CN111152139A - 一种分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统，包括多通道相控发射系统、六自由度移动平台、抛光工具、加工工件、工件安装平台、加工池、低粘性磨粒流、上位机控制系统、变频器、柱塞式水泵、磨粒流注入管路系统、安全管路系统、磨粒流输出管路系统，抛光工具包括固定本体、接线端盖、中部连接件、相控聚焦装置、角度调节件、微射流喷嘴、磨粒流注入口、喷嘴夹具。本发明利用相控聚焦原理产生声波聚焦空化，并将微射流喷嘴和相控聚焦装置进行分离设计，根据需求对空化强度、射流强度进行单独调节；通过调节多通道相控发射系统的声波频率和功率，可对空泡尺度、空化强度进行主动控制，实现微射流抛光效率的增强。

Description

一种分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统

技术领域

本发明涉及磨粒微射流抛光加工技术领域，尤其涉及一种分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统。

背景技术

微尺度结构零件广泛存在于航空航天、生物工程、电子信息等领域中，这类零件在使用中往往需要较高的表面质量。微结构零件除了具有较小的尺度特征外，可能还具有非规则曲率变化的面形特征。磨粒微射流抛光方法采用柔性较好的流体作为磨粒驱动介质，可适应非规则曲率变化的微结构表面，实现全方位自适应抛光；并且，流体能够较好的缓冲磨粒过冲击效应，从而有效避免由于磨粒的硬性压入而造成工件损伤。但是，受到流体介质驱动力的影响，磨粒微射流抛光方法抛光效率较低，限制了其进一步的推广应用。

利用流体空化效应可有效提高磨粒射流抛光效率。空化效应是指当流体内局部压力低于饱和蒸汽压时，在低压区会产生大量空化泡，当空化泡溃灭时会在周围产生巨大的冲击动能，借助冲击动能的助推作用实现磨粒切削动能的增强。目前空化增强式磨粒射流抛光方法在抛光微尺度零件时均存在一定的局限性。比如申请号为CN201910362390.X的发明专利提出了一种超声空化辅助射流抛光系统及抛光方法，该发明利用超声振动结合弧形聚焦透镜的方式增强磨粒射流抛光效率。但是，该方法无法实现对空泡尺度进行主动控制，在抛光微尺度结构零件时存在一定局限性；同时，该方法中若提高射流强度，则会导致近壁面空泡群溃灭区域的变化，不利于稳定性抛光。申请号为CN200910308691.0的发明专利提出了一种胶体液流动压空化射流抛光装置及方法，该发明采用结构空化原理产生的空泡群，提高微射流抛光效率。但是，该方法所采用的结构空化原理，其空化程度的强弱严重依赖于射流流速，若要提高空化强度，必须提高射流流速，无法保证抛光工艺参数的一致性；同时，该方法也无法对空泡尺度进行主动控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有空化增强磨粒微射流抛光方法难以实现空化强度、射流强度的分离可控以及空泡尺度无法主动控制的难题，提出了一种对空化强度、射流强度分离控制的分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统，包括多通道相控发射系统、六自由度移动平台、抛光工具、加工工件、工件安装平台、加工池、低粘性磨粒流、上位机控制系统、变频器、柱塞式水泵、磨粒流注入管路系统、安全管路系统、磨粒流输出管路系统；所述多通道相控发射系统与所述抛光工具连接，多通道相控发射系统控制所述抛光工具产生相控空化；所述抛光工具固定在所述六自由度移动平台的活动端，六自由度移动平台带动抛光工具移动并实现抛光工具沿x、y、z三轴的移动及绕x、y、z三轴的转动；所述加工工件安装于所述工件安装平台上；所述工件安装平台安装于所述加工池中上部区域；所述低粘性磨粒流位于所述加工池和管路系统内；所述上位机控制系统通过所述变频器与所述柱塞式水泵连接，上位机控制系统通过变频器控制柱塞式水泵的压力输出；所述柱塞式水泵设置有两个出口和一个入口，所述柱塞式水泵的其中一个出口与所述磨粒流注入管路系统连接，所述磨粒流注入管路系统的出口与所述抛光工具的磨粒流注入口连接；所述柱塞式水泵的另一个出口与所述安全管路系统连接，所述安全管路系统的出口与所述加工池的底部连接，所述安全管路系统保证管路水流压力安全；所述柱塞式水泵的入口通过所述磨粒流输出管路系统连接加工池的底部。

