基于數(shù)值仿真的流體振動拋光機理研究.pdf

1、現(xiàn)代工業(yè)對零件表面精度的要求越來越高，如何實現(xiàn)工件的高精密拋光已經(jīng)成為加工領(lǐng)域的一個重要研究課題。本文對一種新型的高精度表面加工工藝——流體振動拋光方法進行了研究。該方法由超聲振動提供拋光能量，流體分子或懸浮在其中的微細(xì)磨粒在振動的驅(qū)使下沖擊工件表面，另外，超聲空化產(chǎn)生的能量集中，可導(dǎo)致更為強烈的材料去除。加工中的復(fù)雜性和微觀性因素，包括聲場分布、超聲空化和微觀材料去除機理，都難以采用實驗手段直接觀測。本文采用多種數(shù)值仿真方法，從宏觀、

2、介觀與微觀三種尺度，對上述關(guān)鍵問題進行了研究。 目前對復(fù)雜聲場的計算，一般通過用數(shù)值方法求解波動方程實現(xiàn)，本文根據(jù)駐波的簡正分解理論，給出了聲壓場的直接計算方法。總聲壓由簡正波聲壓的線性疊加獲得，各次簡正波的方程根據(jù)聲源和拋光槽的參數(shù)確定。利用此理論對拋光液中的聲壓場進行了計算，另外，為驗證聲壓場的邊界條件，采用有限元流固耦合模型對拋光液的整體流場進行了計算。計算結(jié)果表明：駐波的聲壓波腹一般出現(xiàn)在聲源幅射軸與拋光槽側(cè)壁處，聲壓強

3、度由底向上振蕩減弱，聲場的基本分布規(guī)律由底面超聲源決定，側(cè)面超聲源只對聲場的整體強度有所影響。流場的分布特點與聲壓場的計算結(jié)果吻合，而且符合相應(yīng)的聲學(xué)邊界條件，不會出現(xiàn)流固振蕩?；谡w聲場和流場的數(shù)值計算結(jié)果，采用彈性沖擊-接觸理論對線性振動引起材料去除進行了估算，發(fā)現(xiàn)沖擊應(yīng)力較低，難以形成有效的加工作用。 針對耗散顆粒動力學(xué)方法難以仿真非穩(wěn)態(tài)過程的缺點，本文提出了非穩(wěn)態(tài)耗散顆粒動力學(xué)理論。從求解速度朗之萬方程出發(fā)，建立了系統(tǒng)

4、的溫度-密度條件和壓強-密度條件，并給出了具體的計算方法。通過仿真實例對該理論進行了數(shù)值驗證，仿真結(jié)果與理論預(yù)測值很好地吻合，表明此理論適用于模擬非穩(wěn)態(tài)過程。 本文首次采用耗散顆粒動力學(xué)方法研究聲致空化現(xiàn)象，探討空化導(dǎo)致的材料去除，并計算空化射流驅(qū)動下的磨粒運動，為沖擊過程的仿真提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。相比目前常用的空化仿真方法，耗散顆粒動力學(xué)能夠提供更為豐富的氣泡動力學(xué)和流場演化信息，而且這種方法也可以方便地對群空化以及多相流中的空化進

5、行仿真。氣體模型根據(jù)本文提出的非穩(wěn)態(tài)耗散顆粒動力學(xué)原理建立，解決了原始方法不能模擬強非穩(wěn)態(tài)氣泡動力學(xué)的難題，而液體模型則結(jié)合流體力學(xué)相似原理建立，以處理耗散顆粒的柔軟性和流體高抗壓縮性之間的矛盾。采用獨具特色的張力環(huán)技術(shù)模擬氣泡壁，另外，為改善運算的速度和精度，在仿真計算中采用了相分離技術(shù)，氣體與液體的動力學(xué)單獨計算。仿真結(jié)果表明：空化產(chǎn)生了強烈的能量集中，隨著泡壁的快速塌縮，氣泡的體積急劇縮小，氣泡內(nèi)溫度與壓強迅速上升，同時還伴隨有明

6、顯的沖擊波現(xiàn)象。工件表面附近的空化是非對稱的，其后果是在周圍液體中引發(fā)了渦流和高速微射流。聲壓、氣泡的大小和位置等多種因素都將對空化效應(yīng)產(chǎn)生影響，根據(jù)仿真結(jié)果對它們的作用進行了量化描述。群空化過程中，單個氣泡的空化將相互削弱，氣泡的數(shù)目越多密度越大，削弱越明顯。對于多相拋光液，固相磨粒的存在也將影響空化進程，磨粒在射流通過后可獲得一定的運動速度，其大小隨磨粒直徑的增大而降低。由空化引起的高速射流是導(dǎo)致材料去除的主要原因，射流沖擊工件表面

7、后產(chǎn)生了極高的動壓，往復(fù)沖擊可造成疲勞破壞；另一方面，磨粒在射流的推動下沖擊或切削工件，可以實現(xiàn)材料的直接去除。流體振動拋光中材料的去除規(guī)模可以小到納米級別，傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)理論以及基于此的數(shù)值方法，不適用于這種尺度范圍內(nèi)現(xiàn)象的處理。本文采用分子動力學(xué)這種有效的微觀仿真方法，對流體振動拋光的微觀材料去除機理進行了研究。加工過程中磨粒的運動是不受約束的，關(guān)于自由磨粒沖擊的分子動力學(xué)仿真目前尚未見到相同的資料。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：沖擊打破了工件基體

8、的規(guī)則品格，形成半晶狀結(jié)構(gòu)，在此過程中還伴隨有基體的彈塑性變形、發(fā)熱以及振動現(xiàn)象。磨粒在工件表面垂直振動，水平方向做翻滾或搖擺運動，運動過程中磨粒與工件間將出現(xiàn)很強的摩擦效應(yīng)。磨粒的斜向沖擊將在工件表面造成一系列的加工坑，加工坑的形成機制可歸結(jié)于擠壓、撕拉和重結(jié)晶等多種效應(yīng)。沖擊能量、沖擊角和磨粒尺寸等都將影響加工坑的尺寸和形狀，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)總結(jié)出了加工坑深度與沖擊能量問的經(jīng)驗公式。加工表面的最終形貌是由許多磨粒的不斷沖擊造成的，多次沖

9、擊的總體效果近似為單次沖擊的線性疊加，工件的表面粗糙度約等于沖擊坑的平均深度。多次沖擊的表面具有分形特征，且分形維數(shù)較低，表明加工后的表面比較光滑。 本文除了解釋了流體振動拋光的加工機理，所提出的非穩(wěn)態(tài)耗散顆粒動力學(xué)方法將在微流體以及復(fù)雜流體的仿真中發(fā)揮重要作用。目前的數(shù)值研究只是針對最基礎(chǔ)的物理現(xiàn)象，化學(xué)作用的加工原理將是后續(xù)研究一個重要方向。另外，研究中未發(fā)現(xiàn)空化的選擇性，未來可以考慮控制氣泡在拋光液中的分布，使加工出現(xiàn)有利