三相磨粒流文丘里管結(jié)構(gòu)空化輔助拋光機(jī)理與試驗(yàn)

計(jì)時(shí)鳴，曹慧強(qiáng)，趙 軍，潘 燁，葛 滿

（浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)試驗(yàn)室，杭州 310014）

0 引 言

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備是一種以機(jī)械裝備為載體，融合微電子、信息、材料和現(xiàn)代制造等技術(shù)且能使人與機(jī)和機(jī)與人之間具有更好交互性的產(chǎn)物[1-2]。為提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)資源有效利用、推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)緊密相關(guān)的農(nóng)產(chǎn)品智能加工、圖像識(shí)別檢測(cè)和衛(wèi)星遙感等高端智能裝備提出了更高的要求[3-4]。微處理器、光學(xué)鏡頭等電子設(shè)備作為農(nóng)業(yè)高端智能裝備的核心零部件，對(duì)其表面進(jìn)行超精密加工，從而獲得超光滑表面是保證此類高端智能裝備與技術(shù)安全、可靠運(yùn)行的前提[5-7]。因此對(duì)此類零部件的精密加工制造對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備從機(jī)械化向自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展具有重大意義。

在電子信息材料領(lǐng)域，K9光學(xué)玻璃和單晶硅片應(yīng)用廣泛且具有代表性，目前對(duì)于這 2種材料的加工方法主要分為工具接觸式加工和流體加工 2大類。工具接觸式加工方法是通過(guò)工具施力于固定在工具上的磨粒，利用磨粒與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)達(dá)到光整加工的目的，如 CMP（chemical mechanical polishing）加工、氣囊拋光技術(shù)等，由于磨粒尺寸不均和其他雜質(zhì)的存在，磨粒對(duì)工件的切削力大小不均勻，無(wú)緩沖接觸，容易引起工件表面和亞表面損傷。軟性磨粒流、磨粒水射流等流體加工方法則是利用高速流體驅(qū)動(dòng)微細(xì)磨粒對(duì)工件表面形成微切削，從而達(dá)到拋光的目的[8-11]。相對(duì)于工具接觸式加工而言，流體加工方法不會(huì)對(duì)工件形成機(jī)械性壓迫，且有流體作為緩沖，不易產(chǎn)生表面和亞表面損傷，但其加工效率較低。因此在確保不出現(xiàn)加工變質(zhì)層和表面亞損傷的前提下實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的流體拋光不僅是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備領(lǐng)域也更是精密制造領(lǐng)域急需解決的難題[12-14]。

為了提升流體加工方法的效率且不對(duì)工件表面產(chǎn)生新的損傷，浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)時(shí)鳴團(tuán)隊(duì)提出了一種氣-液-固三相磨粒流光整加工方法：即在固-液兩相流場(chǎng)中激發(fā)或者注入微氣泡，利用微納米氣泡在湍流流場(chǎng)內(nèi)潰滅形成的空化沖擊，驅(qū)動(dòng)磨粒對(duì)工件形成微切削加工作用，從而提升光整加工的效率[15-16]。目前，氣-液-固三相磨粒流光整加工方法的研究主要集中在對(duì)三相磨粒流邊界條件的控制及微氣泡的注入方式，例如：對(duì)不同入射角度下氣液固三相磨粒流流場(chǎng)近壁面湍動(dòng)能和動(dòng)壓力的大小及分布進(jìn)行研究，從而得出了最佳入射角度等工藝參數(shù)；通過(guò)研究不同溫度下，氣-液-固三相流場(chǎng)的流場(chǎng)特性，從而形成了不同溫度下磨粒流的最佳拋光速度；在固-液兩相湍流流場(chǎng)中注入微氣泡，利用微氣泡潰滅產(chǎn)生的沖擊提高磨粒的動(dòng)能，一定程度上提高了拋光的效率等[17-19]。

