CN215148176U - 一种超声振动调制脉冲磨粒微射流抛光系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声振动调制脉冲磨粒微射流抛光系统，包括磨料混合装置、磨料传送装置、综合控制柜、脉冲射流抛光工具、角度调节装置、工件旋转装置、三轴移动模块、加工池、机架、废料回收装置、气体注入装置。本发明利用超声调制原理形成脉冲射流，借助流体脉冲产生的水锤效应提高射流抛光效率；并通过调节变幅杆末端与喷嘴内腔出口之间的距离，主动控制脉冲射流强度的大小；通过监测磨粒流的浓度和黏度，实现磨粒流组分的稳定性；通过环形阵列传感器实时监测脉冲射流强度；通过掺气减蚀原理避免空蚀；利用三轴运动模块与工件旋转装置的协同运动，实现复杂弯曲流道的全覆盖精密抛光。

Description

一种超声振动调制脉冲磨粒微射流抛光系统

技术领域

本发明涉及超精密抛光加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种超声振动调制脉冲磨粒微射流抛光系统。

背景技术

以玻璃基材制作的微流控芯片被广泛应用于生物质检等领域中。微流道是微流控芯片实现流体输运和检测分析的主要场所，微流道内壁面的光滑程度直接决定了微流控芯片的生物化学分析精度以及稳定性等。但是采用玻璃基材制作的微流道结构，除了具有硬脆性材料的难加工特征外，还具有流道深宽比较高、明显的非连续面形特征、同一芯片流道复杂弯曲三方面加工难点。

从对微流控芯片流道抛光的要求来看，射流抛光使用柔性非常好的流体驱动微细磨粒对工件表面加工，可以有效避免加工层变质和亚表面损伤。但传统射流抛光方法在对微流控芯片流道抛光时，抛光效率较低且射流强度也较弱。将超声振动调制原理引入到射流中可有效提高射流强度。超声振动调制是指通过超声换能器发射超声波，并通过变幅杆将声波聚焦在喷嘴内部流体，驱动流体发生周期性振动，进而迫使从喷嘴射出的微射流发生非连续脉冲变化。呈脉冲变化的非连续射流冲击壁面时可形成水锤效应，借助水锤效应可有效提高射流打击力度。

由于超声振动调制增强方法无污染，射流打击力强等特点，使其成为近年来提高压射流冲蚀、破碎能力的热门方法之一，但是，目前的超声调制脉冲装置还无法用于微流道结构抛光。比如专利号为CN20141069807040.7的发明专利提出了一种钕铁硼永磁合金粉末的制备方法，该发明通过大功率超声波脉冲射流的水锤作用、水楔-拉伸作用、空化作用、摩擦剪切作用以及颗粒之间的强烈冲击碰撞迫使钕铁硼颗粒物料破碎，最终制备适宜粒度的钕铁硼合金粉末。但是，该方法只适用于大工业生产，提高对物料颗粒破碎的打击力，提高粉碎效果和效率，其使用的高强度脉冲射流及装置都无法应用于各类复杂曲面微流控芯片表面流道的抛光；而目前热门的超声空化增强射流抛光的方法相较于超声调制脉冲射流抛光效率较低，且抛光时产生的空化气泡很容易对喷嘴内腔和流道壁面造成较为严重的空蚀破坏。CN2019103060203030.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，该发明结合超声波和声透镜的方式，产生聚点空化，有效提高了射流抛光效率。但是，相比于超声调制产生脉冲磨粒微射流的方法及其装置，该发明采用的声波振动产生空化方式，射流的强度低，且产生的大量空化气泡对喷嘴以及射流腔体的内壁都容易造成空化腐蚀，同样由于喷嘴孔径小，大量的空化气泡极易在抛光过程中堵塞喷孔。因此，研发一种可适用于微流道结构抛光的脉冲微射流抛光系统，是一件非常有实际意义的工作。

发明内容

本发明目的在于将超声振动调制脉冲射流的方法有效应用于微射流抛光中，提高射流的冲蚀力以及抛光效率，由此提出了一种超声振动调制脉冲磨粒微射流抛光系统，完成对微结构、复杂弯曲微流控芯片流道的高效全覆盖流体抛光。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种超声振动调制脉冲磨粒微射流抛光系统，包括磨料混合装置、磨料传送装置、综合控制柜、脉冲射流抛光工具、角度调节装置、工件旋转装置、三轴移动模块、加工池、机架、废料回收装置、气体注入装置；所述磨料混合装置通过磨粒流出口与所述磨料传送装置的磨粒流管路相连；所述磨料传送装置通过磨粒流输出管路连接至脉冲射流抛光工具的磨粒流注入口处；所述综合控制柜对整个系统的运作进行控制；所述脉冲射流抛光工具通过卡箍固定在角度调节装置的前端；所述角度调节装置固定于所述三轴移动模块中的模组上，角度调节装置及脉冲射流抛光工具可在三轴移动模块的带动下，沿x，y，z方向移动；所述工件旋转装置通过两端支撑杆安装于加工池内；所述三轴移动模块安装于机架上；所述加工池通过螺栓安装在机架内壁，位于三轴移动模块的下方；所述废料回收装置通过废料回收管以螺纹结构与加工池底部出口连接，用于收集废弃磨粒流；所述气体注入装置通过气体注入管连接至脉冲射流抛光工具的气体注入口。

