發(fā)布時(shí)間：2016-10-08 07:07

1 引言 

超聲振動(dòng)珩磨(Ultrasonic Vibration Honing  簡(jiǎn)稱 UVH)是功率超聲振動(dòng)加工技術(shù)在精密及超精密磨削領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一，廣泛適用于坦克、裝甲車、汽車和摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套及缸體類零部件的壁面精密、高效磨削中。與傳統(tǒng)珩磨不同，超聲振動(dòng)珩磨是利用超聲振動(dòng)系統(tǒng)將超聲場(chǎng)引入到珩磨工藝過程中，其結(jié)果是一方面使得油石磨粒具備了高幅(8~15 μm)、高頻(18~22 kHz)的機(jī)械振動(dòng)，另一方面油石磨粒與工件材料分離時(shí)，磨削液會(huì)充分進(jìn)入磨削區(qū)，并在超聲振動(dòng)、珩磨自身擾動(dòng)等作用下發(fā)生空化效應(yīng)，產(chǎn)生大量的空化氣泡。這些氣泡在超聲振動(dòng)、珩磨速度及壓力等擾動(dòng)作用下進(jìn)行劇烈振蕩，通常不會(huì)徹底溶解或溢出磨削液�？栈轁绲乃查g氣泡壁面急劇非線性變化，會(huì)釋放高速的微射流并伴有強(qiáng)烈的沖擊波，從而對(duì)周圍的磨削液和固體界面產(chǎn)生很大的沖擊作用，尤其是對(duì)于珩磨環(huán)境的凈化、珩磨精度的提高以及珩磨噪聲的抑制等具有不可替代的輔助作用。雖然目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于如何利用和控制空化泡進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究，然而空化的影響因素眾多且不易實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，特別是再考慮具體工程環(huán)境時(shí)還會(huì)出現(xiàn)一些新的特點(diǎn)，這些都會(huì)使得實(shí)際空化的研究變的更為復(fù)雜。因此，在超聲振動(dòng)珩磨技術(shù)領(lǐng)域，磨削液空化效應(yīng)的研究仍相對(duì)處于初始探索階段。

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2  超聲振動(dòng)珩磨作用下磨削液的空化機(jī)理

2.1 超聲振動(dòng)珩磨的工作原理

圖 2.1 為一套完整的超聲振動(dòng)珩磨系統(tǒng)，，它主要由超聲波發(fā)生器和超聲振動(dòng)珩磨裝置構(gòu)成。超聲波發(fā)生器也稱為超聲電源，是實(shí)現(xiàn)功率超聲振動(dòng)的振動(dòng)源，主要負(fù)責(zé)為超聲振動(dòng)系統(tǒng)提供超聲頻的電振蕩；超聲振動(dòng)珩磨裝置主要分為臥式和立式兩種類型，本文討論的是立式超聲振動(dòng)珩磨裝置系列，它是通過尾部的浮動(dòng)連接結(jié)構(gòu)與珩磨機(jī)床相連，同時(shí)實(shí)現(xiàn)珩磨的往復(fù)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及油石的超聲振動(dòng)。超聲振動(dòng)珩磨裝置的核心部分是超聲振動(dòng)珩磨的聲振系統(tǒng)它主要由換能器、變幅桿、振動(dòng)圓盤、撓性桿、油石座及油石等部分組成[146]，如圖 2.2 所示。超聲振動(dòng)珩磨裝置所使用的換能器通常為壓電換能器，它能夠有效接收超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻振蕩，并將其轉(zhuǎn)化為超聲頻的機(jī)械振動(dòng)，即在壓電換能器輻射端面產(chǎn)生振幅為 3~5 μm、頻率為 20 kHz 的機(jī)械振動(dòng)；由于一般壓電換能器產(chǎn)生的振幅太小還不能直接用于珩磨加工，需要通過

2.2 磨削液的空化機(jī)理

超聲振動(dòng)珩磨加工過程中合理、有效地注入磨削液能夠明顯地減少油石與工件、磨屑之間的摩擦，同時(shí)也可以大幅降低珩磨力和珩磨溫度。這主要是因?yàn)槟ハ饕阂话憔哂欣鋮s、潤(rùn)滑、清洗以防銹等等作用，此外磨削液還有一些其它輔助作用，見圖 2.7所示。珩磨加工過程中的磨削液也被稱為珩磨液，珩磨液不僅能夠改善工件材料的加工質(zhì)量，也可以提高油石的使用壽命。

3  超聲振動(dòng)珩磨作用下自由界面的空化泡動(dòng)力學(xué)分析 ......... 41

3.1  超聲振動(dòng)珩磨加工中的物理環(huán)境 .............. 41 
3.2  超聲振動(dòng)珩磨作用下自由界面的單空化泡動(dòng)力學(xué)分析 ... 42
3.3  超聲振動(dòng)珩磨作用下自由界面的雙空化泡動(dòng)力學(xué)分析 ........... 48
4  超聲振動(dòng)珩磨作用下剛性界面附近空化泡的振蕩及潰滅 ......................... 61
4.1  超聲振動(dòng)珩磨作用下剛性界面附近單空化泡的動(dòng)力學(xué)理論............. 61
4.2  超聲振動(dòng)珩磨作用下剛性界面附近雙空化泡的動(dòng)力學(xué)理論 ........... 69
5  超聲振動(dòng)珩磨作用下剛性界面附近空化泡的非線性振動(dòng)......................... 83
5.1  剛性界面附近單空化泡的非線性振動(dòng) ................. 83
5.2  剛性界面附近雙空化泡的非線性振動(dòng) ........ 96

