一種氣-液-固三相磨粒流旋流流場在線觀測方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及軟性流體表面研磨/拋光領(lǐng)域，更具體的說，涉及一種氣-液-固三相磨粒流旋流流場在線觀測方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)代光學(xué)、電子信息及薄膜科學(xué)等高新技術(shù)領(lǐng)域，需要在精密光學(xué)零件和功能晶體材料表面實現(xiàn)超光滑表面加工(Ultrasmooth Surface Manufacturing)，例如軟X射線光學(xué)系統(tǒng)、激光陀螺反射鏡、高密度波分復(fù)用器、高能激光反射鏡、功能光學(xué)器件、光學(xué)窗口等。
[0003]氣-液-固三相磨粒流拋光加工新方法，利用多向注入方法在拋光加工工具和工件表面之間形成的大面積微距縫隙中驅(qū)動形成一種高速湍流狀態(tài)的旋流流場，此旋流流場中的微氣泡在摻氣量和流速的控制下可以以適當(dāng)?shù)姆绞綕?，潰滅過程對附近的磨粒產(chǎn)生加速推動作用，兩者共同結(jié)果導(dǎo)致所述磨粒運動方向呈現(xiàn)較大的隨機性，所述磨粒與工件的加工表面凸起峰接觸幾率大幅提高，同時所述磨粒對所述工件的加工表面凸起峰作用力也大幅提尚，由此大幅度提尚了磨粒流拋光的效率，并且在提尚拋光效率的同時，由于流體的柔性緩沖特性，可以避免所述磨粒的硬性壓入造成所述工件的加工表面損傷。
[0004]目前，針對所述氣-液-固三相磨粒流旋流流場的研究，主要以數(shù)學(xué)模型理論分析和基于各種流體動力學(xué)軟件的仿真分析為主要手段，并結(jié)合拋光加工實驗來和理論分析相互驗證，這種研究方法的局限性在于:(1)數(shù)學(xué)模型理論分析和軟件仿真分析的方法，由于誤差和邊界條件設(shè)定局限性的原因，并不能完全客觀、準(zhǔn)確的得出所述旋流流場中磨粒和微氣泡運動軌跡和運動規(guī)律等流場特性；(2)通常所實施的拋光加工試驗，一般都是拋光加工過程不可視的，加工完成后依靠工件表面粗糙度、微觀形貌圖等手段來推斷拋光加工中材料去除機理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決氣-液-固三相磨粒流旋流流場的研究過程中分析和試驗方法客觀局限性的問題，提出了一種氣-液-固三相磨粒流旋流流場在線觀測方法及裝置。
[0006]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的:一種氣-液-固三相磨粒流旋流流場在線觀測方法，包括如下步驟:
[0007](1)利用多向注入方法在拋光加工工具和工件表面之間形成大面積微距間隙中驅(qū)動形成一種多相流旋流流場，即氣-液-固三相磨粒流旋流流場；
[0008](2)對步驟(1)的氣-液-固三相磨粒流旋流流場形成過程中磨粒和微氣泡的運動規(guī)律進行理論分析；
[0009](3)利用粒子圖像測速設(shè)備采用粒子圖像測速法對氣-液-固三相磨粒流旋流流場進行在線實驗觀測，粒子圖像測速法是一種無干擾、瞬態(tài)、全場速度測量方法，多次攝像以記錄氣-液-固三相磨粒流旋流流場中磨粒的位置，并分析拍攝圖像，從而測出氣-液-固三相磨粒流旋流流場的流動速度、渦量和湍動能的數(shù)據(jù)信息；
[0010](4)從粒子圖像測速法設(shè)備中提取相關(guān)數(shù)據(jù)和圖片，將氣-液-固三相磨粒流旋流流場形成過程中磨粒和微氣泡的運動規(guī)律進行直觀的呈現(xiàn)；
[0011](5)根據(jù)氣-液-固三相磨粒流旋流流場的形成過程的在線觀測，驗證步驟(2)中理論分析的正確性，為深入研究氣-液-固三相磨粒流旋流流場的流場特性及控制方法奠定基礎(chǔ)。
