CN206366904U - 一种基于结构空化效应的高效流体光整加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于结构空化效应的高效流体光整加工装置，包括工件加工池、工件安装平台、加工工具、运动模块、磨粒流循环池、磨粒流过滤器、载流体存储箱、气泡发生器、载流体管路、磨粒流管路、入水口自吸泵、出水口自吸泵和磨粒流自吸泵，待加工工件安装在工件安装平台上，所述工件安装平台固定在所述工件加工池上方。本实用新型利用文丘里管结构实现加工工具和待加工工件之间的微距间隙内气泡的生长和溃灭，从而实现磨粒的无序、高速湍流流动，相比于借助于超声波的加工设备，本实用新型的结构更加的简单，成本更加的低廉；相比于普通的气泡自由溃灭式加工设备，本实用新型的可控性更好，气泡溃灭驱动效果更佳明显。

Description

一种基于结构空化效应的高效流体光整加工装置

技术领域

本实用新型涉及面约束磨粒流光整加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种基于结构空化效应的高效流体光整加工装置。

背景技术

在电子信息、国防航空等领域，需要使用到一类大直径平面工件，该类工件厚度较小，直径较大，在使用过程中需要其具有较高的表面粗糙度及面形精度。现有的加工该类工件的方法主要有两种，分别为工具接触式加工及磨粒流加工，其中工具接触式加工通过工具施力与磨粒使之去除被加工表面的微隆起；由于难以避免磨粒及杂质粒径尺寸的不一致，因此，必然会导致磨粒受力不均，从而造成工件表面的亚表面损伤；而使用传统磨粒流加工技术虽然可以有效避免工件表面的亚表面损伤及加工变质，但是加工效率很低。

为了解决上述问题，前期提出了一种基于气泡溃灭驱动磨粒在工件表面运动从而实现研磨抛光的面约束流体光整加工技术，并结合超声波设计了一系列的相关设备；借助气泡溃灭所释放的能量，磨粒流能够以更高速、无序的方式加工工件，从而极大的提高加工效率。目前基于气泡溃灭的磨粒流加工主要分为两类：一类是气流多向注入法，这类方法通过往加工工具内注入气泡，借助气泡在流道内随机溃灭的方式达到高效率的加工，该方法结构简单，易于操作，但是可控性不强，不能有针对性的实现工件表面的光整加工；另一类方法主要是借助超声波实现气泡在工件表面针对性的溃灭，这类方法可以较好的控制流道内磨粒流有针对性的加速，从而实现工件表面加工强弱的可控。但是，针对大直径的工件表面加工，需要布置多个超声波发生器，或周期性移动超声波发生器以实现工件加工均匀性，这使得加工设备过于复杂，成本较高。因此，研发一种能够充分利用气泡溃灭所释放的能量，并且能以较低成本实现工件表面加工均匀性的设备，是一件非常有实际意义的工作。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有气泡溃灭驱动磨粒式加工设备过于复杂，难以实现大直径工件表面均匀性加工的难题的问题，提供了一种低成本且加工更加均匀的基于结构空化效应的高效流体光整加工装置。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于结构空化效应的高效流体光整加工装置，包括工件加工池、工件安装平台、加工工具、运动模块、磨粒流循环池、磨粒流过滤器、载流体存储箱、气泡发生器、载流体管路、磨粒流管路、入水口自吸泵、出水口自吸泵和磨粒流自吸泵，待加工工件安装在工件安装平台上，所述工件安装平台固定在所述工件加工池上方；所述运动模块安装在所述工件加工池的上方，运动模块连接所述加工工具并驱动所述加工工具的周期性自转以及沿待加工工件表面进行沿x轴和y轴的平移运动；所述加工工具包括上封盖和工具本体，所述工具本体的下表面与待加工工件之间形成微距间隙，所述上封盖与工具本体固定连接，上封盖上设置有多个载流体入口，所述工具本体为圆盘形结构，工具本体的周向开设有多个磨粒流入口，所述工具本体内设置有文丘里管结构，所述文丘里管结构为设置在工具本体内并沿工具本体的周向方向均布的多个文丘里管空化单元，每个文丘里管空化单元均包括入水槽、出水槽和多个节流孔，所述入水槽设置在所述工具本体的上表面，所述入水槽与上封盖上的载流体入口连通，所述入水槽从内向外呈弧线形布置，所述出水槽与所述入水槽一一对应，出水槽的槽宽小于所述入水槽的槽宽，所述出水槽沿着与入水槽相同的方向呈弧线形布置，出水槽与入水槽之间通过设置在入水槽底部的多个节流孔连通；所述磨粒流加工池安装在磨粒流循环池的正上方，所述工件加工池底部设置有磨粒流回流孔，磨粒流加工完成后经磨粒流回流孔流入磨粒流循环池内；所述磨粒流循环池连接磨粒流管路的一端，磨粒流管路的另一端连接磨粒流入口，所述磨粒流管路上设置有用于将磨粒流循环池内的液固二相磨粒流注入所述磨粒流入口中的磨粒流自吸泵；所述磨粒流循环池通过载流体管路依次连接磨粒流过滤器、入水口自吸泵、载流体存储箱、出水口自吸泵和加工工具的载流体入口，所述载流体存储箱连接用于向所述载流体存储箱内通入气体的气泡发生器。