6  超聲振動(dòng)珩磨作用下磨削液的空化試驗(yàn) 

6.1 磨削液空化強(qiáng)度的定量測(cè)量

液體介質(zhì)發(fā)生超聲空化時(shí)，將會(huì)不可避免地釋放溫度、壓力、光譜、自由基等等一系列信號(hào)，因此理論上只要能夠合理提取到這些信號(hào)就可以對(duì)超聲空化現(xiàn)象進(jìn)行定量描述。然而，當(dāng)超聲振動(dòng)珩磨裝置處于工作狀態(tài)時(shí)，磨削液的溫升信號(hào)、發(fā)光信號(hào)及自由基.OH 信號(hào)所附帶的雜質(zhì)因素較多，一般很難辨別這些信號(hào)與液體空化作用的區(qū)別。本章首先選擇讀取磨削液的聲強(qiáng)信號(hào)來(lái)定量表示磨削液的空化強(qiáng)度。磨削液的聲強(qiáng)信號(hào)主要由氣泡群發(fā)生空化時(shí)輻射的聲壓信號(hào)組成，可以較好的反映液體介質(zhì)的空化強(qiáng)度。那么通過測(cè)量不同超聲頻率和聲壓幅值(該值可由超聲振幅換算得到)下磨削液的聲強(qiáng)信號(hào)，就可以獲得超聲振動(dòng)珩磨系統(tǒng)參數(shù)與空化參數(shù)之間的定量關(guān)系。

6.2 粗糙度法測(cè)磨削液的空化強(qiáng)度

目前驗(yàn)證超聲空化的方法有多種，有直接測(cè)量法如水聽器法、熱敏探頭法等；間接測(cè)量法如淀粉碘化鉀反應(yīng)、染色法和聲致發(fā)光法等。但對(duì)于超聲振動(dòng)珩磨，現(xiàn)有的方法大都不能合理應(yīng)用于實(shí)際珩磨過程中。這主要因?yàn)槌曊駝?dòng)珩磨的工作區(qū)域主要包括油石、工件材料以及它們之間的磨削液，三者在珩磨壓力的作用下緊緊壓向材料壁面，同時(shí)還伴隨油石的往復(fù)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故現(xiàn)有的方法難以在加工過程中對(duì)磨削液的空化強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但考慮到磨削液發(fā)生瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)空化時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈振蕩的空化泡，并伴有高速微射流、強(qiáng)烈沖擊波，同時(shí)還會(huì)對(duì)固壁面材料產(chǎn)生很強(qiáng)的速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)，因此可以通過空化作用后的材料表面質(zhì)量來(lái)間接反映磨削液的空化強(qiáng)度。 超聲振動(dòng)珩磨磨削過程中，固結(jié)在油石上的磨粒及脫落在磨削液中的磨粒在超聲振動(dòng)的作用下綜合對(duì)材料進(jìn)行去除。在超聲振動(dòng)珩磨與傳統(tǒng)珩磨切削用量相同的條件下，假設(shè)傳統(tǒng)珩磨作用在油石上的切削負(fù)載為W ，油石的動(dòng)態(tài)有效磨粒數(shù)為dN .

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7  結(jié)論與展望

本文主要從超聲空化和氣泡動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，研究了超聲振動(dòng)珩磨工程環(huán)境下磨削液多空化泡的動(dòng)力學(xué)及其非線性振動(dòng)，重點(diǎn)從磨削液?jiǎn)�、雙空化泡入手，分析了不同邊界條件及各類珩磨環(huán)境參數(shù)對(duì)磨削液空化泡動(dòng)力學(xué)行為的影響，通過理論建模、數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試的手段，得到主要研究結(jié)論如下：(1)超聲振動(dòng)珩磨的磨削環(huán)境存在磨削液“移動(dòng)性”的空化核、油石壁面“不穩(wěn)定性”空化核、珩磨網(wǎng)紋“固定性”的空化核，而油石中部的位置是空化最易發(fā)生的區(qū)域；采用景深顯微鏡對(duì)油石壁面磨削液空化特征的觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超聲頻率達(dá)到磨削液空化泡的共振頻率時(shí)，磨削液中會(huì)出現(xiàn)大量網(wǎng)狀的空化泡群；隨著超聲振動(dòng)施加時(shí)間的逐漸延長(zhǎng)，網(wǎng)狀的空化泡群被逐層撕裂與分解，最終形成更小的空化泡群，甚至被全部揮發(fā)掉。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：133316