CN114473880A - 一种超声波辅助流体空化研磨设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波辅助流体空化研磨设备。本设备主要将部件安装于流动回路中，回路中的泵驱使流体通过部件的内部通道；空化诱导器安装在喷嘴上，使得流经的流体产生气泡；气泡在部件的内部通道内爆产生高能微射流，对通道表面进行抛光处理；同时，超声波发生器在部件外移动，可选择性地增强部件内部通道中流体的空化强度，防止抛光不均匀；流体中的研磨介质利用磨粒的磨损机制可以进一步对通道表面进行加工。本设备使得部件表面光洁度得到极大的改善，研磨介质运动速度的增加加强了对部件表面的冲击压力使得研磨介质对表面质量的改善作用大大加强，气泡数量的增多，增强了空化强度，使得对通道表面的处理效果得到极大加强。

Description

一种超声波辅助流体空化研磨设备

技术领域

本发明涉及了金属部件表面抛光领域的一种抛光设备，具体涉及了一种超声波辅助流体空化研磨设备。

背景技术

3D增材制造已经成为制造业一项重要的制造方式，广泛用于航空航天和汽车工业，用于制造具有复杂形状的部件。然而增材制造所制造的金属部件表面光洁度一般都不高，尤其对于部件的内部通道，需要进一步的处理以降低表面粗糙度。

对于部件内部通道表面的处理，传统的机械加工存在难以接近的问题，因为一般部件的内部通道孔径都比较小，所以针对这种问题，提出了新的抛光方法，如AFM(磨料流加工)、化学加工、电化学加工等，然而这些加工方法又存在磨料在通道弯折处或者孔径较小处产生聚集现象以至于堵塞通道，又或者存在加工后质量损失过多以至于产生尺寸改变过大现象，影响部件安装与功能。针对这些问题，有学者提出了HCAF(流体空化研磨加工)的新抛光方法，这种方法具有通道表面可及性高、加工效果好、不会存在磨料聚集等优点，但是又出现了新的问题，如加工后表面粗糙度不均等。

针对此种现状，有必要研究一种新的表面处理设备，融合已有设备的优点，并解决上述已存在问题。

发明内容

本发明提出了一种超声波辅助流体空化研磨设备，以解决背景技术中存在的现今表面处理技术加工缓慢、磨料聚集、加工不均、尺寸完整性受损等问题。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

包括支架、控制器、超声波辅助系统、上游阀、下游阀、空化强度监测器、空化室、蓄能器、可变流量泵和流体源；可变流量泵的出口依次经蓄能器、上游阀、空化室、空化强度监测器、下游阀和流体源后与可变流量泵的入口连通，形成闭合回路；

所述超声波辅助系统设置在空化室的侧方位置，所述超声波辅助系统、上游阀、下游阀、空化强度监测器、蓄能器和可变流量泵均与控制器进行电连接。

所述空化室包括喷嘴和部件夹紧结构；所述空化室内部通过部件夹紧结构连接有液压元件，所述空化室的出口端设置有空化室出口，所述空化室出口与液压元件内部通道的出口端之间通过下流过渡腔连通，所述空化室的另一端设置有喷嘴。

所述喷嘴包括内部管道、研磨介质和空化诱导器；

喷嘴内部管道在入口侧设有分支管道，分支管道入口作为磨料流进口，分支管道出口连接到喷嘴内部管道；

喷嘴的内部管道将喷嘴分割成外部通道和内部通道，所述研磨介质经磨料流进口进入外部通道并流过外部通道，所述内部通道中流有液态流体；

喷嘴内部管道在出口侧的内壁设有空化诱导器，且空化诱导器与内部通道进行螺纹连接，喷嘴的喷嘴出口正对着空化室中液压元件内部通道的入口端放置，所述喷嘴出口与液压元件内部通道的进口端之间通过入口过渡腔连通。