現(xiàn)有的研究中對(duì)于三相磨粒流流場(chǎng)自激發(fā)空化氣泡方向的研究較少。與普通微納米氣泡有限的潰滅能量相比，空化氣泡炸裂時(shí)可釋放出1～1 018 kW/m3的高密度能量，同時(shí)伴隨著高溫和高壓[20-21]?？栈瘹馀菘捎煽栈Y(jié)構(gòu)、超聲波和激光等產(chǎn)生。相比于其他方法，結(jié)構(gòu)空化有很多優(yōu)勢(shì)，空化所形成的空化氣泡與液體一起做整體運(yùn)動(dòng)，可在較大范圍內(nèi)形成一個(gè)比較均勻的空化強(qiáng)化場(chǎng)，能量利用率高，超聲空化雖然在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，但其只在聲源附近較小范圍內(nèi)產(chǎn)生，能量集中，空化效應(yīng)強(qiáng)烈，應(yīng)用廣泛[22-23]，但是超聲空化能耗利用率低，大約只有5%～10%的能量用于空化，其余能量則以熱量的形式損耗，且需要超聲激振裝置，很多拋光流道內(nèi)無(wú)法安裝，應(yīng)用受到限制。結(jié)構(gòu)空化能產(chǎn)生大量空化云團(tuán)，空化云團(tuán)的潰滅在微氣泡附近產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波和高能微射流，有望提高流場(chǎng)內(nèi)拋光磨粒的沖擊動(dòng)能和磨粒運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，進(jìn)而提高流體拋光的效率，因而有可能是一種有前景的流體拋光方法[24-26]。

本文提出利用文丘里管結(jié)構(gòu)空化氣泡潰滅輔助三相磨粒流拋光的方法。首先設(shè)計(jì)合理的拋光工具，使得通過(guò)約束流道的磨粒流速度增加而局部壓力降低，導(dǎo)致液體內(nèi)部產(chǎn)生空化現(xiàn)象，空化氣泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波增加磨粒的動(dòng)能，通過(guò)數(shù)值模擬和 PIV觀測(cè)試驗(yàn)來(lái)研究磨粒流空化輔助拋光機(jī)理，最后搭建試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)加工對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證本文所述方法與傳統(tǒng)磨粒流流加工方法的加工效果。

1 數(shù)值模擬

1.1 加工原理

基于拋光流場(chǎng)模型中空化氣泡的形成機(jī)理，在三相磨粒流專用拋光工具流道內(nèi)設(shè)計(jì)了文丘里管空化結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1中加工平臺(tái)中間中空，四周采用密封圈保證氣密性，待加工硅片水平放置于加工平臺(tái)上，通過(guò)真空泵抽取空氣，使得加工平臺(tái)保持真空狀態(tài)，從而吸取硅片實(shí)現(xiàn)硅片的固定；拋光工具置于硅片正上方和硅片待加工表面形成面約束，并保證間距不大于1 mm；磨粒流通過(guò)轉(zhuǎn)接口高速注入 4個(gè)均布入口中，磨粒流通過(guò)該空化流道后形成大量空化氣泡，并與磨粒流混合在硅片表面形成高速湍流渦旋旋流，約束面內(nèi)的高速離心震蕩使得空化結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的空化氣泡潰滅形成空化沖擊，增強(qiáng)磨粒沖擊的動(dòng)能和加工的無(wú)序性，從而增大材料的去除率，實(shí)現(xiàn)工件的光整加工；拋光工具中的流場(chǎng)可通過(guò)觀測(cè)口進(jìn)行觀察。

利用 ANSYS軟件對(duì)流道進(jìn)行抽取并進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，采用四面體網(wǎng)格對(duì)內(nèi)流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分并對(duì)局部進(jìn)行細(xì)化，并在入口和壁面處設(shè)置膨脹層，模型網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到62萬(wàn)多個(gè)，劃分結(jié)果如圖2所示。

對(duì)全局計(jì)算域網(wǎng)格加密至 90萬(wàn)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，仿真結(jié)果顯示流場(chǎng)最高流速誤差為僅為1.2%，已達(dá)到網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求[27-28]。

圖1 拋光工具結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of polishing tool

圖2 拋光流道網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Meshing diagram of polishing channels

1.2 數(shù)學(xué)模型

三相流模擬問(wèn)題既是流體力學(xué)領(lǐng)域的難題，也是流體加工領(lǐng)域的難點(diǎn)，其中包含了非常復(fù)雜的流動(dòng)過(guò)程，現(xiàn)有模型也只是盡可能的描述其中的變化，并沒(méi)有完全符合實(shí)際問(wèn)題的模型。

