包括工件运动驱动机构，连接到所述工件夹持装置，用于驱动工件在罐体内腔中的多姿态运动。
根据本发明公开的实施例，还提出一种高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光方法，包括：
步骤1：通过搅拌系统，使罐体内的固液两相流体形成固液两相湍流，并利用输送泵将混合均匀的两相流体输运至微纳米气泡发生器，进入纳米陶瓷膜构成的中空孔道；
步骤2：通过微纳米气泡发生器的气流入口向环形密封腔内注入高压气体，当密封腔内的气体压力与纳米陶瓷膜中空孔道内流体高速运动造成的负压之和超过孔道内流体的压力时，使密封腔内的高压气体将在压力差的驱动下进入纳米陶瓷膜外壁密布的纳米微孔中，形成与纳米陶瓷膜微孔结构和尺寸相适应的尺寸小、但负压大的微纳米气泡；微纳米气泡被挤入纳米陶瓷膜中空孔道中，与中空孔道内高速通过的固液两相流体混合，形成含有高负压微纳米气泡的气液固三相均匀混合的高速流体；
步骤3：微纳米气泡发生器输送的含高负压微纳米气泡的气液固三相流体喷射前先进入结构空化单元，调节结构空化单元控制流道截面积为陶瓷膜中空孔道截面积的30％-70％，使对微纳米气泡进一步压缩，进行结构空化强化；
步骤4：经过微气泡发生器和结构空化单元的双重作用产生的微纳米气泡，通过射流系统被喷射到工件表面。
进一步地，在步骤1中，输送泵压力调整为0.3MPa～15MPa，流量0.5m3/h-10m3/h；
在步骤2中，高压气体输入过程中，调节气体压力为0.01MPa～0.5MPa，气体流量为输送泵流体流量的5％～30％。
有以上本发明的技术方案，本发明的高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置和方法，其显著的有益效果在于：
1)不同于现有的固液体系中气体注入的单点或多点注入方式，本发明通过纳米陶瓷膜外部的环形密封腔实现了中心孔道包裹式气体注入，溶气量大且稳定，产生微纳米气泡的效率高，气泡在流体中分布均匀性更好；同时，本发明气体融入流体前还经过纳米陶瓷膜中密布的错综复杂的纳米微孔的层层碰撞、分割、挤压和压缩，所获得的微纳米气泡尺寸更小、负压更大，溃灭能量高，空化增强效果好；
2)本发明微纳米气泡发生器产生的高负压微纳米气泡，喷射前又经过结构空化单元强化，负压更高，空化效应更强，抛光效率更高，使得本发明即使不依赖高压设备和高压射流条件也可以达到良好的抛光效果；
3)本发明微纳米气泡含量、尺寸、压力均可调，空化效果可控性强，这是传统的微气泡的发生方法中都不能实现的，射流流量、速度、距离、角度等加工参数方便可调，工艺可控性更强；
4)本发明微气泡发生器的核心部件为高强度陶瓷膜，耐腐蚀，耐磨擦，寿命长，稳定性好；
5)本发明无昂贵组件及耗材需求，设备结构简单，运行稳定，且本发明磨粒流循环利用，加工成本低；
6)本发明的空化抛光利用物理磨削机理，材料适用范围广，包括钢材、钛合金、高温合金、金属间化合物、陶瓷等。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置的结果示意图。
图2是微纳米气泡发生器的正面剖面图。
图3是微纳米气泡发生器的侧面剖面图。
图中，1.罐体，2.输送泵，3.微纳米气泡发生器，4.射流系统，5.工件，8.结构空化单元，9.控制系统，31.中空孔道，32.纳米陶瓷膜，33.环形密封腔，34.气流入口，35.壳体。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是应为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1-3所示，一种高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置，包括：高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置，其特征在于，包括罐体1、搅拌系统9、三相增强高速液流发生装置、结构空化单元8、射流系统4以及工件夹持装置。