进一步的，所述抛光工具包括固定本体、接线端盖、中部连接件、相控聚焦装置、角度调节件、微射流喷嘴、磨粒流注入口、喷嘴夹具；所述固定本体的上端面装夹在所述六自由度移动平台的活动端；所述相控聚焦装置通过所述中部连接件安装在所述固定本体的底端；所述接线端盖安装在所述固定本体的侧面出线口位置；所述多通道相控发射系统的连接线依次穿过接线端盖、固定本体、中部连接件后与所述相控聚焦装置相连；所述角度调节件安装于所述固定本体的侧壁位置；所述微射流喷嘴与喷嘴夹具固定连接，所述喷嘴夹具与所述角度调节件铰接；所述磨粒流注入口安装于所述微射流喷嘴的顶端位置。

进一步的，所述相控聚焦装置包括顶部端盖、相控聚焦单元、耦合层、密封层；所述顶部端盖固定在所述中部连接件下方，所述耦合层安装于所述顶部端盖下方，加工时耦合层淹没于所述加工池内的低粘性磨粒流中，实现聚焦声波与磨粒流的有效耦合；所述密封层设置在所述顶部端盖和所述耦合层之间，实现所述顶部端盖和所述耦合层之间的可靠静密封；所述相控聚焦单元为线性阵列布置的矩形压电陶瓷片，位于所述顶部端盖和所述耦合层之间的密封的中空区域，所述多通道相控发射系统的连接线直接与所述相控聚焦单元的接线端连接。

进一步的，低粘性磨粒流在所述磨粒流注入管路系统沿所述柱塞式水泵到所述抛光工具的方向流动，所述磨粒流注入管路系统包括通过磨粒流注入管路依次连接的脉冲阻尼器、一号球阀开关、背压阀、调压阀、压力表、流体粘度测量仪、流体PH测量仪和温度计；低粘性磨粒流在磨粒流注入管路中依次经过脉冲阻尼器、一号球阀开关、背压阀、调压阀、压力表、流体粘度测量仪、流体PH测量仪和温度计后进入抛光工具的磨粒流注入口中。

进一步的，所述安全管路系统包括安全管路、安全阀；安全阀安装在安全管路上，低粘性磨粒流在安全管路系统中沿所述柱塞式水泵到所述加工池的方向流动。

进一步的，所述磨粒流输出管路系统包括磨粒流输出管路、二号球阀开关和过滤器，二号球阀开关和过滤器依次连接在磨粒流输出管路上，低粘性磨粒流在所述磨粒流输出管路系统中沿所述加工池到所述柱塞式水泵的方向流动，低粘性磨粒流在磨粒流输出管路中流动时依次经过二号球阀开关和过滤器。

进一步的，所述微射流喷嘴与所述固定本体之间的角度可通过所述角度调节件进行相对角度调节，调节角度范围为0～60度。

进一步的，所述微射流喷嘴的中心对称面和所述固定本体的中心对称面重合。

进一步的，所述喷嘴的出口直径在0.1mm～10mm之间。

进一步的，所述压力表、流体粘度测量仪、流体PH测量仪、温度计均与所述上位机控制系统连接，压力表、流体粘度测量仪、流体PH测量仪、温度计分别实时监测粒流注入管路内压力、流体粘度、流体PH值、温度的变化。

本发明的有益效果在于：

1)本发明的分离式相控空化增强磨粒微射流抛光工具，可实现空化强度、射流强度的分离控制；根据微射流抛光工艺技术需求，通过调节调压阀和相控发射功率，可对微射流强度和空化强度进行单独调节，实现微射流强度和空化强度两个工艺参数的灵活组合。