所述磨料混合装置包括进水口、组合型搅拌桨叶、搅拌电机、搅拌机机架、磨粒流出口、磨料混合桶；所述进水口位于磨料混合桶左侧桶口处，可根据传感器反馈的磨料浓度和粘度数据实时调整流量；所述磨料混合桶安装在搅拌机机架中央，搅拌电机转轴通过旋转接头连接竖直设置的旋转主轴，并穿过磨料混合桶下方的洞口连接至桶内的组合型搅拌桨叶；所述组合型搅拌桨叶分为推进桨叶和二叶斜叶桨，推进桨叶安装在磨料混合桶底部，将底部磨料向上翻滚，上部二叶斜叶桨对罐体磨料循环进行剪切，形成强湍流扰动；所述磨粒流出口位于磨料混合桶的中部右侧壁，所述磨粒流出口与磨粒流管路连接。

所述的磨料传送装置包括磨粒流管路、自吸泵、过滤盘、流量开关、磨粒流压力表、电液伺服阀、磨粒流输出管路、超声液体粘度传感器、粒子浓度传感器，所述磨粒流管路安装于所述自吸泵入口处；所述自吸泵出口通过所述磨粒流输出管路依次连接过滤盘、流量开关、磨粒流压力表、电液伺服阀、超声液体粘度传感器以及粒子浓度传感器；所述超声液体粘度传感器、粒子浓度传感器用于实时监控磨粒流粘度和浓度的变化。

所述脉冲射流抛光工具包括超声换能器、变幅杆、法兰盘、法兰盘密封橡胶层、磨粒流注入口、密封橡胶圈、喷嘴、锥形腔体、气体注入口、射流套筒，所述超声换能器位于整个脉冲射流抛光工具的最上方；所述变幅杆顶端与超声换能器的底部连接，所述变幅杆的末端依次穿过射流套筒、锥形腔体伸入喷嘴内；所述变幅杆的中端法兰面通过法兰盘与所述射流套筒上端的法兰面进行夹紧装配；所述法兰盘与射流套筒上端法兰面之间设置有法兰盘密封橡胶层；所述磨粒流注入口与气体注入口倾斜布置在射流套筒的两侧，可避免直接冲击变幅杆；所述喷嘴安装在锥形腔体末端，其整体材料使用钨钢材料，内芯使用红宝石材料，其出口孔径根据实验数据总结，最优选择在0.1mm-0.5mm之间；所述锥形腔体通过上端面的外螺纹与所述射流套筒下端的内螺纹结构配合连接；所述锥形腔体内部流道结构呈倒锥形，其外部螺纹面末端设置有直角端面；所述射流套筒的末端面与锥形腔体外螺纹底部的直角端面之间设置有可调换厚度规格的密封橡胶圈，所述密封橡胶圈通过所述射流套筒与所述锥形腔体之间的螺纹旋紧，实现所述密封橡胶圈的密封作用；在不同抛光要求下，可通过更换密封橡胶圈厚度规格，实现在不改变微射流工艺参数的情况下，调整变幅杆末端与喷嘴内腔出口之间的距离，主动控制脉冲射流强度的大小。

所述角度调节装置包括卡箍、卡箍支撑板、角度调节板，所述角度调节板上下两端设置有同圆心的弧形活动槽，可调角度范围在0～60度。当需要调节射流角度时，将卡箍支撑板上下摆动到合适的角度，然后通过使用螺钉穿过弧形槽和卡箍支撑板上的螺孔将脉冲射流抛光工具锁定；所述卡箍内圈设置有隔振橡胶，用于保持脉冲射流抛光工具在工作时的稳定性。

所述工件旋转装置包括夹具、压力传感器、竖直伺服电机、防水隔离箱、两端支撑杆，所述防水隔离箱通过所述两端支撑杆安装在加工池内壁上；所述竖直伺服电机安装于防水隔离箱底部；所述竖直伺服电机的转轴通过连接头与所述夹具连接，控制夹具的周期性自转；所述夹具内部沿圆周方向阵列布置多个压力传感器，用于实时监测脉冲射流强度变化，保证抛光强度的稳定性。