三相磨粒流的理想加工流場(chǎng)形態(tài)是湍流狀態(tài)，處于湍流狀態(tài)的三相磨粒流中的固相-磨粒能夠隨著載流體在邊界層做無(wú)規(guī)則渦旋運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)工件壁面產(chǎn)生不規(guī)則的切削運(yùn)動(dòng)，使得工件表面的紋理達(dá)到無(wú)序化，實(shí)現(xiàn)超精密加工的目的，因此需要選擇合適的湍流模型來(lái)提高數(shù)值分析的精度。本文針對(duì)所述三相磨粒流空化輔助加工中的強(qiáng)旋流特性，引入Realizablek-ε湍流模型來(lái)對(duì)該拋光流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬[29-30]，對(duì)工件表面磨粒流形成高速旋流的位置和形狀進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)一些參數(shù)做出修正，盡可能使湍流模型貼近實(shí)際加工狀態(tài)，從而指導(dǎo)加工試驗(yàn)，計(jì)算方程如下所示。

湍動(dòng)能k方程為

湍動(dòng)能耗散率方程ε方程為

式中ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；k為湍動(dòng)能，m2/s2；ui為速度，m/s；xi和xj表示2個(gè)坐標(biāo)方向的張量，m；μ為流體動(dòng)力黏度，Pa·s；σk為湍流普朗常數(shù)；ε為湍流耗散率，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生，kg/m·s3；μt為湍流粘性系數(shù)，Pa·s；C1ε、C2均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；E為時(shí)均應(yīng)變率張量模量。

本文通過(guò)空化效應(yīng)輔助磨粒流加工，從而達(dá)到提高加工效率的目的。在加工過(guò)程中會(huì)在特定區(qū)域發(fā)生液相和氣相的轉(zhuǎn)變，計(jì)算過(guò)程引入基于運(yùn)輸方程的空化模型，主要由混合密度函數(shù)和蒸汽運(yùn)輸方程構(gòu)成。

混合密度函數(shù)為

蒸汽輸運(yùn)方程為[31]

式中fv為氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ρv為氣相密度，kg/m3；fg為固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ρg為固相密度，kg/m3；v為液體的速度向量，m/s；Γ為有效擴(kuò)散系數(shù)；Re和Rc分別為蒸汽的產(chǎn)生率與凝結(jié)率。

1.3 仿真邊界條件設(shè)置

為了研究該空化結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的空化效應(yīng)對(duì)流場(chǎng)加工特性產(chǎn)生的影響，仿真并對(duì)比分析有空化和無(wú)空化時(shí)的流場(chǎng)特征。利用FLUENT軟件模擬空化現(xiàn)象，物理模型選取多相流模型中的Mixture模型，湍流模型用Realizablek-ε湍流模型，采用增強(qiáng)壁面處理，并充分考慮實(shí)際加工試驗(yàn)的條件，仿真采用的液相為純水，固相為粒徑50μm的SiC顆粒，體積分?jǐn)?shù)為10%；氣相分別為直徑2 mm氣泡，體積分?jǐn)?shù)為 10%和文丘里管空化結(jié)構(gòu)自激發(fā)的空化氣泡。根據(jù)空化產(chǎn)生的條件設(shè)置入口條件為壓力入口，根據(jù)泵的最大壓力設(shè)置為0.6 MPa，入口流速約為10 m/s，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，并采用分離求解器，顯式線性化格式，在低壓區(qū)引入空化模型，壓力速度耦合方式選用SIMPLEC方法，壓力插值格式采用線性插值格式，對(duì)流項(xiàng)的離散格式選用一階迎風(fēng)格式，同時(shí)考慮到由于拋光工具產(chǎn)生空化效應(yīng)對(duì)磨粒流流態(tài)產(chǎn)生一定影響，對(duì)仿真中的液相溫度、磨粒流液相密度和動(dòng)力黏度等參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的修正，當(dāng)殘差小于 1′10–4并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。