进一步的，所述节流孔的长度和孔径之间的比值在3-4之间。

进一步的，所述磨粒流自吸泵与磨粒流循环池之间的磨粒流管路上设置有第一温度计、第一流量计和第一流量控制阀，每个磨粒流入口和载流体入口均连接压力表，所述出水口自吸泵与所述加工工具之间的载流体管路上设置有第二温度计、第二流量计和第二流量控制阀，所述入水口自吸泵和所述磨粒流过滤器之间的载流体管路上设置有第三流量控制阀。

进一步的，所述载流体入口、磨粒流入口、文丘里管空化单元的最优数量为三个。

进一步的，所述节流孔均布在所述入水槽的底部。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1)本实用新型利用文丘里管结构实现加工工具和待加工工件之间的微距间隙内气泡的生长和溃灭，从而实现磨粒的无序、高速湍流流动，相比于借助于超声波的加工设备，本实用新型的结构更加的简单，成本更加的低廉；相比于普通的气泡自由溃灭式加工设备，本实用新型的可控性更好，气泡溃灭驱动效果更佳明显。

2)本实用新型通过控制气泡发生器主动注入气泡的速度来调节空化溃灭的强度，控制方便简单，可以针对不同的加工材料指定相适应的空化加工工艺，防止有些软性材料由于空化效应过于强烈而导致工件表面的疲劳破坏，提高本方法和本装置的适应性。

3)本实用新型所采用的文丘里管空化单元沿着加工工具由内向外呈弧形布置，配合运动模块驱动加工工件做周期性自转以及纵横向的平移运动，可以有效保证大直径工件表面空化效应的均匀性，从而达到更好的面型精度。

4)本实用新型利用磨粒流循环池形成液固二流磨粒流的循环管路，加工完成后的液固二相磨粒流回到磨粒流循环池内并进行再次循环利用，有效降低了加工过程中液固二相磨粒流的消耗，降低了生产成本。

5)本实用新型在加工工具每一个磨粒流入口和载流体入口处均安装有一个压力表，用于测定磨粒流入口和载流体入口的压力，便于随时进行加工过程中的观察和记录，保证了加工的顺利进行。

6)本实用新型在磨粒流管路和载流体管路上均设置有温度计和流量计，用于实时监控磨粒流管路上的温度和流量，避免加工过程中出现流量和温度的异常，保证了加工能够顺利的进行。