所述三轴移动模块包括导轨、线性滑块垫板、模组固定板、Y轴模组、Z轴模组、水平横向移动底板、X轴模组、水平移动底板，所述导轨安装在机架的左侧，导轨的上端安装有线性滑块垫板；所述X轴模组上端面安装有水平横向移动底板，所述水平移动底板与机架右侧连接，所述线性滑块垫板的上端面与所述水平横向移动底板的上端面通过所述模组固定板以螺丝连接；所述Y轴模组安装在模组固定板的前端面，所述Z轴模组安装在Y轴模组的前端面，整体可实现x，y，z方向的移动。

所述废料回收装置包括磨粒流废料管路、废料回收箱，所述磨粒流废料管路的一端与加工池底部出口相连；所述磨粒流废料管路另一端与废料回收箱入口连接。

所述气体注入装置包括气泵、气体开关、气体压力计、比例阀、气体注入管，所述气体注入管的一端连接气泵的出气端，气体注入管的另一端连接脉冲射流抛光工具的气体注入口，按照气体的流动方向，气体注入管上依次设置有气体开关、气体压力计和比例阀，气泵产生的气体在气体注入管中依次经过气体开关、气体压力计和比例阀后进入脉冲射流抛光工具的锥形腔体中；所述气体注入装置将气体注入锥形腔体中，减轻或消除磨粒流中因超声振动产生的空化气泡对锥形腔体和喷嘴内腔道的空蚀破坏。

进一步的，所述压力传感器对射流冲击力实时监控，并将数据传回综合控制柜，在射流冲击力出现波动时，综合控制柜通过调整超声换能器的功率来控制变幅杆的振幅，使脉冲射流强度在整个抛光过程中保持相对稳定。

进一步的，所述超声液体粘度传感器、粒子浓度传感器对磨粒流的粘度和浓度实时监控，并将所得数据传回综合控制柜。当磨粒流浓度或粘度高于和低于预先设计的数值后，综合控制柜根据具体情况自动调整磨料混合桶上进水口的流量，实现系统对磨粒流混合质量的精确控制。

进一步的，三轴运动模块与工件旋转装置均由所述综合控制柜控制，可实现三轴运动模块与工件旋转装置的协同运动，完成对复杂弯曲流道的全覆盖精确抛光。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

1)本发明的组合搅拌桨叶分为推进桨叶和二叶斜叶桨，推进桨叶安装在磨料混合桶底部，将底部磨料向上翻滚，上部二叶斜叶桨对罐体磨料循环进行剪切，形成强湍流扰动。

2)本发明的磨料混合桶上方安装有进水口，可根据综合控制柜反馈的磨料浓度与粘度数据实时调整进水量。

3)本发明的超声液体粘度传感器、粒子浓度传感器对磨粒流粘度以及浓度实时监控，并将所得数据传回综合控制柜。当磨粒流粘度或浓度高于和低于预先设计的数值后，综合控制柜根据具体情况自动调整磨料混合桶上进水口流量，实现系统对磨粒流混合质量的精确控制。

4)本发明采用的掺气减蚀技术通过在射流套筒侧壁设置掺气口，将空气掺入磨粒混合流，改变来流运动特性，使之形成具有一定压缩的磨粒、水、气混合三相流，减轻或消除磨粒流中因超声振动产生的空化气泡对锥形腔体和喷嘴内腔道的空蚀破坏。

5)本发明的锥形腔体与螺母之间设置多种厚度规格的密封橡胶圈，通过调换密封橡胶圈厚度规格，实现在不改变微射流工艺参数的情况下，调整变幅杆末端与喷嘴内腔之间的距离，主动控制脉冲射流强度的大小。

6)本发明的角度调节装置与脉冲射流抛光工具进行耦合设计，合二为一，使整个抛光过程中射流束的角度调节控制更为灵活。

7)本发明的夹具中心夹层设置有圆周阵列排布的多个压力传感器，用于监测反馈脉冲射流的实时强度变化。当射流强度在所设定范围之外时，即时调整脉冲射流强度的大小。

8)本发明根据流道直径结合预先设计的脉冲射流强度和脉冲射流直径对流道进行分区域抛光，实现在三轴移动模块与工件旋转装置的配合下，完成对微结构、复杂曲面微流控芯片流道的高效全覆盖流体抛光。

9)本发明的压力传感器对射流冲击力实时监控，并将数据传回综合控制柜，在射流冲击力出现波动时，综合控制柜通过调整超声换能器的功率来控制变幅杆的振幅，使脉冲射流强度在整个抛光过程中保持相对稳定。