1.4 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)普林斯頓（Preston）方程可知，磨粒對(duì)工件壁面材料的去除作用是拋光流場(chǎng)近壁面相對(duì)壓力、相對(duì)速度和湍動(dòng)能綜合作用的結(jié)果，因此需要對(duì)近壁面速度、動(dòng)壓力和湍動(dòng)能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，在離工件表面0.1 mm設(shè)立監(jiān)測(cè)面，該監(jiān)測(cè)面上的數(shù)值模擬對(duì)比結(jié)果如圖 3至圖 5所示，為了方便描述與統(tǒng)計(jì)，將圖中模擬結(jié)果相似的區(qū)域劃分為A、B和C 3個(gè)區(qū)域。

由圖3可知，區(qū)域A處的磨粒相對(duì)速度較小，占有面積一定，為速度真空區(qū)域，基本不能起到拋光作用；區(qū)域B處的磨粒相對(duì)速度較大，且占有面積較大，為主要加工區(qū)域，區(qū)域C處的磨粒相對(duì)于區(qū)域B速度較小，只能作為輔助加工區(qū)域。對(duì)比圖3a和圖3b可知，無(wú)空化仿真時(shí)區(qū)域B處的磨粒速度較大處僅集中在中心環(huán)處，拋光加工區(qū)域較??；相比于無(wú)空化仿真，空化仿真時(shí)區(qū)域B處磨粒速度較大處向四周輻射，呈現(xiàn)出 4個(gè)螺旋狀，且磨粒的速度較大和加工區(qū)域較廣；通過(guò)所設(shè)路徑得到距離工件中心不同位置的速度分布情況如圖3c所示，空化條件下的速度峰值和覆蓋區(qū)域均比無(wú)空化狀態(tài)下要大，有可能是由于空化結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量空化泡，空化泡炸裂產(chǎn)生的空化作用于磨粒，使得磨粒沖擊速度增大。

與圖3相比，圖4具有相同的動(dòng)壓力分布趨勢(shì)，結(jié)合動(dòng)壓力公式p=0.5ρv2可知，當(dāng)磨粒流密度ρ保持不變的情況下，動(dòng)壓力數(shù)值p與速度大小v成正比。區(qū)域A和C速度較小，動(dòng)壓力小，對(duì)拋光作用影響較小，區(qū)域B處由于空化作用使得磨粒的速度增大，導(dǎo)致動(dòng)壓力也隨之增大，拋光作用顯著，空化仿真中的動(dòng)壓力峰值與無(wú)空化仿真相差較大，且空化狀態(tài)下動(dòng)壓力覆蓋范圍廣，動(dòng)壓力隨著工件中心距離的增大而緩慢減小，加工范圍較大。

結(jié)合圖3和圖4可知，圖5中3個(gè)區(qū)域的湍動(dòng)能分布趨勢(shì)與速度矢量和動(dòng)壓力分布趨勢(shì)基本一致，且空化仿真的湍動(dòng)能強(qiáng)度和占有空間均明顯優(yōu)于無(wú)空化仿真。根據(jù)湍動(dòng)能公式k=2/3(vl)2可知，當(dāng)湍流強(qiáng)度l一定時(shí)，速度v越大，則湍動(dòng)能k越大。由文丘里管結(jié)構(gòu)的空化特性可以判斷[32]：在收縮流道末端，流場(chǎng)呈層流狀態(tài)，產(chǎn)生大量空化泡；經(jīng)過(guò)擴(kuò)張流道階段時(shí)空化泡長(zhǎng)大并潰滅，激發(fā)巨大能量驅(qū)動(dòng)磨粒加速，此時(shí)流場(chǎng)呈強(qiáng)烈的湍流狀態(tài)，磨粒無(wú)序性增強(qiáng)，且流場(chǎng)的湍動(dòng)能涵蓋的范圍較廣，從而大幅度提高了加工的效率和質(zhì)量。區(qū)域B處流場(chǎng)湍動(dòng)能雖然涵蓋加工區(qū)域較廣，但由于流場(chǎng)的分布特性、湍動(dòng)能的耗散和空化的范圍，導(dǎo)致工件表面區(qū)域B處局部湍動(dòng)能過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致加工不均勻問(wèn)題存在。

綜上所述，通過(guò)對(duì)三相磨粒流流場(chǎng)無(wú)空化與空化對(duì)比仿真，可知該拋光工具形成的空化沖擊作用使磨粒的速度增大，驅(qū)動(dòng)磨粒進(jìn)行微切削；使工件表面的空化區(qū)域擴(kuò)大和湍動(dòng)能增加，提高了三相磨粒流的加工精度和加工效率；螺旋狀的空化區(qū)域特征也為接下來(lái)的 PIV觀測(cè)試驗(yàn)和加工平臺(tái)的搭建提供了重要參考。