附图说明

图1是本实用新型一种基于结构空化效应的高效流体光整加工的结构示意图。

图2是本实用新型加工装置的剖视图。

图3是本实用新型加工装置的结构示意图。

图4是本实用新型工具本体的主视图。

图5是本实用新型工具本体的后视图。

图中，1-载流体管路、2-第二流量控制阀、3-第二流量计、4-第二温度计、5-第一压力表、6-第二压力表、7-第三压力表、8-加工工具、9-待加工工件、10-运动模块、11-工件安装平台、12-工件加工池、13-第一温度计、14-第一流量计、15-磨粒流管路、16-磨粒流自吸泵、17-第一流量控制阀、18-磨粒流循环池、19-第四压力表、20-第五压力表、21-第六压力表、22-磨粒流过滤器、23-第三流量控制阀、24-入水口自吸泵、25-载流体存储箱、26-出水口自吸泵、27-气泡发生器、82-上封盖、821-载流体入口、83-工具本体、831-磨粒流入口、832-入水槽、833-节流孔、834-出水槽、835-文丘里管空化单元。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、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1～5对本实用新型作进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。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实用新型的概念。

本实用新型所述的一种基于结构空化效应的高效流体光整加工装置，包括工件加工池12、工件安装平台11、加工工具8、运动模块10、磨粒流循环池18、磨粒流过滤器22、载流体存储箱25、气泡发生器27、载流体管路1、磨粒流管路15、入水口自吸泵24、出水口自吸泵26和磨粒流自吸泵16，待加工工件9安装在工件安装平台11上，所述工件安装平台11固定在所述工件加工池12上方；所述运动模块10安装在所述工件加工池12的上方，运动模块10连接所述加工工具8并驱动所述加工工具8的周期性自转以及沿待加工工件9表面进行沿x轴和y轴的平移运动；所述加工工具8包括上封盖82和工具本体83，所述工具本体83的下表面与待加工工件9之间形成微距间隙，所述上封盖82与工具本体83固定连接，上封盖82上设置有多个载流体入口821，所述工具本体83为圆盘形结构，工具本体83的周向开设有多个磨粒流入口831，所述工具本体内设置有文丘里管结构，所述文丘里管结构为设置在工具本体83内并沿工具本体的周向方向均布的多个文丘里管空化单元835，每个文丘里管空化单元835均包括入水槽832、出水槽834和多个节流孔833，所述入水槽832设置在所述工具本体83的上表面，所述入水槽832与上封盖82上的载流体入口821连通，所述入水槽832从内向外呈弧线形布置，所述出水槽834与所述入水槽832一一对应，出水槽834的槽宽小于所述入水槽832的槽宽，所述出水槽834沿着与入水槽832相同的方向呈弧线形布置，出水槽834与入水槽832之间通过设置在入水槽832底部的多个节流孔833连通；所述磨粒流加工池安装在磨粒流循环池18的正上方，所述工件加工池12底部设置有磨粒流回流孔，磨粒流加工完成后经磨粒流回流孔流入磨粒流循环池18内；所述磨粒流循环池18连接磨粒流管路15的一端，磨粒流管路15的另一端连接磨粒流入口831，所述磨粒流管路15上设置有用于将磨粒流循环池18内的液固二相磨粒流注入所述磨粒流入口831中的磨粒流自吸泵16；所述磨粒流循环池18通过载流体管路1依次连接磨粒流过滤器22、入水口自吸泵24、载流体存储箱25、出水口自吸泵26和加工工具8的载流体入口821，所述载流体存储箱25连接用于向所述载流体存储箱25内通入气体的气泡发生器27。

作为本实用新型的最优选择，所述节流孔833的长度和孔径之间的比值在3-4之间，且所述节流孔833均布在所述入水槽832的底部。

所述磨粒流自吸泵16与磨粒流循环池18之间的磨粒流管路15上设置有第一温度计13、第一流量计14和第一流量控制阀17，每个磨粒流入口831和载流体入口821均连接压力表，所述出水口自吸泵26与所述加工工具8之间的载流体管路1上设置有第二温度计4、第二流量计3和第二流量控制阀2，所述入水口自吸泵24和所述磨粒流过滤器之间的载流体管路上设置有第三流量控制阀23。