附图说明

图1是本发明一种超声振动调制脉冲磨粒微射流抛光装置的示意图。

图2是本发明磨料混合装置结构图。

图3是本发明磨料传输装置结构示意图。

图4是本发明脉冲射流抛光工具示意图。

图5是本发明脉冲射流抛光工具剖面结构示意图。

图6是本发明角度调节装置结构示意图。

图7是本发明工件旋转装置结构示意图。

图8是本发明压力传感器圆周阵列排布图。

图9是本发明三轴移动模块结构示意图。

图10是本发明废料回收装置结构示意图。

图11是本发明气体注入装置是示意图。

图12是本发明流道分区域示意图。

图13是本发明微流控芯片流道表面分区域抛光示意图。

图14是本发明曲形流道旋转示意图。

图中，01-磨料混合装置、02-磨料传送装置、03-综合控制柜、04-脉冲射流抛光工具、05-角度调节装置、06-工件旋转装置、07-三轴移动模块、08-加工池、09- 机架、10-废料回收装置、11-气体注入装置、0101-进水口、0102-组合型搅拌桨叶、 0103-搅拌电机、0104-搅拌机机架、0105-磨粒流出口、0106-磨料混合桶、0201- 磨粒流管路、0202-自吸泵、0203-过滤盘、0204-流量开关、0205-磨粒流压力表、 0206-电液伺服阀、0207-磨粒流输出管路、0208-超声液体粘度传感器、0209-粒子浓度传感器、0401-超声换能器、0402-变幅杆、0403-法兰盘、0404-法兰盘橡胶密封层、0405-磨粒流注入口、0406-密封橡胶圈、0407-喷嘴、0408-锥形腔体、0409- 气体注入口、0411-射流套筒、0501-卡箍、0502-卡箍支撑板、0503-角度调节板、 0601-夹具、0602-压力传感器、0603-竖直伺服电机、0604-防水隔离箱、0701-导轨、0702-线性滑块垫板、0703-模组固定板、0704-Y轴模组、0705-Z轴模组、0706-水平横向移动底板、0707-X轴模组、0708水平移动底板、1001-磨粒流废料管路、1002-废料回收箱、1101-气泵、1102-气体开关、1103-气体压力计、1104- 比例阀、1105-气体注入管。

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1～14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1～14所示，本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种超声振动调制脉冲磨粒微射流抛光系统，包括磨料混合装置01、磨料传送装置02、综合控制柜03、脉冲射流抛光工具04、角度调节装置05、工件旋转装置06、三轴移动模块07、加工池08、机架09、废料回收装置10、气体注入装置11；所述磨料混合装置01通过磨粒流出口0105与所述磨料传送装置02的磨粒流管路0201相连；所述磨料传送装置02通过磨粒流输出管路0207连接至脉冲射流抛光工具 04的磨粒流注入口0405处；所述综合控制柜03对整个系统的运作进行控制；所述脉冲射流抛光工具04通过卡箍0501固定在角度调节装置05的前端；所述角度调节装置05固定于所述三轴移动模块07中的模组上，角度调节装置05及脉冲射流抛光工具04可在三轴移动模块07的带动下，沿x，y，z方向移动；所述工件旋转装置06通过两端支撑杆0605安装于加工池08内；所述三轴移动模块07安装于机架09上；所述加工池08通过螺栓固定在机架09内壁，位于三轴移动模块07的下方；所述废料回收装置10通过磨粒流废料管路1001以螺纹结构与加工池08底部出口连接，用于收集废弃磨粒流；所述气体注入装置11通过气体注入管1105连接至脉冲射流抛光工具04的气体注入口0409。

如图2所示，所述磨料混合装置01包括进水口0101、组合型搅拌桨叶0102、搅拌电机0103、搅拌机机架0104、磨粒流出口0105、磨料混合桶0106；所述进水口0101位于磨料混合桶0106左侧桶口处，可根据传感器反馈的磨料浓度和粘度数据实时调整流量；所述磨料混合桶0106安装在搅拌机机架0104中央，搅拌电机0103转轴通过旋转接头连接竖直设置的旋转主轴，并穿过磨料混合桶0106 下方的洞口连接至桶内的组合型搅拌桨叶0102；所述组合型搅拌桨叶0102分为推进桨叶和二叶斜叶桨，推进桨叶安装在磨料混合桶0106底部，将底部磨料向上翻滚，上部二叶斜叶桨对罐体磨料循环进行剪切，形成强湍流扰动；所述磨粒流出口0105位于磨料混合桶0106的中部右侧壁，所述磨粒流出口0105与磨粒流管路0201连接。

如图3所示，所述的磨料传送装置02包括磨粒流管路0201、自吸泵0202、过滤盘0203、流量开关0204、磨粒流压力表0205、电液伺服阀0206、磨粒流输出管路0207、超声液体粘度传感器0208、粒子浓度传感器0209，所述磨粒流管路0201安装于所述自吸泵0202入口处；所述自吸泵0202出口通过所述磨粒流输出管路0207依次连接过滤盘0203、流量开关0204、磨粒流压力表0205、电液伺服阀0206、超声液体粘度传感器0208以及粒子浓度传感器0209；所述超声液体粘度传感器0208、粒子浓度传感器0209用于实时监控磨粒流粘度和浓度的变化。

