磨粒流加工是利用含有磨粒的流体介质对工件表面进行材料去除的加工方法。由于流体流动具有较好的几何仿形性,磨粒流加工在复杂曲面或结构化表面工件加工方面具有明显优势。鉴于磨粒流加工的微力、微切削特性,其材料去除量较小,加工耗时较长。因此,如何在确保加工质量的前提下提高加工效率,是磨粒流加工领域亟待解决的难点问题。在固液两相磨粒流加中引入气相,即形成气液固三相磨粒流,可提高磨粒流场内能与分布均匀性,进而提高磨粒流加工效率。超声空化是超声波在液体中传播所产生的物理现象,所产生的空化泡在超声作用区内生长、膨胀直至溃灭。相关研究表明,超声空化泡内会聚集高温、高压能量,伴随空化泡溃灭瞬间释放,以微射流、冲击波等形式向外传播,会对其周围磨粒的运动产生显著影响。因此,本文将超声空化引入到磨粒流加工领域,提出一种耦合超声的气液固三相磨粒流加工方法,利用超声微气泡空化作用加快磨粒流材料去除速度,以提高磨粒流加工效率与表面质量。针对上述研究目标,本文内容主要围绕以下几个方面展开:(1)针对气液固三相磨粒流加工工艺特点,基于气液固多相流与湍流理论,结合改进的Preston方程,建立气液固三相磨粒流加工动力学模型,得到加工过程中的磨粒流在约束空间内的速度矢量、动压力及湍动能分布规律,揭示磨粒撞击壁面动能与切削效率的作用机理。(2)基于流体超声空化理论,研究超声空化及其对磨粒流运动的作用规律,建立耦合超声的气液固三相磨粒流流场强化动力学模型。利用龙格-库塔(Rung-Kutta)法求解改进的Rayleigh-plesset运动方程,得到磨粒流中传播的超声波能够产生空化的压力和温度条件。基于空化压力在磨粒流中传播的计算结果,建立了微气泡溃灭冲击波对磨粒动能影响的理论模型,计算空化微气泡附近的磨粒因冲击波而获得的动能,进而得到超声耦合条件下的微气泡产生、溃灭及其对于加工效果的影响规律。(3)针对空化泡溃灭所产生的冲击波、微射流调控问题,提出了一种面向气液固三相磨粒流加工的逆变控制方法。在此基础上,设计了一种用于三相流抛光的超声波发生装置,使微气泡溃灭其所释放的能量转变成较小体积内流体的动能形成流体冲击波,在三相磨粒流中激发空化冲击,加大磨粒的速度,增强紊流程度,提高磨粒对加工表面的作用能力,进而提高磨粒流的加工效率。(4)搭建了气液固三相磨粒流超声强化观测实验平台与加工实验平台,完成了空化状态下三相磨粒流加工的实验研究。以硅片为实验对象,根据其表面氧化层的去除情况,分析超声空化对硅片表面材料去除的加速效果,并在磨粒流加工硅片表面的实验中,观察到超声空化对磨粒流切削效果的影响规律。实验结果证明,超声空化能使磨粒流中的磨粒的动能发生显著改变,可有效提高气液固三相磨粒流的切削效率和表面质量。