超聲振動珩磨作用下磨削液多空化泡動力學(xué)及其非線性振動.pdf

1、超聲振動珩磨加工不但使油石磨粒具備了高幅、高頻的機(jī)械振動，而且還會使磨削液發(fā)生空化效應(yīng)，產(chǎn)生大量的空化泡。空化泡的劇烈振動及其潰滅時釋放的沖擊波和微射流等效應(yīng)會源源不斷地沖擊磨削液和周圍的固體邊界，這對于珩磨環(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(nèi)外學(xué)者對于如何利用和控制空化泡振動進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究，然而空化的影響因素眾多，且一般不易在加工過程中進(jìn)行實時檢測，特別是考慮超聲振動珩磨的工程環(huán)境還

2、會出現(xiàn)一些新的特點，這些都會使得空化的研究變的更為復(fù)雜。因此，本文提出從空化機(jī)理、不同邊界條件下的空化泡動力學(xué)、空化泡的非線性振動以及空化強(qiáng)度等方面來研究超聲振動珩磨作用下磨削液多空化泡動力學(xué)及其非線性振動，主要進(jìn)行了以下幾方面的工作：
　　1.研究了超聲振動珩磨磨削環(huán)境的空化機(jī)理?？紤]結(jié)構(gòu)——壓電和結(jié)構(gòu)——流體的耦合作用對超聲振動珩磨聲振系統(tǒng)進(jìn)行了聲場分析，從理論上確定了油石中部位置為空化易發(fā)生區(qū)域；提出了磨削液“移動性”的空化

3、核、油石壁面“不穩(wěn)定性”的空化核以及珩磨網(wǎng)紋“固定性”的空化核的概念，同時揭示了磨削液的空化數(shù)及空化閾值；基于空化的記憶效應(yīng)，采用景深顯微鏡對油石壁面磨削液的空化特征進(jìn)行了試驗觀測，發(fā)現(xiàn)了磨削液(水和煤油)中網(wǎng)狀空化泡群的動態(tài)演變規(guī)律。
　　2.分析了超聲振動珩磨作用下磨削液自由界面的單、雙空化泡的動力學(xué)特性。通過考慮珩磨頭合成擾動速度和珩磨壓力，建立了自由邊界下單空化泡的動力學(xué)模型；發(fā)現(xiàn)超聲振動珩磨下磨削液較容易出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)空化；珩

4、磨壓力和液體靜壓力對磨削液空化主要起抑制作用，合理的控制珩磨壓力能夠得到瞬態(tài)空化轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)空化的臨界點?；谒俣葎莜B加原理，建立了自由邊界下兩空化泡的動力學(xué)模型；要想獲得良好的空化效果，可選擇較高的超聲波聲壓幅值與較低的珩磨壓力，并且使超聲波聲壓幅值、珩磨壓力和液體靜壓力滿足下列臨界關(guān)系α

5、聲壓幅值和磨削液靜壓力的臨界值來確定；評價了超聲振動珩磨和傳統(tǒng)珩磨下磨削液氣泡運動的區(qū)別；發(fā)現(xiàn)與超聲振動珩磨相比，傳統(tǒng)珩磨下磨削液的氣泡空化行為較弱。
　　3.分析了超聲振動珩磨作用下磨削液剛性界面附近單、雙空化泡的動力學(xué)特性。從自由界面兩空化泡動力學(xué)模型出發(fā)，利用鏡像原理，建立了超聲振動珩磨下剛性界面附近單、雙空化泡的動力學(xué)模型；發(fā)現(xiàn)超聲振動珩磨對自由界面和剛性界面附近的空化泡振動都會起到抑制作用，而且也會抑制剛性壁面附近雙空化

6、泡的相互作用；剛性界面附近的空化泡在聲壓幅值最優(yōu)值下潰滅最為劇烈，并且該最優(yōu)值不會受到空化泡相互作用的影響；超聲振動珩磨所需要的聲壓幅值最優(yōu)值(約5.5p0)要比超聲場下的聲壓幅值(3.5p0)高；通過建立空化泡泡潰滅速度和微射流的相互關(guān)系發(fā)現(xiàn)，通過控制空化泡潰滅速度可以達(dá)到間接判斷和控制微射流的目的。
　　4.探討了超聲振動珩磨磨削液剛性界面附近單、雙空化泡的非線性振動。根據(jù)小振幅假設(shè)，推導(dǎo)了自由界面與剛性界面附近單、雙空化泡的

7、共振頻率，振動位移，獲得了剛性界面附近空化泡的速度場和壓力場分布；通過分析空化泡初始半徑、磨削液靜壓力及泡內(nèi)含氣量對空化泡共振頻率的影響發(fā)現(xiàn)，探討磨削液空化泡的共振頻率能夠?qū)崿F(xiàn)超聲能量與空化泡能量的最佳耦合；剛性界面附近單、雙空化泡的共振狀態(tài)對外界環(huán)境參都比較敏感；空化泡貼近剛性界面共振時，其速度場和壓力場的最值主要集中在氣泡正對著壁面材料內(nèi)部一個極小的區(qū)域；雙空化泡的速度場幅值要比單空化泡的低4個數(shù)量級，但其壓力場幅值要比單空化泡的高

8、2個數(shù)量級。
　　5.試驗研究了磨削液的空化強(qiáng)度。采用聲強(qiáng)測量儀定量測量油石壁面附近不同位置的空化強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，磨削液的空化強(qiáng)度主要集中在油石外表面中部附近，且當(dāng)超聲振動珩磨裝置共振時，磨削液的空化強(qiáng)度最高；而當(dāng)超聲珩磨裝置非共振時，磨削液的空化強(qiáng)度也滿足空化泡的動力學(xué)規(guī)律；提出了粗糙度法間接反映磨削液空化強(qiáng)度的方法，該方法測得的缸套材料表面粗糙度與空化參數(shù)存在對應(yīng)的匹配關(guān)系；對磨削液進(jìn)行鋁箔腐蝕法發(fā)現(xiàn)，單空化泡潰滅產(chǎn)生的空蝕坑體積要