工件运动平台包括工件夹持装置61和工件运动驱动机构62，工件夹持装置61用于在罐体内对工件的夹持，可以采用现有的夹持固定机构实现。
工件运动驱动机构62，例如电机驱动机构，通过连杆机构与下方的工件夹持装置61连接，通过工件运动驱动机构62的运动，带动工件在罐体内腔中的多姿态运动，例如水平方向的前后、左右移动，上下运动，以及旋转运动。
图1中示例性地表示了在罐体的顶部设置的轨道，使得机驱动机构带动工件水平横移。同时，可以理解，在本发明的教导下，本领域人员可以根据现有技术的设计来得到前后、左右移动，上下运动，以及旋转运动的驱动方式，或者采用现有技术中的多姿态运动机构。
结合图1，罐体1具有一内腔，定义了对工件5进行磨粒流抛光的工作区域。在工作区域配置有固液混合的两相流体，例如粘度1cP～20cP的低粘度固液两相流体，尤其是如下述实施例中的纯水、240#SiC(体积分数为8％)、60#SiC(体积分数为6％)及少量悬浮剂组成的粘度2cP的固液两相流体。应当理解，这些两相流体的成分、粘度的参数仅仅是示例。
如图1，罐体1的底部设置有一连通内腔的排液口11。
搅拌系统，设置在内腔的底部位置，用于对两相流体的搅动形成湍流混合。如图1所示，搅拌系统包括由外部驱动的转动轴71以及设置在转动轴上的叶片72，通过叶片搅动实现湍流形成。转动轴71，例如可由罐体外部设置的电机73进行旋转驱动。
三相增强高速液流发生装置，连接至排液口11，被设置成通过一输送泵2将罐体内腔中固液混合的两相流体输送至微纳米气泡发生器3，在微纳米气泡发生器3中通过纳米陶瓷膜微孔结构形成的微纳米气泡与高速通过的两相流体快速混合，形成含有高负压微纳米气泡的气液固三相均匀混合的高速流体。
结构空化单元8，设置在三相增强高速液流发生装置的流体输出端，对经过的流体进行空化强化控制，进一步调控微纳米气泡的含量和压力。
射流系统4，与结构空化单元连接，将空化强化后的高速流体喷射到安装在内腔中、通过工件夹持装置夹持的工件上。射流系统4尤其可包括射流喷嘴，例如金属或者陶瓷的喷嘴，将空化后的液流向工件喷射，进行抛光处理。
优选的例子中，前述的三相增强高速液流发生装置包括与排液口11连通的输送泵2和与输送泵连通的所述微纳米气泡发生器3，本发明的前述以及下面的实施例所使用的微纳米气泡发生器为纳米陶瓷膜型微纳米气泡发生器。
结合图2、3所示，微纳米气泡发生器包括环形的外部密封壳体35和纳米陶瓷膜32，密封壳体和陶瓷膜之间形成环形密封腔33，所述密封壳体上设有气流入口34，高压气体经由气流入口进入并充满环形密封腔内；环形的纳米陶瓷膜的内部形成中空孔道31，中空孔道两端与流体输送管路连接，供流体通过。
纳米陶瓷膜优选地由多层密集排布的纳米微孔构成，微孔孔径10nm～1000nm，硬度不低于磨粒硬度，强度高，耐腐蚀。纳米陶瓷膜可包括氧化铝、碳化硅、碳化硼、氧化硅等材质的纳米陶瓷膜。
纳米陶瓷膜中空孔道可以是单孔道或多孔道组合，孔道形状和尺寸可调，当量直径5mm～50mm，长度根据工况需求调整。