[0012]進一步的，所述多向注入方法是通過驅(qū)動系統(tǒng)將預(yù)先混合均勻的氣-液-固三相磨粒流以三個方向以一定角度注入到拋光加工工具內(nèi)腔中，隨后拋光加工工具內(nèi)腔中的氣-液-固三相磨粒流在進入大面積微距縫隙的過程的方法；由于拋光加工工具內(nèi)部流道的特殊約束結(jié)構(gòu)，從而在大面積微距縫隙中形成所述的氣-液-固三相磨粒流旋流流場。
[0013]進一步的，所述磨粒為粒徑為10um?lOOum之間的球形碳化娃或者氧化招微粉顆粒。
[0014]進一步的，所述微氣泡為微氣泡發(fā)生器通過電激法在液相中產(chǎn)生的直徑為微米級別的氣泡。
[0015]進一步的，所述液相為水。
[0016]一種氣-液-固三相磨粒流旋流流場在線觀測裝置，包括粒子圖像測速設(shè)備、處理器、拋光加工工具、工件、磨粒流容器和磨粒流輸出管，
[0017]所述粒子圖像測速設(shè)備安裝在拋光加工工具的正上方，用于拍攝提取氣-液-固三相磨粒流從注入到形成氣-液-固三相磨粒流旋流流場過程的圖像和數(shù)據(jù)；
[0018]所述處理器與粒子圖像測速設(shè)備電連接，處理器用于對粒子圖像測速設(shè)備中所得的圖像和數(shù)據(jù)進行處理分析，得到氣-液-固三相磨粒流旋流流場形成過程中磨粒和微氣泡的運動軌跡和運動規(guī)律；
[0019]所述拋光加工工具為由透明的有機玻璃制成的圓柱體，圓柱體的側(cè)面開有三個磨粒流入射口，三個磨粒流入射口分別通過磨粒流輸出管連接磨粒流容器，圓柱體的內(nèi)部設(shè)有約束流道，所述圓柱體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面也具有透明特性；
[0020]所述工件固定安裝在所述拋光加工工具的正下方的磨粒流容器內(nèi)，所述工件為由透明的有機玻璃制成圓柱體工件，所述工件與拋光加工工具底面形成大面積微距縫隙；
[0021]所述拋光加工工具與所述磨粒流容器之間形成密封的加工腔體，所述磨粒流容器上設(shè)有流道出口。
[0022]進一步的，所述磨粒流容器包括底板、兩塊第一側(cè)板、兩塊第二側(cè)板和頂面板，所述頂面板上設(shè)有與所述拋光加工工具相配合的通孔，底板、兩塊第一側(cè)板、兩塊第二側(cè)板、頂面板和拋光加工工具共同形成密封的加工腔體，兩塊第一側(cè)板上均布對稱分布的兩組流道出口。
[0023]進一步的，每組流道出口包括至少四個流道出口。
[0024]進一步的，所述粒子圖像測速法設(shè)備為粒子圖像測速法攝像頭。
[0025]本發(fā)明的有益效果在于:
[0026]1)利用粒子圖像測速法(PIV)來實時在線觀測氣-液-固三相磨粒流旋流流場形成過程中磨粒和微氣泡的運動規(guī)律，利用客觀的技術(shù)手段將旋流流場特性表現(xiàn)出來，從而可以與理論或者軟件仿真分析得到的結(jié)論進行對比，找到更加客觀、準(zhǔn)確的流場特性。
[0027]2)粒子圖像測速法(PIV)可以將磨粒流中微氣泡和磨粒的運動軌跡直觀的呈現(xiàn)出來，這樣可以直觀的看到磨粒在工件表面的拋光加工機理，進一步提高了拋光加工效果的可視性和預(yù)見性，進而可以為實驗提供很好的指導(dǎo)意義。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明所述氣-液-固三相磨粒流旋流流場在線觀測方法的技術(shù)方案流程圖。
[0029]圖2是本發(fā)明所述氣-液-固三相磨粒流旋流流場在線觀測裝置的主視圖。
[0030]圖3是本發(fā)明所述氣-液-固三相磨粒流旋流流場在線觀測裝置的局部剖視圖。
[0031]圖4是本發(fā)明所述氣-液-固三相磨粒流旋流流場在線觀測裝置的軸測圖。
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