所述研磨介质存在于流体中气泡与气泡之间或者气泡的气泡膜上。

所述超声波辅助系统包括超声波发生器、夹持器、超声波换能器和超声波探头；

所述夹持器的夹片连接到超声波换能器，所述超声波换能器连接超声波探头，所述超声波探头的探头朝向液压元件且垂直于液压元件中流体流动的方向；所述超声波换能器通过与超声波发生器电连接进而连接到控制器，超声波辅助系统与流体回路相互独立。

所述超声波辅助系统通过夹持器安装在空化室侧方设置的底座上，所述超声波换能器和超声波探头之间加装超声波放大器。

所述流体源为液体罐，上端开口经下游阀与空化室连通；所述流体源的底部管道上安装有排出阀，所述流体源的流体内部安装有液位传感器。

所述上游阀、下游阀为压力调节阀，受控制器控制；所述可变流量泵为柱塞泵或者蠕动泵，可变流量泵进行单向输送流体。

所述空化强度监测器为声学传感器、声发射传感器或者PVDF传感器。

所述研磨介质为带有硬质锐边的微小颗粒，其材料是碳化硅或者三氧化二铝；研磨介质的大小和研磨介质的浓度均是根据所需表面光洁度进行选择。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

部件安装在空化室中，回路中的流体经过喷嘴中的空化诱导器产生气泡，气泡跟随流体进入部件内部通道后随着压力升高或者与通道不规则表面碰撞而导致气泡内爆，气泡内爆产生的高能微射流会对表面产生侵蚀作用，以至于清除表面的松散颗粒结构或部分熔化结构，使得表面光洁度得到极大的改善；

流体中可含有研磨介质，研磨介质通过喷嘴进入部件内部通道，混合于内含气泡的流体，在内部通道中对通道表面产生冲击，使不规则结构发生变形，并且由于气泡内爆产生的高能微射流，研磨介质的运动速度也得以加快，对表面的冲击压力也得以加强，使得研磨介质对表面质量的改善作用大大加强，另外，由于研磨介质不规则的形状，能够成为流体中气泡的成核位点，使得流体中的气泡数量增多，空化强度增强，两者的协同作用使得对通道表面的处理效果得到极大加强；

超声波辅助系统安装在流体回路外，超声波探头沿着部件移动，发出超声波，超声波穿透部件外壁，进入内部通道，使得内部通道中的流体产生气泡，增强局部区域流体的空化强度，对于长通道或者非线性通道的加工不均起到很好的改善作用。

本发明在尺寸完整性、均匀性、加工效果和效率等方面均比传统表面处理设备有了较大革新和改进，应用前景十分广阔。

附图说明

图1为超声波辅助流体空化研磨设备一种实施例示意图；

图2为空化室一种实施例示意图；

图3为流体源一种实施例示意图；

图4为空化室另一种实施例示意图；

图5为空化诱导器一种实施例示意图。

图中所示：1、控制器，2、超声波辅助系统，21、超声波发生器，22、夹持器，23、超声波换能器，24、超声波探头，3、上游阀，4、下游阀，5、空化强度监测器，6、空化室，61、部件夹紧结构，62、气泡，63、空化室出口，64、部件，7、蓄能器，8、可变流量泵，9、流体源，91、液位传感器，93、排出阀，10、喷嘴，101、内部通道，102、研磨介质，103、空化诱导器，104、外部通道，105、喷嘴出口，106、磨料流进口。

具体实施方式

本领域专业的人员应该清楚，本实施例只是为更好地解释和说明本发明的使用方法，并不能用来限制本发明。

如图1所示，本发明包括支架、控制器1、超声波辅助系统2、上游阀3、下游阀4、空化强度监测器5、空化室6、蓄能器7、可变流量泵8和流体源9；可变流量泵8的出口依次经蓄能器7、上游阀3、空化室6、空化强度监测器5、下游阀4和流体源9后与可变流量泵8的入口连通，形成闭合回路；其中，空化强度监测器5为声学传感器、声发射传感器或者PVDF传感器；可变流量泵8为柱塞泵或者蠕动泵，可进行单向输送流体；可变流量泵8作为动力装置促使流体的循环流动；蓄能器7与流体回路相连接，用于消除流体回路中的脉冲效应，避免流体内的振动干扰。