结合图1所示，工件安装在运动平台上，并由控制系统9控制做上下、左右、前后平移或旋转，通过工件和喷嘴相对位置移动实现射流距离及角度调节。搅拌系统7设置在工作罐体底部中心位置，输送泵2位于工作罐体底部排水口后，并通过管道进行连接。通过输送泵把罐体内混合均匀的固液两相流体输送至微纳米气泡发生器。优选地，输送泵选择低压、低转速耐磨泵，如泥浆泵等。射流系统4固定在工作罐体侧壁上，对外一侧连接微纳米气泡发生器3，对内朝向工件通过喷嘴进行喷射，尤其优选的是，喷嘴方向可调节。
结合图1以及以上描述的，在喷嘴前优选地设置结构空化单元，结构空化单元可以构造成流体通道控制装置，实现流道窄化，例如耐磨阀门、多级变径管道组等低值组件。为减少传输过程中湍流造成的微气泡湮灭，微纳米气泡发生器出口至射流喷嘴的距离应尽量短，且避免管路弯折。
图1中，标号9表示控制系统，例如在实际中可以制作成控制箱的形式，将对搅拌系统、输送泵和运动姿态控制以及电源的部分进行集成，通过其控制面板上按键/按钮进行操作和控制。
在具体实现过程中，为了增强空化作用，结构空化单元被设置成用于控制流道截面积为纳米陶瓷膜形成的中空孔道截面积的30％-70％，以实现对微纳米气泡的含量和压力调节控制。在高负压微纳米气泡的基础上，进行二次空化，增强负压，空化效应更强，抛光效率更高，因此相对现有技术来说，本发明无需依赖高压设备和高压射流条件也可以达到良好的抛光效果。
结合以上图示的抛光装置，其工作过程，即高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光方法，包括以下步骤：
步骤1：通过搅拌系统，使罐体内的固液两相流体形成固液两相湍流，并利用输送泵将混合均匀的两相流体输运至微纳米气泡发生器，进入纳米陶瓷膜构成的中空孔道；
步骤2：通过微纳米气泡发生器的气流入口向环形密封腔内注入高压气体，当密封腔内的气体压力与纳米陶瓷膜中空孔道内流体高速运动造成的负压之和超过孔道内流体的压力时，使密封腔内的高压气体将在压力差的驱动下进入纳米陶瓷膜外壁密布的纳米微孔中，形成与纳米陶瓷膜微孔结构和尺寸相适应的尺寸小、但负压大的微纳米气泡；微纳米气泡被挤入纳米陶瓷膜中空孔道中，与中空孔道内高速通过的固液两相流体混合，形成含有高负压微纳米气泡的气液固三相均匀混合的高速流体；
步骤3：微纳米气泡发生器输送的含高负压微纳米气泡的气液固三相流体喷射前先进入结构空化单元，调节结构空化单元控制流道截面积为陶瓷膜中空孔道截面积的30％-70％，使对微纳米气泡进一步压缩，进行结构空化强化；
步骤4：经过微气泡发生器和结构空化单元的双重作用产生的微纳米气泡，通过射流系统被喷射到工件表面。
下面结合图1、2所示的示例，对前述的工作原理进行示例性的说明。
步骤1：固液两相湍流的形成，包括：启动工作罐体1底部的搅拌系统7，使其中配置好的固液两相流体形成湍流涡旋并混合均匀，利用输送泵2将混合均匀的两相流体输运至微纳米气泡发生器3，进入纳米陶瓷膜的中空孔道31，可选地，输送泵2压力0.3MPa～15MPa，流量0.5m3/h-10m3/h；通过输送泵流量、压力及可以实现射流流量、压力调节；
步骤2：高负压微纳米气泡的生成，包括：打开微纳米气泡发生器的气流入口34向密封腔33内注入高压气体(可选地，调节气体压力为0.01MPa～0.5MPa、流量为输送泵(2)流量的5％～30％)；当密封腔33内的气体压力与纳米陶瓷膜中空孔道31内流体高速运动造成的负压之和超过孔道内流体的压力时，密封腔内的高压气体将在压力差的驱动下进入纳米陶瓷膜外壁密布的层层纳米微孔32中，被其中错综复杂的纳米微孔不断地碰撞、分割、挤压和压缩，逐渐形成与纳米陶瓷膜微孔结构和尺寸相适应的尺寸小、但负压大的微纳米气泡。这些微纳米气泡随后又被挤入纳米陶瓷膜中空孔道31，并被中空孔道内正在高速通过的固液两相流体快速捕捉和传输，从而形成含有大量高负压微纳米气泡的气液固三相均匀混合的高速流体。通过气液流量比、压力差、纳米陶瓷膜结构及其与流体接触的界面积大小可以调控微纳米气泡含量、尺寸和压力；