圖3 速度矢量對(duì)比Fig.3 Comparison of velocity vector

圖4 動(dòng)壓力對(duì)比Fig.4 Comparison of dynamic pressure

圖5 湍動(dòng)能對(duì)比Fig.5 Comparison of turbulent kinetic energy

2 PIV驗(yàn)證試驗(yàn)

通過(guò)仿真結(jié)果可知，空化輔助磨粒流加工流場(chǎng)的動(dòng)壓力、速度矢量和湍動(dòng)能分布差異明顯，這說(shuō)明磨粒流流場(chǎng)受到了擾動(dòng)，促進(jìn)了磨粒流的加工效果。本節(jié)通過(guò)搭建PIV觀測(cè)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，揭示空化輔助拋光的機(jī)理。

2.1 觀測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)搭建

由于拋光工具尺寸較小，在 PIV弱光條件下難以拍攝出空化效果，故基于相似理論，按照2∶1的比例采用有機(jī)玻璃設(shè)計(jì)可視化單入口空化流道模型來(lái)觀測(cè)流道流場(chǎng)的空化效應(yīng)，如圖6所示。

圖6 空化流道模型Fig.6 Cavitation flow channel model

結(jié)合空化流道模型和PIV拍攝設(shè)備搭建PIV試驗(yàn)平臺(tái)如圖 7所示。工作原理如下：可調(diào)壓力式離心泵帶動(dòng)混有示蹤粒子的清水進(jìn)行循環(huán)；激光發(fā)生器激發(fā)出高強(qiáng)度光線照射在流道側(cè)面；高速相機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)正對(duì)流道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)拍攝，獲得示蹤粒子在流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)圖像；專業(yè)軟件分析處理示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)圖像，最終得到流場(chǎng)的實(shí)拍圖、速度矢量圖和渦量圖等參數(shù)[33-34]，PIV觀測(cè)設(shè)備的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

圖7 PIV測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Measurement experiment platform of PIV

表1 PIV試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)表Table 1 Equipment parameter list of PIV experiment

2.2 PIV觀測(cè)結(jié)果與分析

PIV觀測(cè)試驗(yàn)?zāi)康氖怯^測(cè)空化氣泡的潰滅對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)作用，分析利用空化輔助加工的機(jī)理。由于數(shù)值計(jì)算中液相作為主相，在流動(dòng)區(qū)域占主要部分，磨粒作為次相跟隨液相一起運(yùn)動(dòng)，磨粒的濃度較低且在液相中分布整體趨于無(wú)序，磨粒濃度對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的分布影響可忽略。

為了提高 PIV觀測(cè)試驗(yàn)的可實(shí)施性和可信度，試驗(yàn)參數(shù)應(yīng)與仿真參數(shù)基本保持一致。試驗(yàn)用磨粒流組份為：液相為純水，固相為50μm示蹤粒子，濃度約為0.1%，氣相為該拋光工具自激產(chǎn)生的空化泡；控制磨粒流的入口壓力為0.6 MPa，流速約為10 m/s，出口為自由出口，壓力等于大氣壓；試驗(yàn)溫度為25 ℃；分別對(duì)單入口流道和4入口流道進(jìn)行多次拍攝試驗(yàn)，提取適宜照片進(jìn)行分析研究，結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 單入口空化流道測(cè)量結(jié)果Fig.8 Measurement results of single inlet cavitation channel

圖9 4入口流道測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of measurement results of 4 inlet channels