如图4和图5所示，所述脉冲射流抛光工具04包括超声换能器0401、变幅杆0402、法兰盘0403、法兰盘密封橡胶层0404、磨粒流注入口0405、密封橡胶圈0406、喷嘴0407、锥形腔体0408、气体注入口0409、射流套筒0411，所述超声换能器0401位于整个脉冲射流抛光工具04的最上方；所述变幅杆0402顶端与超声换能器0401的底部连接，所述变幅杆0402的末端依次穿过射流套筒(0411、锥形腔体0408伸入喷嘴0407内；所述变幅杆0402的中端法兰面通过法兰盘 0403与所述射流套筒0411上端的法兰面进行夹紧装配；所述法兰盘0403与射流套筒0411上端法兰面之间设置有法兰盘密封橡胶层0404；所述磨粒流注入口 0405与气体注入口0409倾斜布置在射流套筒0411的两侧，可避免直接冲击变幅杆0402；所述喷嘴0407安装在锥形腔体0408末端，其整体材料使用钨钢材料，内芯使用红宝石材料，其出口孔径根据实验数据总结，最优选择在0.1mm- 0.5mm之间；所述锥形腔体0408通过上端面的外螺纹与所述射流套筒0411下端的内螺纹结构配合连接；所述锥形腔体0408内部流道结构呈倒锥形，其外部螺纹面末端设置有直角端面；所述射流套筒0411的末端面与所述锥形腔体0408外螺纹底部的直角端面之间设置有可调换厚度规格的密封橡胶圈0406，所述密封橡胶圈0406通过所述射流套筒0411与所述锥形腔体0408之间的螺纹旋紧，实现所述密封橡胶圈0406的密封作用；在不同抛光要求下，可通过更换密封橡胶圈0406厚度规格，实现在不改变微射流工艺参数的情况下，调整变幅杆0402末端与喷嘴(0407)内腔出口之间的距离，主动控制脉冲射流强度的大小。

如图6所示，所述角度调节装置05包括卡箍0501、卡箍支撑板0502、角度调节板0503，所述角度调节板0503上下两端设置有同圆心的弧形活动槽，可调角度范围在0～60度。当需要调节射流角度时，将卡箍支撑板0502上下摆动到合适的角度，然后通过使用螺钉穿过弧形槽和卡箍支撑板0502上的螺孔将脉冲射流抛光工具04锁定；所述卡箍0501内圈设置有隔振橡胶，用于保持脉冲射流抛光工具在工作时的稳定性。

如图7和图8所示，所述工件旋转装置06包括夹具0601、压力传感器0602、竖直伺服电机0603、防水隔离箱0604、两端支撑杆0605，所述防水隔离箱0604 通过所述两端支撑杆0605安装在加工池08内壁上；所述竖直伺服电机0603安装于防水隔离箱0604底部；所述竖直伺服电机0603的转轴通过连接头与所述夹具0601连接，控制夹具0601的周期性自转；所述夹具0601内部沿圆周方向阵列布置多个压力传感器0602，用于实时监测脉冲射流强度变化，保证抛光强度的稳定性。

如图9所示，所述三轴移动模块07包括导轨0701、线性滑块垫板0702、模组固定板0703、Y轴模组0704、Z轴模组0705、水平横向移动底板0706、X轴模组0707、水平移动底板0708，所述导轨0701安装在机架09的左侧，导轨0701 的上端安装有线性滑块垫板0702；所述X轴模组0707上端面安装有水平横向移动底板0706，所述水平移动底板0708与机架09右侧连接，所述线性滑块垫板 0702的上端面与所述水平横向移动底板0706的上端面通过所述模组固定板0703 以螺丝连接；所述Y轴模组0704安装在模组固定板0703的前端面，所述Z轴模组0705安装在Y轴模组0704的前端面，整体可实现x，y，z方向的移动。

如图10所示，所述废料回收装置10包括磨粒流废料管路1001、废料回收箱1002，所述磨粒流废料管路1001的一端与加工池08底部出口相连；所述磨粒流废料管路1001另一端与废料回收箱1002入口连接。

如图11所示，所述气体注入装置11包括气泵1101、气体开关1102、气体压力计1103、比例阀1104、气体注入管1105，所述气体注入管1105的一端连接气泵1101的出口，气体注入管1105的另一端连接脉冲射流抛光工具04的气体注入口0409，按照气体的流动方向，气体注入管1105上依次设置有气体开关 1102、气体压力计1103和比例阀1104，气泵1101产生的气体在气体注入管1105 中依次经过气体开关1102、气体压力计1103和比例阀1104后进入脉冲射流抛光工具04的锥形腔体0408中，掺入的气体可减轻或消除磨粒流中因超声振动产生的空化气泡对锥形腔体0408和喷嘴0407内壁面的空蚀破坏。