步骤3：高负压微纳米气泡的结构空化强化，包括：微纳米气泡发生器3输送的含高负压微纳米气泡的气液固三相流体喷射前先进入结构空化单元8，调节结构空化单元控制流道截面积为陶瓷膜中空孔道截面积的30％-70％，造成流体憋压，使其内部气泡会被进一步压缩，出现二次裂变生长现象，引起结构空化强化效应；
步骤4：高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光，包括：经过微气泡发生器和结构空化单元的双重作用产生的微纳米气泡，通过射流系统4的喷嘴被喷射到工件5的表面。由于其内部负压极高，溃灭过程中会释放出更高的能量，空化增强效果更显著，抛光效率更高，使得本发明无需依赖高压设备和高压射流条件也可以达到良好的抛光效果。
例如，通过本发明可达到喷射距离10mm～100mm、喷射角度30°～90°。
在射流后，流体可收集至工作罐中，经搅拌系统混合均匀后循环使用。
【实施例一】
加工工件为高60mm、直径60mm、原始粗糙度2μm的高温合金圆棒。
步骤1：固液两相湍流的形成，包括：在工作罐(1)中配置好纯水、240#SiC(体积分数为8％)、60#SiC(体积分数为6％)及少量悬浮剂组成的粘度2cP的固液两相流体，启动工作罐体(1)底部的搅拌系统(7)，使流体形成湍流涡旋并混合均匀，利用压力1MPa、流量1.2m3/h的泥沙泵将混合均匀的两相流体输运至微纳米气泡发生器(3)，进入纳米陶瓷膜的中空孔道(31)；
步骤2：高负压微纳米气泡的生成，包括：打开微纳米气泡发生器(3)壳体(35)的气流入口(34)向密封腔(33)内注入高压气体，调节气体压力为0.12MPa、流量为0.15m3/h。微纳米气泡发生器中的纳米陶瓷膜(32)为长度200mm、外径
Figure BDA0002307280960000081
微孔孔径200nm～600nm的氧化铝陶瓷膜，中部预留的
Figure BDA0002307280960000082
中空孔道(31)。工作过程中，当密封腔(33)内的气体压力与纳米陶瓷膜中空孔道(31)内流体高速运动造成的负压之和超过孔道内流体的压力时，密封腔内的高压气体将在压力差的驱动下进入纳米陶瓷膜(32)外壁密布的层层纳米微孔中，被其中错综复杂的纳米微孔不断地碰撞、分割、挤压和压缩，逐渐形成与纳米陶瓷膜微孔结构和尺寸相适应的尺寸小、但负压大的微纳米气泡。这些微纳米气泡随后又被挤入纳米陶瓷膜中空孔道(31)中，并被中空孔道内正在高速通过的固液两相流体快速捕捉和传输，从而形成含有大量高负压微纳米气泡的气液固三相均匀混合的高速流体；
步骤3：高负压微纳米气泡的结构空化强化，包括：微纳米气泡发生器(3)输送的含高负压微纳米气泡的气液固三相流体喷射前先进入结构空化单元(8)，调节结构空化单元控制流道截面为
Figure BDA0002307280960000083
圆孔，流道截面积缩为陶瓷膜中空孔道截面积的45％，造成流体憋压，使其内部气泡会被进一步压缩，引起结构空化强化效应；
步骤4：高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光，包括：经过微气泡发生器和结构空化单元的双重作用产生的微纳米气泡，通过射流系统(4)的喷嘴被喷射到工件(5)表面，射流后流体收集至工作罐中，经搅拌系统混合均匀后循环使用。通过控制系统(9)控制工件(5)以200rpm速度旋转并保持喷射距离20mm、喷射角度80°～90°。
测试装置的使用寿命、气液固三相流体中的溶气量及1H加工后工件表面粗糙度，结果如下：