由圖8a所示，單入口流道中自激產(chǎn)生了顯著的空化現(xiàn)象，出現(xiàn)了空化云特征。從圖8b可分析該流場(chǎng)速度矢量特征：在流道收縮階段，磨粒流場(chǎng)處于層流狀態(tài)，壓力減小導(dǎo)致該處磨粒的速度增大，在速度矢量圖中體現(xiàn)為速度矢量方向均勻一致；在空化產(chǎn)生階段，由于空化氣泡處于生長(zhǎng)階段，此階段磨粒速度較小，為后期空化泡潰滅積累能量；在空化泡潰滅階段，磨粒流流場(chǎng)為湍流狀態(tài)，大量空化氣泡潰滅增大磨粒的動(dòng)能，使磨粒的運(yùn)動(dòng)趨于無(wú)序性，在速度矢量圖上體現(xiàn)為速度矢量方向集中且無(wú)序。圖8c的運(yùn)動(dòng)渦量圖也驗(yàn)證了空化現(xiàn)象從產(chǎn)生到結(jié)束運(yùn)動(dòng)渦量的變化：空化開(kāi)始階段由于壓力增大導(dǎo)致渦量較大；空化氣泡生長(zhǎng)階段產(chǎn)生真空，使得流場(chǎng)渦量變?。豢栈瘹馀轁珉A段釋放出大量的能量，導(dǎo)致流場(chǎng)量迅速增大，磨粒的無(wú)序性增強(qiáng)。

圖9為4入口加工流場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果。對(duì)比圖9a可看出，圖9b空化輔助加工流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生了大量的空化氣泡群。圖9c和圖9d為流場(chǎng)內(nèi)磨粒運(yùn)動(dòng)矢量圖，可看出磨?；炯性贐區(qū)域中，為主要加工區(qū)域，A區(qū)域磨粒數(shù)量較少，基本不能起到加工作用。渦量是描述旋渦運(yùn)動(dòng)最重要的物理量之一，對(duì)比圖9e可知，圖9f空化輔助加工流場(chǎng)渦量在B區(qū)域較大，此時(shí)磨粒流的湍流強(qiáng)度由于空化氣泡潰滅釋放出大量能量而被增強(qiáng)，磨粒的運(yùn)動(dòng)趨于無(wú)序，增強(qiáng)了三相磨粒流的微切削能力，為超光滑表面的形成奠定了基礎(chǔ)。磨粒聚集區(qū)域和流場(chǎng)湍流強(qiáng)度與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。上述 PIV試驗(yàn)結(jié)果既證明了數(shù)值模擬的正確性，也為三相磨粒流空化輔助拋光機(jī)理提供了試驗(yàn)依據(jù)。

3 加工驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證空化效應(yīng)輔助下的磨粒流在工件表面有益加工效果，本節(jié)將搭建加工試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并進(jìn)行有無(wú)空化效應(yīng)輔助的加工對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證磨粒流的實(shí)際加工效果。

3.1 加工試驗(yàn)準(zhǔn)備

圖10為磨粒流加工試驗(yàn)平臺(tái)，主要由磨粒流循環(huán)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。磨粒流循環(huán)系統(tǒng)主要由磨粒流箱體、渣漿泵（1.5/1B×AH）、拋光工具約束流道和各管路閥門等組成。控制系統(tǒng)的主要作用是為約束流道提供一個(gè)可控湍流狀態(tài)，主要由控制柜、電機(jī)、壓力表（HANADER）、流量計(jì)（NONCON）及各類傳感器等組成。通過(guò)壓力表、流量計(jì)及傳感器檢測(cè)到的實(shí)時(shí)信號(hào)建立自動(dòng)控制器，調(diào)整泵的流量和拋光加工參數(shù)，從而自動(dòng)控制整個(gè)拋光過(guò)程。

加工試驗(yàn)前，準(zhǔn)備了多片初始粗糙度相同的硅片用于磨粒流加工，硅片直徑為100 mm，硅片表面粗糙度通過(guò)Mitutoyo SJ410粗糙度測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，約為160 nm，同時(shí)采用Wyko NT9800 Veeco 白光干涉儀對(duì)硅片的表面進(jìn)行觀察，并保存圖像。加工試驗(yàn)過(guò)程中的液-固兩相磨粒流是液相為去離子水、固相為Al2O3磨粒和高分子聚合物分散劑充分混合攪拌后形成的弱粘性液體，并保證Al2O3磨粒在磨粒流中均勻分布，加工試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

3.2 加工試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 粗糙度對(duì)比分析

由仿真結(jié)果可知，磨粒流靜態(tài)有效加工區(qū)域?yàn)锽區(qū)域，固選取B區(qū)域表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，分別對(duì)有無(wú)空化輔助加工2種情況進(jìn)行12 h的加工，每隔1 h對(duì)工件的表面進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量3組數(shù)據(jù)并取平均值作為記錄的結(jié)果。

