[发明专利]一种基于相控空化效应的磨粒微射流抛光方法及抛光装置

说明书

本发明公开了一种基于相控空化效应的磨粒微射流抛光方法，该方法将相控声波聚焦原理引入到磨粒微射流抛光领域，通过调节声波发射频率和功率、激励脉冲相位延迟时间，可实现在不改变喷嘴距离工件表面高度以及微射流流速等工艺参数的情况下，对空泡尺度、空化强度以及空泡群溃灭冲击区域位置的单独控制。本发明还提供了一种基于相控空化效应的磨粒微射流抛光装置，该装置采用锥形射流腔体对空化发生装置与射流装置进行耦合设计，可在机械手或六自由度移动平台的驱动下，完成微结构、复杂曲面零件的抛光。相比于其他空化辅助流体抛光方法，本发明可实现以单一变量控制的方式灵活调控空泡溃灭对磨粒‑壁面冲击动能的增强程度，避免发生空蚀破坏，保证工件表面空化冲击的均匀性。

技术领域

本发明涉及磨粒微射流抛光加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种基于相控空化效应的磨粒微射流抛光方法及抛光装置。

背景技术

在电子信息、生物工程、国防航空等领域，存在一类结构微小、型面复杂的金属零部件，在使用过程中要求其具有较高的表面质量。流体抛光方法采用柔性较好的流体作为磨粒驱动介质，可有效避免由于磨粒的硬性压入而造成工件损伤，逐渐被应用于各类复杂曲面零件的抛光。但是，受到流体介质驱动力的影响，流体抛光方法效率低下，限制了其在产业中的实际应用。

在流体中引入空化效应，借助空泡溃灭产生的能量提高抛光效率，是流体抛光方法发展的一个主要趋势。在该类方法中，空化强度决定了空泡溃灭对磨粒-壁面冲击动能的增强效果：空化强度越高，增强效果越明显，但越容易发生空蚀破坏；空化强度不足，则无法明显提升抛光效率。空泡群溃灭冲击区域位置则决定了有效增强区域的位置，对于具有较高深宽比的零件，为了实现均匀的增强效果，往往需要多次调节空泡群溃灭冲击区域位置。

目前空化增强磨粒射流抛光方法在调节空化强度及空泡群溃灭位置方面均存在一定的缺陷。比如申请号为CN201610914661.4的发明专利提出了一种基于结构空化效应的高效流体光整加工方法及装置，该发明将文丘里管空化效应引入到流体光整加工中，通过在加工工具上设置文丘里管结构，配合磨粒流高速湍流涡旋，实现磨粒对工件表面的抛光。但是该方法采用水力结构产生空化，无法在不改变磨粒流流速和磨粒流组分的情况下实现对空化强度的主动控制；同时，该方法所设计的结构并不适用于微小复杂曲面类零件。

同时申请号为CN201710976740.2的中国发明专利也存在上述问题。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，该发明采用超声波换能器使得抛光液产生高频振动并且产生空化气泡，从而提高磨料水射流的材料去除效率。但是，该方法需要调整喷嘴距离工件表面的高度或射流流速来调节空泡群溃灭位置，不能保证抛光过程中工艺参数的一致性。因此，研发一种能够独立调控空化强度及空泡群溃灭位置的空化增强磨粒微射流抛光方法，是一件非常有实际意义的工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有空化增强磨粒流抛光方法难以独立调控空化强度及空泡群溃灭位置的问题，提出了一种基于相控空化效应的磨粒微射流抛光方法及抛光装置，通过调节多通道相控发射系统的声波发射频率和功率，实现在不改变微射流工艺参数的情况下，对空泡尺度和空化强度的主动控制。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于相控空化效应的磨粒微射流抛光方法，采用锥形射流腔体形成微射流并将微射流射到抛光工件的待抛光表面上；同时在锥形射流腔体上方耦合布置环形阵列压电陶瓷，通过相位控制算法控制各个环状结构压电陶瓷的激励脉冲相位延迟时间，使得声波在靠近锥形射流腔体射出口附近的声波聚焦点聚焦；控制声波聚焦点处的声压阈值大于空化阈值，使得在声波聚焦点处发生空化效应，持续产生空泡群；空泡群在微射流的带动下到达抛光工件待抛光表面的近壁面区域发生溃灭，借助空泡群中气泡溃灭产生的能量提高微射流抛光效率。

进一步的，通过调节多通道相控发射系统的声波发射频率和功率，实现在不改变微射流工艺参数的情况下，对空泡尺度和空化强度的主动控制。