类别 溶气量 装置寿命/H 加工1H后Ra/μm
本实施例 12.5％ 79 0.512
气液混合泵 10％ 4 0.893
【实施例二】
加工工件为高60mm、直径60mm、原始粗糙度4μm的TC4钛合金圆棒。
步骤1：固液两相湍流的形成，包括：在工作罐(1)中配置好纯水和60#SiC(体积分数为10％)组成的粘度1.2cP的固液两相流体，启动工作罐体(1)底部的搅拌系统(7)，使流体形成湍流涡旋并混合均匀，利用压力1MPa、流量1.8m3/h的泥沙泵将混合均匀的两相流体输运至微纳米气泡发生器(3)，进入纳米陶瓷膜的中空孔道(31)；
步骤2：高负压微纳米气泡的生成，包括：打开微纳米气泡发生器(3)壳体(35)的气流入口(34)向密封腔(33)内注入高压气体，调节气体压力为0.15MPa、流量为0.33m3/h。微纳米气泡发生器中的纳米陶瓷膜(32)为长度350mm、外径
Figure BDA0002307280960000091
微孔孔径100nm～500nm的氧化铝陶瓷膜，中部预留的
Figure BDA0002307280960000092
中空孔道(31)。与实施例一不同，本实施例中在中空孔道的流体入口端设置过渡喇叭口，以缓冲流体对陶瓷膜的冲蚀，提高装置寿命。工作过程中，当密封腔(33)内的气体压力与纳米陶瓷膜中空孔道(31)内流体高速运动造成的负压之和超过孔道内流体的压力时，密封腔内的高压气体将在压力差的驱动下进入纳米陶瓷膜(32)外壁密布的层层纳米微孔中，被其中错综复杂的纳米微孔不断地碰撞、分割、挤压和压缩，逐渐形成与纳米陶瓷膜微孔结构和尺寸相适应的尺寸小、但负压大的微纳米气泡。这些微纳米气泡随后又被挤入纳米陶瓷膜中空孔道(31)中，并被中空孔道内正在高速通过的固液两相流体快速捕捉和传输，从而形成含有大量高负压微纳米气泡的气液固三相均匀混合的高速流体；
步骤3：高负压微纳米气泡的结构空化强化，包括：微纳米气泡发生器(3)输送的含高负压微纳米气泡的气液固三相流体喷射前先进入结构空化单元(8)，调节结构空化单元控制流道截面为
Figure BDA0002307280960000093
圆孔，流道截面积为陶瓷膜中空孔道截面积64％，这会造成流体憋压，使其内部气泡会被进一步压缩，引起结构空化强化效应；
步骤4：高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光，包括：经过微气泡发生器和结构空化单元的双重作用产生的微纳米气泡，通过射流系统(4)的喷嘴被喷射到工件(5)表面，射流后流体收集至工作罐中，经搅拌系统混合均匀后循环使用。通过控制系统(9)控制工件(5)以10rpm速度旋转并保持喷射距离20mm、喷射角度80°～90°。测试装置的使用寿命、气液固三相流体中的溶气量及1H加工后工件表面粗糙度，结果如下：
类别 溶气量 装置寿命/H 加工1H后Ra/μm
本实施例 18.3％ 92 0.602
气液混合泵 10％ 5 2.119
【实施例三】
加工工件为长*宽＝200mm*200mm、原始粗糙度9μm的大尺寸不锈钢板。
步骤1：固液两相湍流的形成，包括：在工作罐(1)中配置好纯水、24#SiC(体积分数为18％)及少量悬浮剂组成的粘度4cP的固液两相流体，启动工作罐体(1)底部的搅拌系统(7)，使流体形成湍流涡旋并混合均匀，利用压力3MPa、流量3m3/h的泥沙泵将混合均匀的两相流体输运至微纳米气泡发生器(3)，进入纳米陶瓷膜的中空孔道(31)；
步骤2：高负压微纳米气泡的生成，包括：打开微纳米气泡发生器(3)壳体(35)的气流入口(34)向密封腔(33)内注入高压气体，调节气体压力为0.3MPa、流量为0.4m3/h。微纳米气泡发生器中的纳米陶瓷膜(32)为长度200mm、外径
