针对软性磨粒流在加工硬脆性材料时效率低下的问题，本文提出一种气-液-固三相磨粒流加工方法。该方法通过在加工流场内注入微尺度气泡群，利用气泡溃灭释放的能量提升磨粒流加工能力。基于计算流体力学和群体平衡模型耦合计算方法，建立气-液-固三相磨粒流流体力学模型，数值模拟结果揭示了工件表面三相磨粒流形成高速湍流涡旋流场加工特性，得到了工件表面气泡溃灭的分布规律，并探明流体黏度与气泡溃灭之间的关系。图像粒子测速实验表明，通入微尺度气泡群后，平均速度从12.50~13.50 m/s提升至15.00~17.00 m/s，最高平均速度可达20.00 m/s以上。对比加工实验显示，经8 h加工后，粗糙度从0.50 μm降低到0.05 μm。理论和实验研究结果说明借助微尺度气泡群的溃灭效应可有效提升软性磨粒流的加工效率和加工精度。

研究了气液固三相旋流流场抛光机理和规律。设计了三入口的抛光加工流道, 对气液固三相旋流抛光流场进行了数值模拟。基于模拟结果设计了气液固三相磨粒流旋流流场测量平台, 并通过粒子图像测速法(PIV)测量了微气泡补偿条件下气液固三相旋流抛光的流场参数, 获得了微气泡补偿区域流场的运动图像、速度矢量图和涡量图。PIV测量试验数据显示: 在微气泡补偿区域, 磨粒速度主要集中在30 m/s到80 m/s, 同一测量点高速磨粒出现频率明显增加, 少数磨粒速度达到100 m/s以上; 磨粒平均速度从33.8 m/s增大到44.2 m/s, 经4 h抛光后硅片表面最大粗糙度从10.4 μm下降到1.3 μm。理论和试验研究表明, 气液固三相旋流抛光流场中微气泡溃灭引发的空化冲击效应可增大磨粒动能, 提高抛光效率, 实现B区域的均匀化抛光。

针对传统气压砂轮存在磨粒容易脱落，加工效率低等问题，提出了制备渐进式黏磨层气压砂轮的方法。该方法基于分层渐进抛光的思想，在砂轮头表面涂覆多层不同厚度和目数的黏磨层。利用磨粒脱落量及表面加工质量实验确定不同黏磨层光整加工所需时间及厚度， 制备了渐进式黏磨层气压砂轮， 研究了砂轮头的几何精度和加工工件的表面质量。结果表明: 渐进式黏磨层气压砂轮不同黏磨层磨粒目数分别为180#、120#、80#，其厚度分别为2 mm、0.21 mm、0.3mm，各层厚度均符合设计要求，误差在5%以内。在加工过程中，外层黏磨层能在理想时间逐层有效脱落。当下压量为2 mm、磨削转速为1 250 r/min时，渐进式黏磨层气压砂轮能够完成初期光整加工且效率提高19%以上。实验显示: 提出的方法大幅提高了激光强化表面光整加工效率和自动化程度。

考虑用流体抛光法加工大尺度工件存在效率低下问题, 本文提出了一种气-液-固三相磨粒流抛光方法。该方法在约束流场中引入微纳米气泡, 利用气泡在溃灭时释放的能量加速驱动磨粒运动, 从而有效提升抛光效率。实验显示: 在加工过程中, 离心泵的发热会导致流体黏度下降, 进而影响工件近壁面的湍动能和动压力的大小及分布, 而加工工件近壁面的湍动能和动压力会对表面纹理的均匀性和材料的去除效率有重要影响。针对上述实验结果, 文中基于对磨粒流抛光机理的研究, 提出一种通过改变入口流速来补偿温升带来的湍动能和动压力变化的方法, 实验求得了抛光流体温度从20 ℃到60 ℃之间的9个均等点对应的最优入口流速值。实验表明, 相对未加入气泡时, 该抛光方法的加工效率得到提高, 而调速补偿明显提升了工件表面加工质量。

为了研究模具结构化表面环境下软性磨粒流的流场加工特性，应用单颗动力学模型(SPD)通过数值模拟求解了颗粒在不同形态的湍流场中的运动特性。以U形流道为例，利用N-S方程、湍流的Realizable(k-ε)模型以及压力耦合方程的半隐相容(SIMPLEC)算法，求解了软性磨粒两相流场中流体的速度、压力等特性参数；接着利用SPD求解多种环境下软性磨粒两相流场中颗粒的速度、轨迹、密度分布等参数。实验结果表明：在流体初始速度为5,10,20 m/s 3种情况下，流体初始速度为5 m/s时颗粒沉降最为明显；在颗粒直径为0.01,0.05,0.1 mm 3种情况下，直径为0.01 mm时颗粒沉降较为明显；在水、柴油、机油3种不同黏度的湍流场中，两相软性磨粒流场特性非常接近。结论显示，流体的初始速度和颗粒的粒径使得湍流对颗粒运动特性影响较大，流体的黏性对其影响较小。