本发明中的压力传感器0602对射流冲击力实时监控，并将数据传回综合控制柜03，在射流冲击力出现波动时，综合控制柜03通过调整超声换能器0401的功率来控制变幅杆0402的振幅，使脉冲射流强度在整个抛光过程中保持相对稳定。

本发明中的超声液体粘度传感器0208、粒子浓度传感器0209对磨粒流的粘度和浓度实时监控，并将所得数据传回综合控制柜03。当磨粒流浓度或粘度高于和低于预先设计的数值后，综合控制柜03根据具体情况自动调整磨料混合桶 0106上进水口0101的流量，实现系统对磨粒流混合质量的精确控制。

本发明的三轴运动模块07与工件旋转装置06均有所述综合控制柜03控制，可实现三轴运动模块07与工件旋转装置06的协同运动，完成对复杂弯曲流道的全覆盖精确抛光。

优选实施方案：

开始加工后，首先在磨料混合装置01内调配磨粒流，混合均匀后，自吸泵 0202从磨料混合桶0106中层抽取磨粒流，磨粒流通过自吸泵0202的过滤盘0203 过滤，并在超声液体粘度传感器0208以及粒子浓度传感器0209的监测下经磨粒流注入口0405注入射流套筒0411。在注入一定量磨粒流之后，综合控制柜03中的超声发生器启动，把电能转换成与超声换能器0401相匹配的高频交流电信号，驱动超声换能器0401工作发射超声波，再经过变幅杆0402聚焦超声波能量，在喷嘴0407内部产生高密度的声场作用于喷嘴0407内部流体而使其产生强迫振动，并通过喷嘴0407把正弦声频压力传递给流体，使其在喷出之前产生压力的周期性变化，这样射流的出口速度也就有周期性变化，从而对流体流动产生调制作用，形成脉冲射流。同时，为避免超声振动产生的大量空化气泡对锥形腔体 0408和喷嘴0407内壁面的腐蚀，气泵1101通过射流套筒0411右侧壁的气体注入口0409将空气掺入磨粒流，改变来流运动特性，使之形成具有一定压缩的磨粒、水、气混合三相流，减轻或消除磨粒流中因超声振动产生的空化气泡对锥形腔体0408和喷嘴0407内腔壁面的空蚀破坏。在射流束到达工件后，夹具0601 中按圆周阵列排布的压力传感器0602实时收集射流束的冲击力数据，当射流束的冲击力强度超出或小于预设强度范围值时，综合控制柜03立刻根据脉冲射流冲击力的变化情况调整超声发生器的功率，改变超声换能器0401的超声波发射频率，使脉冲射流强度在整个抛光过程中保持相对稳定。

在具体抛光工序中，首先根据工件材料以及微流道总宽度确定好喷嘴0407 孔径，调整好射流束角度。之后，如图12所示，为保护流道边缘结构，避免其被过高的脉冲射流破坏，同时提高中部流道的抛光效率，将待抛光流道表面均匀划分成①、②、③三个区域，并根据不同区域设置不同的脉冲射流强度，包含流道边缘的区域设置较小的脉冲射流强度A1、A3，流道中间设置较强的脉冲射流强度A2，即A1＝A3<A2。抛光开始后，如图13所示，脉冲射流按预先设计的速度和角度持续向前，对区域①以脉冲射流强度A1进行抛光加工，在对区域①抛光完成后，脉冲射流抛光工具04向右平移a并对区域②以脉冲射流强度A2进行相同工序的反向加工，在区域②加工完成后，脉冲射流抛光工具04继续向右平移b,对区域③以脉冲射流强度A3进行抛光加工。在上述抛光过程中，遇到弯曲形流道时，如图14所示，根据流道弯曲状况，工件通过工件旋转装置06进行自转，使脉冲射流始终和流道保持相对平行，同时射流保持匀速向前。

上述实施方案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 (8)