2)本发明的相控聚焦装置，可通过调节声波频率、功率实现对空化尺度、空化强度的主动控制，保证空泡群能够充分进入到微尺度工件表面。

3)本发明实时监测管路内压力、流体粘度、流体PH和流体温度的变化，保证空化环境的稳定性，进而确保加工质量的一致性。

4)本发明采用线性阵列压电陶瓷作为相控聚焦单元，加工制作较为简单，成本较为低廉。

附图说明

图1是本发明一种分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统的整体示意图。

图2是本发明抛光工具结构的整体剖视示意图。

图3是本发明抛光工具结构的轴测图。

图4是本发明相控聚焦装置的剖视结构示意图。

图5是本发明磨粒流注入管路系统的整体示意图。

图6是本发明安全管路系统的整体示意图。

图7是本发明磨粒流输出管路系统的整体示意图。

图中，01-控发射系统、02-六自由度移动平台、03-抛光工具、04-加工工件、05-工件安装平台、06-加工池、07-低粘性磨粒流、08-上位机控制系统、09-变频器、10-柱塞式水泵、11-磨粒流注入管路系统、12-安全管路系统、13-磨粒流输出管路系统、0301-固定本体、0302-接线端盖、0303-中部连接件、0304-相控聚焦装置、0305-角度调节件、0306-微射流喷嘴、0307-磨粒流注入口、0308-喷嘴夹具、030401-顶部端盖、030402-相控聚焦单元、030403-耦合层、030404-密封层、1101-磨粒流注入管路、1102-脉冲阻尼器、1103-一号球阀开关、1104-背压阀、1105-调压阀、1106-压力表、1107-流体粘度测量仪、1108-流体PH测量仪、1109-温度计、1201-安全管路、1202-安全阀、1301-磨粒流输出管路、1302-二号球阀开关、1303-过滤器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实例并参照附图1～7对本发明作进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明的概念。

如图1所示，本发明所述的一种分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统，包括多通道相控发射系统01、六自由度移动平台02、抛光工具03、加工工件04、工件安装平台05、加工池06、低粘性磨粒流07、上位机控制系统08、变频器09、柱塞式水泵10、磨粒流注入管路系统11、安全管路系统12、磨粒流输出管路系统13；所述多通道相控发射系统01与所述抛光工具03连接，多通道相控发射系统01控制所述抛光工具03产生相控空化；所述抛光工具03固定在所述六自由度移动平台02的活动端，六自由度移动平台02带动抛光工具03移动并实现抛光工具03沿x、y、z三轴的移动及绕x、y、z三轴的转动；所述加工工件04安装于所述工件安装平台05上；所述工件安装平台05安装于所述加工池06中上部区域；所述低粘性磨粒流07位于所述加工池06和管路系统内；所述上位机控制系统08通过所述变频器09与所述柱塞式水泵10连接，上位机控制系统08通过变频器09控制柱塞式水泵10的压力输出；所述柱塞式水泵10设置有两个出口和一个入口，所述柱塞式水泵10的其中一个出口与所述磨粒流注入管路系统11连接，所述磨粒流注入管路系统11的出口与所述抛光工具03的磨粒流注入口0307连接；所述柱塞式水泵10的另一个出口与所述安全管路系统12连接，所述安全管路系统12的出口与所述加工池06的底部连接，所述安全管路系统12保证管路水流压力安全；所述柱塞式水泵10的入口通过所述磨粒流输出管路系统13连接加工池06的底部。

如图2和图3所示，所述抛光工具03包括固定本体0301、接线端盖0302、中部连接件0303、相控聚焦装置0304、角度调节件0305、微射流喷嘴0306、磨粒流注入口0307、喷嘴夹具0308；所述固定本体0301的上端面装夹在所述六自由度移动平台02的活动端；所述相控聚焦装置0304通过所述中部连接件0303安装在所述固定本体0301的底端；所述接线端盖0302安装在所述固定本体0301的侧面出线口位置；所述多通道相控发射系统01的连接线依次穿过接线端盖0302、固定本体0301、中部连接件0303后与所述相控聚焦装置0304相连；所述角度调节件0305安装于所述固定本体0301的侧壁位置；所述微射流喷嘴0306与喷嘴夹具0308固定连接，所述喷嘴夹具0308与所述角度调节件0305铰接；所述磨粒流注入口0307安装于所述微射流喷嘴0306的顶端位置。