作为本实用新型的最优选择，所述载流体入口821、磨粒流入口831、文丘里管空化单元835的最优数量为三个。与之对应的，三个载流体入口821分别对应第一压力表5、第二压力表6和第三压力表7三个压力表，三个磨粒流入口831分别对应第四压力表19、第五压力表20和第六压力表30三个压力表，每个压力表用于检测对应载流体入口或磨粒流入口处的压力。

本实用新型所述采用的加工方法如下:

一种基于结构空化效应的高效流体光整加工方法，将文丘里管空化效应引入到流体光整加工中，通过在加工工具8上设置文丘里管结构，在加工工具8和待加工工件9之间形成的有效抛光区域内形成强烈的气泡空化作用，利用气泡空化作用驱动形成有效抛光区内的液固两相磨粒流高速湍流涡旋，实现磨粒对待加工工件9表面的加工，具体包括如下步骤：首先，按照需要的比例在磨粒流循环池18内调配好液固两相磨粒流，并将调配好的液固两相磨粒流注入载流体存储箱25中，利用气泡发生器27向载流体存储箱25中注入气体形成固液气三相磨粒流，并将固液气三相磨粒流通过多个磨粒流入口831通入到加工工具8的磨粒流入口831中，固液气三相磨粒流流入有效抛光区域内形成高速运动的固液气三相磨粒流以加工待加工工件9的表面；同时，磨粒流循环池18内的部分液固两相磨粒流经过磨粒流过滤器22过滤得到磨粒载流体，将磨粒载流体通入加工工具8的载流体入口821中，并经过载流体入口821流体加工工具8的文丘里管结构进入有效抛光区域内，通过文丘里管结构在有效抛光区域内形成强烈的气泡空化作用，扰乱原有高速运动的固液气三相磨粒流内磨粒的运动，促使磨粒以高速和随机的方式加工工件表面；在此过程中，利用运动模块10带动加工工具8做周期性自转和纵横向的平移运动，直至完成整个待加工工件9表面的加工。

本实用新型中液固两相磨粒流的磨粒比例并非是固定的，不同的待加工工件9在加工时需要的液固两相磨粒流的磨粒比例是不一样的，根据待加工工件9的实际需要来设定液固两相磨粒流中的磨粒比例。

在本实用新型中，文丘里管空化效应通过磨粒载流体流经文丘里管结构实现，通过向载流体存储箱25中注入气体的效率调控文丘里管空化效应的强弱，调节文丘里管空化效应强弱的目的在于适用于不同种类的待加工工件9的加工。

在本实用新型中，文丘里管结构满足固液气三相磨粒流流经文丘里管结构时固液气三相磨粒流的最小压强低于固液气三相磨粒流的饱和蒸气压。为了确保上述内容，文丘里管结构必须经过计算流体力学软件验证。

在本实用新型中，所述液固二相磨粒流为低粘度流体，容易实现空化效应。

在本实用新型中，所述运动模块10带动加工工具8以周期性自转和纵横向的平移运动两种方式交替运动，即运动模块10首先以角度θ做周期性自转加工，在完成360度自转后平移距离s，开始新一轮的自转，完成360度自转后再次平移距离s，循环此过程，直至加工完整个待加工工件9的表面。运动模块10包括驱动加工工具8周期性自转的转动模块和用于带动整个转动模块进行纵横向的平移运动的平移模块组成，二者受到控制器控制进行交替运动。