Figure BDA0002307280960000101
微孔孔径400nm～900nm的氧化铝陶瓷膜，中部预留的
Figure BDA0002307280960000102
中空孔道(31)。与实施例二类似，本实施例中在中空孔道的流体入口端设置过渡喇叭口，以缓冲流体对陶瓷膜的冲蚀。工作过程中，当密封腔(33)内的气体压力与纳米陶瓷膜中空孔道(31)内流体高速运动造成的负压之和超过孔道内流体的压力时，密封腔内的高压气体将在压力差的驱动下进入纳米陶瓷膜(32)外壁密布的层层纳米微孔中，被其中错综复杂的纳米微孔不断地碰撞、分割、挤压和压缩，逐渐形成与纳米陶瓷膜微孔结构和尺寸相适应的尺寸小、但负压大的微纳米气泡。这些微纳米气泡随后又被挤入纳米陶瓷膜中空孔道(31)中，并被中空孔道内正在高速通过的固液两相流体快速捕捉和传输，从而形成含有大量高负压微纳米气泡的气液固三相均匀混合的高速流体；
步骤3：高负压微纳米气泡的结构空化强化，包括：微纳米气泡发生器(3)输送的含高负压微纳米气泡的气液固三相流体喷射前先进入结构空化单元(8)，调节结构空化单元控制流道截面为
Figure BDA0002307280960000103
圆孔，流道截面积缩为陶瓷膜中空孔道截面积的36％，造成流体憋压，使其内部气泡会被进一步压缩，引起结构空化强化效应；
步骤4：高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光，包括：经过微气泡发生器和结构空化单元的双重作用产生的微纳米气泡，通过射流系统(4)的喷嘴被喷射到工件(5)表面，射流后流体收集至工作罐中，经搅拌系统混合均匀后循环使用。通过控制系统(9)控制工件(5)以10mm/s速度左右或上下移动，并保持喷射距离50mm、喷射角度60°～70°，直至整个表面加工完成。测试装置的使用寿命、气液固三相流体中的溶气量及1H加工后工件表面粗糙度，结果如下：
类别 溶气量 装置寿命/H 加工1H后Ra/μm
本实施例 13.3％ 72 1.122
气液混合泵 10％ 2 3.891
由此可见，与气液泵相比，采用本发明装置在流体中的微纳米气泡融入量更高，装置使用寿命长，微纳米气泡供给稳定。同时，本发明产生的微气泡经过了纳米陶瓷膜和结构空化单元的双重作用，内部负压高，空化效应强，通过本发明高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置和方法进行空化抛光时，抛光效率可提高30％-90％。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置，其特征在于，包括罐体、搅拌系统、三相增强高速液流发生装置、结构空化单元、射流系统以及工件夹持装置，其中：
所述罐体具有一内腔，定义了对工件进行磨粒流抛光的工作区域，在所述工作区域配置有固液混合的两相流体，所述罐体的底部设置有一连通内腔的排液口；
所述搅拌系统，设置在所述内腔的底部位置，用于对两相流体的搅动形成湍流混合；
所述三相增强高速液流发生装置，连接至所述排液口，被设置成通过一输送泵将罐体内腔中固液混合的两相流体输送至微纳米气泡发生器，在所述微纳米气泡发生器中通过纳米陶瓷膜微孔结构形成的微纳米气泡与高速通过的两相流体快速混合，形成含有高负压微纳米气泡的气液固三相均匀混合的高速流体；
所述结构空化单元，设置在三相增强高速液流发生装置的流体输出端，对经过的流体进行空化强化控制；
所述射流系统，与所述结构空化单元连接，将空化强化后的高速流体喷射到安装在内腔中、通过工件夹持装置夹持的工件上；