如图4所示，所述相控聚焦装置0304包括顶部端盖030401、相控聚焦单元030402、耦合层030403、密封层030404；所述顶部端盖030401固定在所述中部连接件0303下方，所述耦合层030403安装于所述顶部端盖030401下方，加工时耦合层030403淹没于所述加工池06内的低粘性磨粒流07中，实现聚焦声波与磨粒流的有效耦合；所述密封层030404设置在所述顶部端盖030401和所述耦合层030403之间，实现所述顶部端盖030401和所述耦合层030403之间的可靠静密封；所述相控聚焦单元030402为线性阵列布置的矩形压电陶瓷片，位于所述顶部端盖030401和所述耦合层030403之间的密封的中空区域，所述多通道相控发射系统01的连接线直接与所述相控聚焦单元030402的接线端连接。

如图5所示，低粘性磨粒流07在所述磨粒流注入管路系统11沿所述柱塞式水泵10到所述抛光工具03的方向流动，所述磨粒流注入管路系统11包括通过磨粒流注入管路1101依次连接的脉冲阻尼器1102、一号球阀开关1103、背压阀1104、调压阀1105、压力表1106、流体粘度测量仪1107、流体PH测量仪1108和温度计1109；低粘性磨粒流07在磨粒流注入管路1101中依次经过脉冲阻尼器1102、一号球阀开关1103、背压阀1104、调压阀1105、压力表1106、流体粘度测量仪1107、流体PH测量仪1108和温度计1109后进入抛光工具03的磨粒流注入口0307中。

如图6所示，所述安全管路系统12包括安全管路1201、安全阀1202；安全阀1202安装在安全管路1201上，低粘性磨粒流07在安全管路系统12中沿所述柱塞式水泵10到所述加工池06的方向流动。

如图7所示，所述磨粒流输出管路系统13包括磨粒流输出管路1301、二号球阀开关1302和过滤器1303，二号球阀开关1302和过滤器1303依次连接在磨粒流输出管路1301上，低粘性磨粒流07在所述磨粒流输出管路系统13中沿所述加工池06到所述柱塞式水泵10的方向流动，低粘性磨粒流07在磨粒流输出管路1301中流动时依次经过二号球阀开关1302和过滤器1303。

在本发明中，所述微射流喷嘴0306与所述固定本体0301之间的角度可通过所述角度调节件0305进行相对角度调节，调节角度范围为0～60度。

在本发明中，所述微射流喷嘴0306的中心对称面和所述固定本体0301的中心对称面重合。

作为本发明的最优选择，所述微射流喷嘴0306的出口直径在0.1mm～10mm之间。

在本发明中，所述压力表1106、流体粘度测量仪1107、流体PH测量仪1108、温度计1109均与所述上位机控制系统08连接，压力表1106、流体粘度测量仪1107、流体PH测量仪1108、温度计1109分别实时监测磨粒流注入管路1101内压力、流体粘度、流体PH值、温度的变化。

本发明在进行抛光加工时，首先根据加工工件04的抛光质量要求，在加工池06内调配一定量的低粘性磨粒流07。在柱塞式水泵10的抽吸作用下，调配好的低粘性磨粒流07先进入磨粒流输出管路系统13，经过过滤器1303进行杂质颗粒的过滤后，进入磨粒流注入管路系统11，随后进入抛光工具03中的微射流喷嘴0306内，形成微射流束0309抛光加工工件04的表面。在此基础上，多通道相控发射系统01激励抛光工具03中的相控聚焦装置0304产生相控声波0310，通过控制相控聚焦装置0304内的压电陶瓷的相位延迟时间△t，将相控聚焦点0311作用于微结构工件表面。相控聚焦点0311处的声压阈值大于空化阈值，故在相控聚焦点0311处可产生大量空泡群。通过角度调节件0305调整微射流喷嘴0306的喷射方向，使得微射流束在加工工件04表面形成的抛光区域和相控聚焦点0311重合，从而借助空泡群的溃灭作用，提升磨粒微射流0309的抛光效率。抛光工具03在六自由度移动平台02的驱动下，可实现复杂自由微曲面工件的全域抛光。