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，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，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于结构空化效应的高效流体光整加工装置，其特征在于：包括工件加工池(12)、工件安装平台(11)、加工工具(8)、运动模块(10)、磨粒流循环池(18)、磨粒流过滤器(22)、载流体存储箱(25)、气泡发生器(27)、载流体管路(1)、磨粒流管路(15)、入水口自吸泵(24)、出水口自吸泵(26)和磨粒流自吸泵(16)，待加工工件(9)安装在工件安装平台(11)上，所述工件安装平台(11)固定在所述工件加工池(12)上方；所述运动模块(10)安装在所述工件加工池(12)的上方，运动模块(10)连接所述加工工具(8)并驱动所述加工工具(8)的周期性自转以及沿待加工工件(9)表面进行沿x轴和y轴的平移运动；所述加工工具(8)包括上封盖(82)和工具本体(83)，所述工具本体(83)的下表面与待加工工件(9)之间形成微距间隙，所述上封盖(82)与工具本体(83)固定连接，上封盖(82)上设置有多个载流体入口(821)，所述工具本体(83)为圆盘形结构，工具本体(83)的周向开设有多个磨粒流入口(831)，所述工具本体内设置有文丘里管结构，所述文丘里管结构为设置在工具本体(83)内并沿工具本体的周向方向均布的多个文丘里管空化单元(835)，每个文丘里管空化单元(835)均包括入水槽(832)、出水槽(834)和多个节流孔(833)，所述入水槽(832)设置在所述工具本体(83)的上表面，所述入水槽(832)与上封盖(82)上的载流体入口(821)连通，所述入水槽(832)从内向外呈弧线形布置，所述出水槽(834)与所述入水槽(832)一一对应，出水槽(834)的槽宽小于所述入水槽(832)的槽宽，所述出水槽(834)沿着与入水槽(832)相同的方向呈弧线形布置，出水槽(834)与入水槽(832)之间通过设置在入水槽(832)底部的多个节流孔(833)连通；所述磨粒流加工池安装在磨粒流循环池(18)的正上方，所述工件加工池(12)底部设置有磨粒流回流孔，磨粒流加工完成后经磨粒流回流孔流入磨粒流循环池(18)内；所述磨粒流循环池(18)连接磨粒流管路(15)的一端，磨粒流管路(15)的另一端连接磨粒流入口(831)，所述磨粒流管路(15)上设置有用于将磨粒流循环池(18)内的液固二相磨粒流注入所述磨粒流入口(831)中的磨粒流自吸泵(16)；所述磨粒流循环池(18)通过载流体管路(1)依次连接磨粒流过滤器(22)、入水口自吸泵(24)、载流体存储箱(25)、出水口自吸泵(26)和加工工具(8)的载流体入口(821)，所述载流体存储箱(25)连接用于向所述载流体存储箱(25)内通入气体的气泡发生器(27)。

2.根据权利要求1所述的一种基于结构空化效应的高效流体光整加工装置，其特征在于：所述节流孔(833)的长度和孔径之间的比值在3-4之间。

3.根据权利要求1所述的一种基于结构空化效应的高效流体光整加工装置，其特征在于：所述磨粒流自吸泵(16)与磨粒流循环池(18)之间的磨粒流管路(15)上设置有第一温度计(13)、第一流量计(14)和第一流量控制阀(17)，每个磨粒流入口(831)和载流体入口(821)均连接压力表，所述出水口自吸泵(26)与所述加工工具(8)之间的载流体管路(1)上设置有第二温度计(4)、第二流量计(3)和第二流量控制阀(2)，所述入水口自吸泵(24)和所述磨粒流过滤器之间的载流体管路上设置有第三流量控制阀(23)。

4.根据权利要求1所述的一种基于结构空化效应的高效流体光整加工装置，其特征在于：所述载流体入口(821)、磨粒流入口(831)、文丘里管空化单元(835)的数量为三个。

5.根据权利要求1所述的一种基于结构空化效应的高效流体光整加工装置，其特征在于：所述节流孔(833)均布在所述入水槽(832)的底部。