1.一种超声振动调制脉冲磨粒微射流抛光系统，其特征在于：包括磨料混合装置(01)、磨料传送装置(02)、综合控制柜(03)、脉冲射流抛光工具(04)、角度调节装置(05)、工件旋转装置(06)、三轴移动模块(07)、加工池(08)、机架(09)、废料回收装置(10)、气体注入装置(11)；所述磨料混合装置(01)通过磨粒流出口(0105)与所述磨料传送装置(02)的磨粒流管路(0201)相连；所述磨料传送装置(02)通过磨粒流输出管路(0207)连接至脉冲射流抛光工具(04)的磨粒流注入口(0405)处；所述综合控制柜(03)对整个系统的运作进行控制；所述脉冲射流抛光工具(04)通过卡箍(0501)固定在角度调节装置(05)的前端；所述角度调节装置(05)固定于所述三轴移动模块(07)中的模组上，角度调节装置(05)及脉冲射流抛光工具(04)可在三轴移动模块(07)的带动下，沿x，y，z方向移动；所述工件旋转装置(06)通过两端支撑杆(0605)安装于加工池(08)内；所述三轴移动模块(07)安装于机架(09)上；所述加工池(08)通过螺栓固定在机架(09)内壁，位于三轴移动模块(07)的下方；所述废料回收装置(10)通过磨粒流废料管路(1001)以螺纹结构与加工池(08)底部出口连接，用于收集废弃磨粒流；所述气体注入装置(11)通过气体注入管(1105)连接至脉冲射流抛光工具(04)的气体注入口(0409)；

所述磨料混合装置(01)包括进水口(0101)、组合型搅拌桨叶(0102)、搅拌电机(0103)、搅拌机机架(0104)、磨粒流出口(0105)、磨料混合桶(0106)；所述进水口(0101)位于磨料混合桶(0106)左侧桶口处，可根据传感器反馈的磨料浓度和粘度数据实时调整流量；所述磨料混合桶(0106)安装在搅拌机机架(0104)中央，搅拌电机(0103)转轴通过旋转接头连接竖直设置的旋转主轴，并穿过磨料混合桶(0106)下方的洞口连接至桶内的组合型搅拌桨叶(0102)；所述组合型搅拌桨叶(0102)分为推进桨叶和二叶斜叶桨，推进桨叶安装在磨料混合桶(0106)底部，将底部磨料向上翻滚，上部二叶斜叶桨对罐体磨料循环进行剪切，形成强湍流扰动；所述磨粒流出口(0105)位于磨料混合桶(0106)的中部右侧壁，所述磨粒流出口(0105)与磨粒流管路(0201)连接；

所述磨料传送装置(02)包括磨粒流管路(0201)、自吸泵(0202)、过滤盘(0203)、流量开关(0204)、磨粒流压力表(0205)、电液伺服阀(0206)、磨粒流输出管路(0207)、超声液体粘度传感器(0208)、粒子浓度传感器(0209)，所述磨粒流管路(0201)安装与所述自吸泵(0202)入口处；所述自吸泵(0202)出口通过所述磨粒流输出管路(0207)依次连接过滤盘(0203)、流量开关(0204)、磨粒流压力表(0205)、电液伺服阀(0206)、超声液体粘度传感器(0208)以及粒子浓度传感器(0209)；所述超声液体粘度传感器(0208)、粒子浓度传感器(0209)用于实时监控磨粒流粘度和浓度的变化；

所述脉冲射流抛光工具(04)包括超声换能器(0401)、变幅杆(0402)、法兰盘(0403)、法兰盘密封橡胶层(0404)、磨粒流注入口(0405)、密封橡胶圈(0406)、喷嘴(0407)、锥形腔体(0408)、气体注入口(0409)、射流套筒(0411)，所述超声换能器(0401)位于整个脉冲射流抛光工具(04)的最上方；所述变幅杆(0402)顶端与超声换能器(0401)的底部连接，所述变幅杆(0402)的末端依次穿过射流套筒(0411)、锥形腔体(0408)伸入喷嘴(0407)内；所述变幅杆(0402)的中端法兰面通过法兰盘(0403)与所述射流套筒(0411)上端的法兰面进行夹紧装配；所述法兰盘(0403)与射流套筒(0411)上端法兰面之间设置有法兰盘密封橡胶层(0404)；所述磨粒流注入口(0405)与气体注入口(0409)倾斜布置在射流套筒(0411)的两侧，可避免直接冲击变幅杆(0402)；所述喷嘴(0407)安装在锥形腔体(0408)末端，其整体材料使用钨钢材料，内芯使用红宝石材料，其出口孔径根据实验数据总结，最优选择在0.1mm-0.5mm之间；所述锥形腔体(0408)通过上端面的外螺纹与所述射流套筒(0411)下端的内螺纹结构配合连接；所述锥形腔体(0408)内部流道结构呈倒锥形，其外部螺纹面末端设置有直角端面；所述射流套筒(0411)的末端面与所述锥形腔体(0408)外螺纹底部的直角端面之间设置有可调换厚度规格的密封橡胶圈(0406)，所述密封橡胶圈(0406)通过所述射流套筒(0411)与所述锥形腔体(0408)之间的螺纹旋紧，实现所述密封橡胶圈(0406)的密封作用；在不同抛光要求下，可通过更换密封橡胶圈(0406)厚度规格，实现在不改变微射流工艺参数的情况下，调整变幅杆(0402)末端与喷嘴(0407)内腔出口之间的距离，主动控制脉冲射流强度的大小；