针对微结构工件的小尺度特征，通过调节多通道相控发射系统01的声波频率和功率，可对空泡尺度、空化强度进行主动控制，保证空泡群能够充分进入到微尺度工件表面。

根据微射流抛光工艺技术需求，通过调压阀1105和多通道相控发射系统01可对微射流强度和空化强度进行单独调节，实现微射流强度和空化强度两个工艺参数的灵活组合。

在抛光过程中，脉冲阻尼器1102和背压阀1104保证管路压力的稳定性。压力计1106、流体粘度测量仪1107、流体PH测量仪1108和温度计1109实时监测管路内压力、流体粘度、流体PH和流体温度的变化，保证空化环境的稳定性。

由于微射流喷嘴0306的喷嘴出口直径较小，为保证管路压力安全，通过安全管路系统12内的安全阀1202实现管路内过载压力的释放。

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。

Claims (9)

1.一种分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统，其特征在于：包括多通道相控发射系统(01)、六自由度移动平台(02)、抛光工具(03)、加工工件(04)、工件安装平台(05)、加工池(06)、低粘性磨粒流(07)、上位机控制系统(08)、变频器(09)、柱塞式水泵(10)、磨粒流注入管路系统(11)、安全管路系统(12)、磨粒流输出管路系统(13)；所述多通道相控发射系统(01)与所述抛光工具(03)连接，多通道相控发射系统(01)控制所述抛光工具(03)产生相控空化；所述抛光工具(03)固定在所述六自由度移动平台(02)的活动端，六自由度移动平台(02)带动抛光工具(03)移动并实现抛光工具(03)沿x、y、z三轴的移动及绕x、y、z三轴的转动；所述加工工件(04)安装于所述工件安装平台(05)上；所述工件安装平台(05)安装于所述加工池(06)中上部区域；所述低粘性磨粒流(07)位于所述加工池(06)和管路系统内；所述上位机控制系统(08)通过所述变频器(09)与所述柱塞式水泵(10)连接，上位机控制系统(08)通过变频器(09)控制柱塞式水泵(10)的压力输出；所述柱塞式水泵(10)设置有两个出口和一个入口，所述柱塞式水泵(10)的其中一个出口与所述磨粒流注入管路系统(11)连接，所述磨粒流注入管路系统(11)的出口与所述抛光工具(03)的磨粒流注入口(0307)连接；所述柱塞式水泵(10)的另一个出口与所述安全管路系统(12)连接，所述安全管路系统(12)的出口与所述加工池(06)的底部连接，所述安全管路系统(12)保证管路水流压力安全；所述柱塞式水泵(10)的入口通过所述磨粒流输出管路系统(13)连接加工池(06)的底部。

2.根据权利要求1所述的一种分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统，其特征在于：所述抛光工具(03)包括固定本体(0301)、接线端盖(0302)、中部连接件(0303)、相控聚焦装置(0304)、角度调节件(0305)、微射流喷嘴(0306)、磨粒流注入口(0307)、喷嘴夹具(0308)；所述固定本体(0301)的上端面装夹在所述六自由度移动平台(02)的活动端；所述相控聚焦装置(0304)通过所述中部连接件(0303)安装在所述固定本体(0301)的底端；所述接线端盖(0302)安装在所述固定本体(0301)的侧面出线口位置；所述多通道相控发射系统(01)的连接线依次穿过接线端盖(0302)、固定本体(0301)、中部连接件(0303)后与所述相控聚焦装置(0304)相连；所述角度调节件(0305)安装于所述固定本体(0301)的侧壁位置；所述微射流喷嘴(0306)与喷嘴夹具(0308)固定连接，所述喷嘴夹具(0308)与所述角度调节件(0305)铰接；所述磨粒流注入口(0307)安装于所述微射流喷嘴(0306)的顶端位置。

