超声振动珩磨作用下磨削液多空化泡动力学及其非线性振动

发布时间：2016-10-08 07:07

1 引言 

超声振动珩磨(Ultrasonic Vibration Honing  简称 UVH)是功率超声振动加工技术在精密及超精密磨削领域的重要应用之一，广泛适用于坦克、装甲车、汽车和摩托车发动机缸套及缸体类零部件的壁面精密、高效磨削中。与传统珩磨不同，超声振动珩磨是利用超声振动系统将超声场引入到珩磨工艺过程中，其结果是一方面使得油石磨粒具备了高幅(8~15 μm)、高频(18~22 kHz)的机械振动，另一方面油石磨粒与工件材料分离时，磨削液会充分进入磨削区，并在超声振动、珩磨自身扰动等作用下发生空化效应，产生大量的空化气泡。这些气泡在超声振动、珩磨速度及压力等扰动作用下进行剧烈振荡，通常不会彻底溶解或溢出磨削液。空化泡溃灭的瞬间气泡壁面急剧非线性变化，会释放高速的微射流并伴有强烈的冲击波，从而对周围的磨削液和固体界面产生很大的冲击作用，尤其是对于珩磨环境的净化、珩磨精度的提高以及珩磨噪声的抑制等具有不可替代的辅助作用。虽然目前国内外学者对于如何利用和控制空化泡进行了大量的基础研究，然而空化的影响因素众多且不易实时监测，特别是再考虑具体工程环境时还会出现一些新的特点，这些都会使得实际空化的研究变的更为复杂。因此，在超声振动珩磨技术领域，磨削液空化效应的研究仍相对处于初始探索阶段。

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2  超声振动珩磨作用下磨削液的空化机理

2.1 超声振动珩磨的工作原理

图 2.1 为一套完整的超声振动珩磨系统，，它主要由超声波发生器和超声振动珩磨装置构成。超声波发生器也称为超声电源，是实现功率超声振动的振动源，主要负责为超声振动系统提供超声频的电振荡；超声振动珩磨装置主要分为卧式和立式两种类型，本文讨论的是立式超声振动珩磨装置系列，它是通过尾部的浮动连接结构与珩磨机床相连，同时实现珩磨的往复、旋转运动以及油石的超声振动。超声振动珩磨装置的核心部分是超声振动珩磨的声振系统它主要由换能器、变幅杆、振动圆盘、挠性杆、油石座及油石等部分组成[146]，如图 2.2 所示。超声振动珩磨装置所使用的换能器通常为压电换能器，它能够有效接收超声波发生器产生的超声频振荡，并将其转化为超声频的机械振动，即在压电换能器辐射端面产生振幅为 3~5 μm、频率为 20 kHz 的机械振动；由于一般压电换能器产生的振幅太小还不能直接用于珩磨加工，需要通过

2.2 磨削液的空化机理

超声振动珩磨加工过程中合理、有效地注入磨削液能够明显地减少油石与工件、磨屑之间的摩擦，同时也可以大幅降低珩磨力和珩磨温度。这主要是因为磨削液一般具有冷却、润滑、清洗以防锈等等作用，此外磨削液还有一些其它辅助作用，见图 2.7所示。珩磨加工过程中的磨削液也被称为珩磨液，珩磨液不仅能够改善工件材料的加工质量，也可以提高油石的使用寿命。

3  超声振动珩磨作用下自由界面的空化泡动力学分析 ......... 41

3.1  超声振动珩磨加工中的物理环境 .............. 41 
3.2  超声振动珩磨作用下自由界面的单空化泡动力学分析 ... 42
3.3  超声振动珩磨作用下自由界面的双空化泡动力学分析 ........... 48
4  超声振动珩磨作用下刚性界面附近空化泡的振荡及溃灭 ......................... 61
4.1  超声振动珩磨作用下刚性界面附近单空化泡的动力学理论............. 61
4.2  超声振动珩磨作用下刚性界面附近双空化泡的动力学理论 ........... 69
5  超声振动珩磨作用下刚性界面附近空化泡的非线性振动......................... 83
5.1  刚性界面附近单空化泡的非线性振动 ................. 83
5.2  刚性界面附近双空化泡的非线性振动 ........ 96

6  超声振动珩磨作用下磨削液的空化试验 

6.1 磨削液空化强度的定量测量

液体介质发生超声空化时，将会不可避免地释放温度、压力、光谱、自由基等等一系列信号，因此理论上只要能够合理提取到这些信号就可以对超声空化现象进行定量描述。然而，当超声振动珩磨装置处于工作状态时，磨削液的温升信号、发光信号及自由基.OH 信号所附带的杂质因素较多，一般很难辨别这些信号与液体空化作用的区别。本章首先选择读取磨削液的声强信号来定量表示磨削液的空化强度。磨削液的声强信号主要由气泡群发生空化时辐射的声压信号组成，可以较好的反映液体介质的空化强度。那么通过测量不同超声频率和声压幅值(该值可由超声振幅换算得到)下磨削液的声强信号，就可以获得超声振动珩磨系统参数与空化参数之间的定量关系。

6.2 粗糙度法测磨削液的空化强度

目前验证超声空化的方法有多种，有直接测量法如水听器法、热敏探头法等；间接测量法如淀粉碘化钾反应、染色法和声致发光法等。但对于超声振动珩磨，现有的方法大都不能合理应用于实际珩磨过程中。这主要因为超声振动珩磨的工作区域主要包括油石、工件材料以及它们之间的磨削液，三者在珩磨压力的作用下紧紧压向材料壁面，同时还伴随油石的往复及旋转运动，故现有的方法难以在加工过程中对磨削液的空化强度进行实时监测。但考虑到磨削液发生瞬态和稳态空化时会产生剧烈振荡的空化泡，并伴有高速微射流、强烈冲击波，同时还会对固壁面材料产生很强的速度场及压力场，因此可以通过空化作用后的材料表面质量来间接反映磨削液的空化强度。 超声振动珩磨磨削过程中，固结在油石上的磨粒及脱落在磨削液中的磨粒在超声振动的作用下综合对材料进行去除。在超声振动珩磨与传统珩磨切削用量相同的条件下，假设传统珩磨作用在油石上的切削负载为W ，油石的动态有效磨粒数为dN .

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7  结论与展望

本文主要从超声空化和气泡动力学的角度出发，研究了超声振动珩磨工程环境下磨削液多空化泡的动力学及其非线性振动，重点从磨削液单、双空化泡入手，分析了不同边界条件及各类珩磨环境参数对磨削液空化泡动力学行为的影响，通过理论建模、数值模拟以及实验测试的手段，得到主要研究结论如下：(1)超声振动珩磨的磨削环境存在磨削液“移动性”的空化核、油石壁面“不稳定性”空化核、珩磨网纹“固定性”的空化核，而油石中部的位置是空化最易发生的区域；采用景深显微镜对油石壁面磨削液空化特征的观察发现，当超声频率达到磨削液空化泡的共振频率时，磨削液中会出现大量网状的空化泡群；随着超声振动施加时间的逐渐延长，网状的空化泡群被逐层撕裂与分解，最终形成更小的空化泡群，甚至被全部挥发掉。

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参考文献（略）

本文编号：133316