超声波辅助系统2设置在空化室6的侧方位置，超声波辅助系统2、上游阀3、下游阀4、空化强度监测器5、蓄能器7和可变流量泵8均与控制器1进行电连接，上游阀3、下游阀4通过控制器1控制，用来调节流体在空化室6进出口的压力，以达到超声波辅助流体空化后研磨抛光管道的适宜压力条件，空化强度监测器5通过检测流体的震动幅值和频率来监测空化室内的空化程度，并将监测信号传递给控制器1，控制器1根据信号来控制上游阀3和下游阀4进而调节流体在空化室6进出口的压力。

如图2所示，空化室6包括喷嘴10和部件夹紧结构61；空化室6内部边缘处安装有部件夹紧结构61，空化室6内部通过部件夹紧结构61连接有液压元件64，将液压元件64安装在空化室6中，控制器1控制可变流量泵8驱使流体在回路中流动，以通过液压元件64的内部通道，空化室6的出口端设置有空化室出口63，空化室出口63与液压元件64内部通道的出口端之间通过下流过渡腔连通，空化室6的另一端设置有喷嘴10。

喷嘴10包括内部管道、研磨介质102和空化诱导器103；且喷嘴10内部管道在入口侧设有分支管道，分支管道入口作为磨料流进口106，分支管道出口连接到喷嘴10内部管道；

喷嘴10的内部管道将喷嘴分割成外部通道104和内部通道，研磨介质102经磨料流进口106进入外部通道104并充满外部通道104，研磨介质102的不规则表面形状可以增强流体空化程度，且研磨介质102在气泡62内爆产生的高能微射流的作用下，会对液压元件64内部通道表面进一步的加工，内部通道中装有液态流体；喷嘴10内部管道在出口侧的内壁设有空化诱导器103，且空化诱导器103与内部通道进行螺纹连接，喷嘴10中的空化诱导器103使经过的流体产生气泡62，气泡62在液压元件64内部通道内爆产生高能微射流，对通道表面进行研磨抛光处理，喷嘴10的喷嘴出口105正对着空化室6中液压元件64内部通道的入口端放置，喷嘴出口105与液压元件64内部通道的进口端之间通过入口过渡腔连通。

具体的，气泡62经入口过渡腔到达液压元件64内部通道之后，气泡62溃灭内爆产生冲击，使得流体内充斥的研磨介质102被冲击力推动后碰撞到液压元件64内部通道的内壁，达到研磨抛光作用；流体研磨抛光液压元件64内部通道的内壁后从液压元件64内部通道中流出，经下流过渡腔由空化室出口63排出，进入外部的过滤系统，经过滤系统分离液体与研磨介质102后，分离得到的液体再次经下游阀4进入流体回路，送至流体源9，分离得到的研磨介质102经外部回路回到磨料流进口106。

喷嘴10内部管道呈U形，U形的两端作为入口侧并设置磨料流进口106的分支管道，U形的中间部开设喷嘴出口105，但不限于此。

具体的，研磨介质102存在于流体中气泡62与气泡62之间或者气泡62的气泡膜上。

超声波辅助系统2包括超声波发生器21、夹持器22、超声波换能器23和超声波探头24；夹持器22的夹片连接到超声波换能器23，超声波换能器23连接超声波探头24，超声波探头24的探头朝向液压元件64且垂直于液压元件64中流体流动的方向；超声波换能器23通过与超声波发生器21电连接进而连接到控制器1，控制器1控制夹持器22使得超声波探头24在空化室6外移动，以将超声波探头24对准液压元件64特定区域，增强通道内部局部区域的空化强度，使得气泡的侵蚀更加均匀有效，移动方式可以是三轴移动也可以是六自由度移动；超声波辅助系统2与流体回路相互独立。

超声波辅助系统2通过夹持器22安装在空化室6侧方设置的底座上，超声波换能器23和超声波探头24之间加装超声波放大器25。具体的，控制器1控制超声波发生器21发出特定幅值与频率的电信号，传递给超声波换能器23；超声波换能器23通过振动将电信号转换为超声波，其中的压电晶体可以改变超声波频率；超声波放大器25用于增大超声波振幅。如图4所示，超声波探头24可以是不同形状，用于发射超声波，使超声波穿透空化室6的外壁或者液压元件64的外壁，进入液压元件64的内部通道，对内部通道的流体空化程度实现局部增强。

