1 引言 

超聲振動珩磨(Ultrasonic Vibration Honing  簡稱 UVH)是功率超聲振動加工技術在精密及超精密磨削領域的重要應用之一，廣泛適用于坦克、裝甲車、汽車和摩托車發(fā)動機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，超聲振動珩磨是利用超聲振動系統(tǒng)將超聲場引入到珩磨工藝過程中，其結果是一方面使得油石磨粒具備了高幅(8~15 μm)、高頻(18~22 kHz)的機械振動，另一方面油石磨粒與工件材料分離時，磨削液會充分進入磨削區(qū)，并在超聲振動、珩磨自身擾動等作用下發(fā)生空化效應，產生大量的空化氣泡。這些氣泡在超聲振動、珩磨速度及壓力等擾動作用下進行劇烈振蕩，通常不會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，會釋放高速的微射流并伴有強烈的沖擊波，從而對周圍的磨削液和固體界面產生很大的沖擊作用，尤其是對于珩磨環(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。雖然目前國內外學者對于如何利用和控制空化泡進行了大量的基礎研究，然而空化的影響因素眾多且不易實時監(jiān)測，特別是再考慮具體工程環(huán)境時還會出現(xiàn)一些新的特點，這些都會使得實際空化的研究變的更為復雜。因此，在超聲振動珩磨技術領域，磨削液空化效應的研究仍相對處于初始探索階段。

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2  超聲振動珩磨作用下磨削液的空化機理

2.1 超聲振動珩磨的工作原理

圖 2.1 為一套完整的超聲振動珩磨系統(tǒng)，，它主要由超聲波發(fā)生器和超聲振動珩磨裝置構成。超聲波發(fā)生器也稱為超聲電源，是實現(xiàn)功率超聲振動的振動源，主要負責為超聲振動系統(tǒng)提供超聲頻的電振蕩；超聲振動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珩磨裝置系列，它是通過尾部的浮動連接結構與珩磨機床相連，同時實現(xiàn)珩磨的往復、旋轉運動以及油石的超聲振動。超聲振動珩磨裝置的核心部分是超聲振動珩磨的聲振系統(tǒng)它主要由換能器、變幅桿、振動圓盤、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)生器產生的超聲頻振蕩，并將其轉化為超聲頻的機械振動，即在壓電換能器輻射端面產生振幅為 3~5 μm、頻率為 20 kHz 的機械振動；由于一般壓電換能器產生的振幅太小還不能直接用于珩磨加工，需要通過

2.2 磨削液的空化機理

超聲振動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，同時也可以大幅降低珩磨力和珩磨溫度。這主要是因為磨削液一般具有冷卻、潤滑、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量，也可以提高油石的使用壽命。

3  超聲振動珩磨作用下自由界面的空化泡動力學分析 ......... 41

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

6  超聲振動珩磨作用下磨削液的空化試驗 

6.1 磨削液空化強度的定量測量

液體介質發(fā)生超聲空化時，將會不可避免地釋放溫度、壓力、光譜、自由基等等一系列信號，因此理論上只要能夠合理提取到這些信號就可以對超聲空化現(xiàn)象進行定量描述。然而，當超聲振動珩磨裝置處于工作狀態(tài)時，磨削液的溫升信號、發(fā)光信號及自由基.OH 信號所附帶的雜質因素較多，一般很難辨別這些信號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信號來定量表示磨削液的空化強度。磨削液的聲強信號主要由氣泡群發(fā)生空化時輻射的聲壓信號組成，可以較好的反映液體介質的空化強度。那么通過測量不同超聲頻率和聲壓幅值(該值可由超聲振幅換算得到)下磨削液的聲強信號，就可以獲得超聲振動珩磨系統(tǒng)參數(shù)與空化參數(shù)之間的定量關系。

6.2 粗糙度法測磨削液的空化強度

目前驗證超聲空化的方法有多種，有直接測量法如水聽器法、熱敏探頭法等；間接測量法如淀粉碘化鉀反應、染色法和聲致發(fā)光法等。但對于超聲振動珩磨，現(xiàn)有的方法大都不能合理應用于實際珩磨過程中。這主要因為超聲振動珩磨的工作區(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，同時還伴隨油石的往復及旋轉運動，故現(xiàn)有的方法難以在加工過程中對磨削液的空化強度進行實時監(jiān)測。但考慮到磨削液發(fā)生瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)空化時會產生劇烈振蕩的空化泡，并伴有高速微射流、強烈沖擊波，同時還會對固壁面材料產生很強的速度場及壓力場，因此可以通過空化作用后的材料表面質量來間接反映磨削液的空化強度。 超聲振動珩磨磨削過程中，固結在油石上的磨粒及脫落在磨削液中的磨粒在超聲振動的作用下綜合對材料進行去除。在超聲振動珩磨與傳統(tǒng)珩磨切削用量相同的條件下，假設傳統(tǒng)珩磨作用在油石上的切削負載為W ，油石的動態(tài)有效磨粒數(shù)為dN .

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7  結論與展望

本文主要從超聲空化和氣泡動力學的角度出發(fā)，研究了超聲振動珩磨工程環(huán)境下磨削液多空化泡的動力學及其非線性振動，重點從磨削液單、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)對磨削液空化泡動力學行為的影響，通過理論建模、數(shù)值模擬以及實驗測試的手段，得到主要研究結論如下：(1)超聲振動珩磨的磨削環(huán)境存在磨削液“移動性”的空化核、油石壁面“不穩(wěn)定性”空化核、珩磨網紋“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；采用景深顯微鏡對油石壁面磨削液空化特征的觀察發(fā)現(xiàn)，當超聲頻率達到磨削液空化泡的共振頻率時，磨削液中會出現(xiàn)大量網狀的空化泡群；隨著超聲振動施加時間的逐漸延長，網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（略）

本文編號：133316