其中，所述三相增强高速液流发生装置包括与排液口连通的所述输送泵和与输送泵连通的所述微纳米气泡发生器，所述微纳米气泡发生器为纳米陶瓷膜型微纳米气泡发生器；
所述微纳米气泡发生器包括环形的外部密封壳体和纳米陶瓷膜，密封壳体和陶瓷膜之间形成环形密封腔，所述密封壳体上设有气流入口，高压气体经由气流入口进入并充满环形密封腔内；环形的纳米陶瓷膜的内部形成中空孔道，中空孔道两端与流体输送管路连接，供流体通过。
2.根据权利要求1所述的高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置，其特征在于，所述搅拌系统包括由外部驱动的转动轴以及设置在转动轴上的叶片，通过叶片搅动实现湍流形成。
3.根据权利要求1所述的高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置，其特征在于，所述纳米陶瓷膜由多层密集排布的纳米微孔构成，微孔孔径10nm～1000nm。
4.根据权利要求3所述的高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置，其特征在于，所述纳米陶瓷膜形成的中空孔道为单孔道或多孔道的组合。
5.根据权利要求3所述的高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置，其特征在于，所述结构空化单元构造为流体通道控制组件，被设置成用于控制流道截面积为纳米陶瓷膜形成的中空孔道截面积的30％-70％。
6.根据权利要求1所述的高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置，其特征在于，所述装置还包括工件运动驱动机构，连接到所述工件夹持装置，用于驱动工件在罐体内腔中的多姿态运动。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光装置的高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光方法，其特征在于，包括：
步骤1：通过搅拌系统，使罐体内的固液两相流体形成固液两相湍流，并利用输送泵将混合均匀的两相流体输运至微纳米气泡发生器，进入纳米陶瓷膜构成的中空孔道；
步骤2：通过微纳米气泡发生器的气流入口向环形密封腔内注入高压气体，当密封腔内的气体压力与纳米陶瓷膜中空孔道内流体高速运动造成的负压之和超过孔道内流体的压力时，使密封腔内的高压气体将在压力差的驱动下进入纳米陶瓷膜外壁密布的纳米微孔中，形成与纳米陶瓷膜微孔结构和尺寸相适应的尺寸小、但负压大的微纳米气泡；微纳米气泡被挤入纳米陶瓷膜中空孔道中，与中空孔道内高速通过的固液两相流体混合，形成含有高负压微纳米气泡的气液固三相均匀混合的高速流体；
步骤3：微纳米气泡发生器输送的含高负压微纳米气泡的气液固三相流体喷射前先进入结构空化单元，调节结构空化单元控制流道截面积为陶瓷膜中空孔道截面积的30％-70％，使对微纳米气泡进一步压缩，进行结构空化强化；
步骤4：经过微气泡发生器和结构空化单元的双重作用产生的微纳米气泡，通过射流系统被喷射到工件表面。
8.根据权利要求7所述的高负压微纳米气泡增强磨粒流空化抛光方法，其特征在于，在步骤1中，输送泵压力调整为0.3MPa～15MPa，流量0.5m3/h-10m3/h；
在步骤2中，高压气体输入过程中，调节气体压力为0.01MPa～0.5MPa，气体流量为输送泵流体流量的5％～30％。
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