如图3所示，流体源9为液体罐或者磨料流罐，上端开口经下游阀4与空化室6连通；流体源9的底部管道上安装有排出阀93，流体源9的流体内部安装有液位传感器91用来监测液位情况。

研磨介质102为带有硬质锐边的微小颗粒，其材料是碳化硅或者三氧化二铝；研磨介质102的大小和研磨介质102的浓度均是根据所需表面光洁度进行选择，也可以采用大小不一的研磨介质102混合物。

具体的，流体的流动过程如下：可变流量泵8从流体源9中抽取流体，并驱使流体从可变流量泵8的出口依次经蓄能器7、上游阀3、空化室6、空化强度监测器5、下游阀4和流体源9最终回到可变流量泵8；同时，空化室6预先充满液体，喷嘴10安装于空化室上方；液体通过喷嘴内部通道101，研磨介质102从磨料流进口106进入喷嘴外部通道104；液体通过空化诱导器103后，接触到研磨介质102。在压力下降至液体蒸汽压以下，液体中开始产生气泡62，流体中的气泡62与研磨介质102的协同作用下研磨抛光液压元件64内部通道的内壁，后从内部通道中流出，随后从空化室出口63中排出，进入外部的过滤系统。经过滤系统分离液体与研磨介质102后，分离得到的液体再次经下游阀4进入流体回路，送至流体源9；分离得到的研磨介质102经外部回路回到磨料流进口106。

如图4所示，为超声波辅助流体空化研磨设备的另一种实施例示意图。空化室6未封闭，预先充满液体，该实施例中流体为水；喷嘴10从空化室6上方进入，液体通过喷嘴内部通道101，研磨介质102从磨料流进口106进入喷嘴外部通道104；液体通过空化诱导器103时，由于压力下降至液体蒸汽压以下，液体中产生气泡62；空化诱导器与喷嘴出口有一定距离，该距离会影响流体空化研磨的效果；研磨介质102与含有气泡62的液体流混合，通过喷嘴出口105进入空化室6；混合流体进入液压元件64的内部通道，气泡62与研磨介质102的协同作用，增强了对液压元件64内部通道的研磨抛光效果；流体研磨抛光内部通道表面后从液压元件64内部通道流出，随后从空化室出口63中排出，进入流体回路，或者进入过滤系统，经过滤系统分离液体与磨料流后，分别送至相应流体源9和磨料流进口106，本实施例中未示出。液压元件64在空化室6中通过部件紧固结构61固定，可以是多种固定方式；超声波探头24在部件64外移动，发射超声波，超声波穿透部件64外壁，进入内部通道，使得内部通道中的流体产生气泡62，增强局部区域流体的空化强度，对于长通道或者非线性通道的加工不均起到很好的改善作用；超声波换能器23通过振动将电信号转换为超声波，其中的压电晶体可以改变超声波频率；超声波放大器25用于增大超声波振幅；夹持器22通过控制器1控制，使得夹持器22夹紧超声波发射装置移动，以将超声波探头对准部件特定区域，移动方式如图中箭头所示。

如图5所示，空化诱导器103与喷嘴10螺纹联接，因此可以更换为不同孔径、不同孔分布的孔板；空化诱导器103的孔径大小和孔的分布对流体中的空化程度有重要影响，因此对液压元件64内部通道表面研磨抛光效果也有重要影响。

最后值得重申的是，说明书中描述的只是本发明的优选例，只是为了阐明本发明的基本原理和主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种超声波辅助流体空化研磨设备，其特征在于：包括支架、控制器(1)、超声波辅助系统(2)、上游阀(3)、下游阀(4)、空化强度监测器(5)、空化室(6)、蓄能器(7)、可变流量泵(8)和流体源(9)；可变流量泵(8)的出口依次经蓄能器(7)、上游阀(3)、空化室(6)、空化强度监测器(5)、下游阀(4)、流体源(9)后与可变流量泵(8)的入口连通，形成闭合回路；