3.根据权利要求2所述的一种分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统，其特征在于：所述相控聚焦装置(0304)包括顶部端盖(030401)、相控聚焦单元(030402)、耦合层(030403)、密封层(030404)；所述顶部端盖(030401)固定在所述中部连接件(0303)下方，所述耦合层(030403)安装于所述顶部端盖(030401)下方，加工时耦合层(030403)淹没于所述加工池(06)内的低粘性磨粒流(07)中，实现聚焦声波与磨粒流的有效耦合；所述密封层(030404)设置在所述顶部端盖(030401)和所述耦合层(030403)之间，实现所述顶部端盖(030401)和所述耦合层(030403)之间的可靠静密封；所述相控聚焦单元(030402)为线性阵列布置的矩形压电陶瓷片，位于所述顶部端盖(030401)和所述耦合层(030403)之间的密封的中空区域，所述多通道相控发射系统(01)的连接线直接与所述相控聚焦单元(030402)的接线端连接。

4.根据权利要求1所述的一种分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统，其特征在于：低粘性磨粒流(07)在所述磨粒流注入管路系统(11)沿所述柱塞式水泵(10)到所述抛光工具(03)的方向流动，所述磨粒流注入管路系统(11)包括通过磨粒流注入管路(1101)依次连接的脉冲阻尼器(1102)、一号球阀开关(1103)、背压阀(1104)、调压阀(1105)、压力表(1106)、流体粘度测量仪(1107)、流体PH测量仪(1108)和温度计(1109)；低粘性磨粒流(07)在磨粒流注入管路(1101)中依次经过脉冲阻尼器(1102)、一号球阀开关(1103)、背压阀(1104)、调压阀(1105)、压力表(1106)、流体粘度测量仪(1107)、流体PH测量仪(1108)和温度计(1109)后进入抛光工具(03)的磨粒流注入口(0307)中。

5.根据权利要求1所述的一种分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统，其特征在于：所述安全管路系统(12)包括安全管路(1201)、安全阀(1202)；安全阀(1202)安装在安全管路(1201)上，低粘性磨粒流(07)在安全管路系统(12)中沿所述柱塞式水泵(10)到所述加工池(06)的方向流动。

6.根据权利要求1所述的一种分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统，其特征在于：所述磨粒流输出管路系统(13)包括磨粒流输出管路(1301)、二号球阀开关(1302)和过滤器(1303)，二号球阀开关(1302)和过滤器(1303)依次连接在磨粒流输出管路(1301)上，低粘性磨粒流(07)在所述磨粒流输出管路系统(13)中沿所述加工池(06)到所述柱塞式水泵(10)的方向流动，低粘性磨粒流(07)在磨粒流输出管路(1301)中流动时依次经过二号球阀开关(1302)和过滤器(1303)。

7.根据权利要求2所述的一种分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统，其特征在于：所述微射流喷嘴(0306)与所述固定本体(0301)之间的角度可通过所述角度调节件(0305)进行相对角度调节，调节角度范围为0～60度。

8.根据权利要求2所述的一种分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统，其特征在于：所述喷嘴(0306)的出口直径在0.1mm～10mm之间。

9.根据权利要求4所述的一种分离式相控空化增强磨粒微射流抛光系统，其特征在于：所述压力表(1106)、流体粘度测量仪(1107)、流体PH测量仪(1108)、温度计(1109)均与所述上位机控制系统(08)连接，压力表(1106)、流体粘度测量仪(1107)、流体PH测量仪(1108)、温度计(1109)分别实时监测磨粒流注入管路(1101)内压力、流体粘度、流体PH值、温度的变化。

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