所述角度调节装置(05)包括卡箍(0501)、卡箍支撑板(0502)、角度调节板(0503)，所述角度调节板(0503)上下两端设置有同圆心的弧形活动槽，可调角度范围在0～60度，当需要调节射流角度时，将卡箍支撑板(0502)上下摆动到合适的角度，然后通过使用螺钉穿过弧形槽和卡箍支撑板(0502)上的螺孔将脉冲射流抛光工具(04)锁定；所述卡箍(0501)内圈设置有隔振橡胶，用于保持脉冲射流抛光工具在工作时的稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种超声振动调制脉冲磨粒微射流抛光系统，其特征在于：所述工件旋转装置(06)包括夹具(0601)、压力传感器(0602)、竖直伺服电机(0603)、防水隔离箱(0604)、两端支撑杆(0605)，所述防水隔离箱(0604)通过所述两端支撑杆(0605)安装在加工池(08)内壁上；所述竖直伺服电机(0603)安装于防水隔离箱(0604)底部；所述竖直伺服电机(0603)的转轴通过连接头与所述夹具(0601)连接，控制夹具(0601)的周期性自转；所述夹具(0601)内部沿圆周方向阵列布置多个压力传感器(0602)，用于实时监测脉冲射流强度变化，保证抛光强度的稳定性。

3.根据权利要求1所述的一种超声振动调制脉冲磨粒微射流抛光系统，其特征在于：所述三轴移动模块(07)包括导轨(0701)、线性滑块垫板(0702)、模组固定板(0703)、Y轴模组(0704)、Z轴模组(0705)、水平横向移动底板(0706)、X轴模组(0707)、水平移动底板(0708)，所述导轨(0701)安装在机架(09)的左侧，导轨(0701)的上端安装有线性滑块垫板(0702)；所述X轴模组(0707)上端面安装有水平横向移动底板(0706)，所述水平移动底板(0708)与机架(09)右侧连接，所述线性滑块垫板(0702)的上端面与所述水平横向移动底板(0706)的上端面通过所述模组固定板(0703)以螺丝连接；所述Y轴模组(0704)安装在模组固定板(0703)的前端面，所述Z轴模组(0705)安装在Y轴模组(0704)的前端面，整体可实现x，y，z方向的移动。

4.根据权利要求1所述的一种超声振动调制脉冲磨粒微射流抛光系统，其特征在于：所述废料回收装置(10)包括磨粒流废料管路(1001)、废料回收箱(1002)，所述磨粒流废料管路(1001)的一端与加工池(08)底部出口相连；所述磨粒流废料管路(1001)另一端与废料回收箱(1002)入口连接。

5.根据权利要求1所述的一种超声振动调制脉冲磨粒微射流抛光系统，其特征在于：所述气体注入装置(11)包括气泵(1101)、气体开关(1102)、气体压力计(1103)、比例阀(1104)、气体注入管(1105)，所述气体注入管(1105)的一端连接气泵(1101)的出口，气体注入管(1105)的另一端连接脉冲射流抛光工具(04)的气体注入口(0409)，按照气体的流动方向，气体注入管(1105)上依次设置有气体开关(1102)、气体压力计(1103)和比例阀(1104)，气泵(1101)产生的气体在气体注入管(1105)中依次经过气体开关(1102)、气体压力计(1103)和比例阀(1104)后进入脉冲射流抛光工具(04)的锥形腔体(0408)中，掺入的气体可减轻或消除磨粒流中因超声振动产生的空化气泡对锥形腔体(0408)和喷嘴(0407)内壁面的空蚀破坏。

6.根据权利要求1所述的一种超声振动调制脉冲磨粒微射流抛光系统，其特征在于：所述三轴运动模块(07)与工件旋转装置(06)均由所述综合控制柜(03)控制，可实现三轴运动模块(07)与工件旋转装置(06)的协同运动，完成对复杂弯曲流道的全覆盖精确抛光。

7.根据权利要求1所述的一种超声振动调制脉冲磨粒微射流抛光系统，其特征在于：所述超声液体粘度传感器(0208)、粒子浓度传感器(0209)对磨粒流的粘度和浓度实时监控，并将所得数据传回综合控制柜(03)；当磨粒流浓度或粘度高于和低于预先设计的数值后，综合控制柜(03)根据具体情况自动调整磨料混合桶(0106)上进水口(0101)的流量，实现系统对磨粒流混合质量的精确控制。

8.根据权利要求2所述的一种超声振动调制脉冲磨粒微射流抛光系统，其特征在于：所述压力传感器(0602)对射流冲击力实时监控，并将数据传回综合控制柜(03)，在射流冲击力出现波动时，综合控制柜(03)通过调整超声换能器(0401)的功率来控制变幅杆(0402)的振幅，使脉冲射流强度在整个抛光过程中保持相对稳定。

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