所述超声波辅助系统(2)设置在空化室(6)的侧方位置，所述超声波辅助系统(2)、上游阀(3)、下游阀(4)、空化强度监测器(5)、蓄能器(7)和可变流量泵(8)均与控制器(1)进行电连接。

2.根据权利要求1所述的一种超声波辅助流体空化研磨设备，其特征在于：

所述空化室(6)包括喷嘴(10)和部件夹紧结构(61)；所述空化室(6)内部通过部件夹紧结构(61)连接有液压元件(64)，所述空化室(6)的出口端设置有空化室出口(63)，所述空化室出口(63)与液压元件(64)内部通道的出口端之间通过下流过渡腔连通，所述空化室(6)的另一端设置有喷嘴(10)。

3.根据权利要求2所述的一种超声波辅助流体空化研磨设备，其特征在于：

所述喷嘴(10)包括内部管道、研磨介质(102)和空化诱导器(103)；喷嘴(10)内部管道在入口侧设有分支管道，分支管道入口作为磨料流进口(106)，分支管道出口连接到喷嘴(10)内部管道；喷嘴(10)的内部管道将喷嘴分割成外部通道(104)和内部通道，所述研磨介质(102)经磨料流进口(106)进入外部通道(104)并流过外部通道(104)，所述内部通道中流有液态流体；喷嘴(10)内部管道在出口侧的内壁设有空化诱导器(103)，且空化诱导器(103)与内部通道进行螺纹连接，喷嘴(10)的喷嘴出口(105)正对着空化室(6)中液压元件(64)内部通道的入口端放置，所述喷嘴出口(105)与液压元件(64)内部通道的进口端之间通过入口过渡腔连通。

4.根据权利要求3所述的一种超声波辅助流体空化研磨设备，其特征在于：

所述研磨介质(102)存在于流体中气泡(62)与气泡(62)之间或者气泡(62)的气泡膜上。

5.根据权利要求1所述的一种超声波辅助流体空化研磨设备，其特征在于：

所述超声波辅助系统(2)包括超声波发生器(21)、夹持器(22)、超声波换能器(23)和超声波探头(24)；

所述夹持器(22)的夹片连接到超声波换能器(23)，所述超声波换能器(23)连接超声波探头(24)，所述超声波探头(24)的探头朝向液压元件(64)且垂直于液压元件(64)中流体流动的方向；所述超声波换能器(23)通过与超声波发生器(21)电连接进而连接到控制器(1)，超声波辅助系统(2)与流体回路相互独立。

6.根据权利要求4所述的一种超声波辅助流体空化研磨设备，其特征在：所述超声波辅助系统(2)通过夹持器(22)安装在空化室(6)侧方设置的底座上，所述超声波换能器(23)和超声波探头(24)之间加装超声波放大器(25)。

7.根据权利要求1所述的一种超声波辅助流体空化研磨设备，其特征在于：

所述流体源(9)为液体罐，上端开口经下游阀(4)与空化室(6)连通；所述流体源(9)的底部管道上安装有排出阀(93)，所述流体源(9)的流体内部安装有液位传感器(91)。

8.根据权利要求1所述的一种超声波辅助流体空化研磨设备，其特征在于：所述上游阀(3)、下游阀(4)为压力调节阀，受控制器(1)控制；所述可变流量泵(8)为柱塞泵或者蠕动泵，可变流量泵(8)进行单向输送流体。

9.根据权利要求1所述的一种超声波辅助流体空化研磨设备，其特征在于：所述空化强度监测器(5)为声学传感器、声发射传感器或者PVDF传感器。

10.根据权利要求1所述的一种超声波辅助流体空化研磨设备，其特征在于：所述研磨介质(102)为带有硬质锐边的微小颗粒，其材料是碳化硅或者三氧化二铝；研磨介质(102)的大小和研磨介质(102)的浓度均是根据所需表面光洁度进行选择。

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