圖10 磨粒流加工試驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Experimental platform for abrasive flow machining

表2 加工參數(shù)設(shè)置Table 2 Setting of processing parameters

圖11為加工過(guò)程中工件表面B區(qū)域粗糙度隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖11可知：空化效應(yīng)輔助加工過(guò)程中工件表面粗糙度在0～6 h內(nèi)下降速度較快，6～12 h內(nèi)下降速度較慢。這是由于粗加工階段，磨粒粒徑較大，空化沖擊下的磨粒具有較大的動(dòng)能，使得材料去除增大，表面粗糙度下降明顯；精加工階段，磨粒粒徑較小，主要對(duì)工件表面起到“修形”的作用，修補(bǔ)粗加工中造成的缺陷，進(jìn)一步降低表面粗糙度。通過(guò)對(duì) 2條曲線的斜率進(jìn)行對(duì)比可知，空化輔助磨粒流拋光的效率明顯提升。

圖11 表面粗糙度隨時(shí)間變化曲線Fig.11 Surface roughness curve over time

3.2.2 表面形貌對(duì)比分析

如圖12為采用Wyko NT9800 Veeco白光干涉儀觀測(cè)工件B區(qū)域內(nèi)的三維形貌圖。

從圖12a和圖12b中可以看出，初始狀態(tài)下工件的表面形貌相接近，呈現(xiàn)出大量坑洼形狀，表面粗糙度約為160 nm。加工12 h后，加工件表面具有磨粒流拋光特有的沖蝕痕跡，加工件原有的坑洼狀態(tài)有了很大的改善，表面明顯變光滑。通過(guò)對(duì)比圖12c和圖12d可以看出，空化輔助加工的工件表面三維形貌要比無(wú)空化輔助要好，且經(jīng)過(guò)12 h的加工后表面粗糙度值Ra最低為4.95 nm。而無(wú)空化輔助加工下工件表面有略微的凹坑，這可能是由于無(wú)空化輔助磨粒流拋光中磨粒的速度較小，導(dǎo)致材料的去除量較少，一定程度上保留了原始工件表面的特征，表面粗糙度值Ra最低僅為7.23 nm。上述試驗(yàn)結(jié)果證明了空化輔助磨粒流拋光過(guò)程中利用空化氣泡潰滅產(chǎn)生的巨大能量可有效提高加工質(zhì)量。

綜上所述，與傳統(tǒng)磨粒流加工相比，采用文丘里管結(jié)構(gòu)空化輔助拋光方法加工的工件在相同時(shí)間內(nèi)能夠達(dá)到較低的表面粗糙度，同時(shí)工件的表面形貌更好，加工效率大約提高了25%。

圖12 拋光結(jié)果對(duì)比Fig.12 Comparison of polishing results

4 結(jié) 論

本文針對(duì)傳統(tǒng)三相磨粒流拋光耗時(shí)長(zhǎng)，效率低等問(wèn)題，提出一種在約束流道內(nèi)利用文丘里管結(jié)構(gòu)空化輔助磨粒流拋光的方法，通過(guò)理論與試驗(yàn)研究得到如下結(jié)論：

1）基于流場(chǎng)的多相流混合模型和Realizablek–ε湍流模型，將運(yùn)輸方程的空化模型與流場(chǎng)模型進(jìn)行耦合，對(duì)三相磨粒流的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到空化輔助拋光工件上表面0.1 mm處流場(chǎng)的速度矢量、動(dòng)壓力和湍動(dòng)能云圖。對(duì)比有無(wú)空化輔助加工 2種數(shù)值模擬結(jié)果表明，空化流場(chǎng)呈螺旋狀態(tài)，流場(chǎng)分布狀態(tài)較好，且在工件表面的區(qū)域B具有良好的加工特性。

2）設(shè)計(jì)磨粒流可視化流道，結(jié)合PIV測(cè)量設(shè)備搭建了磨粒流拋光流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)。PIV測(cè)量試驗(yàn)分別獲得了有無(wú)空化效應(yīng)區(qū)域流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)圖像、速度矢量圖與渦量圖，對(duì)比有無(wú)空化輔助加工 2種狀態(tài)的結(jié)果表明，空化輔助三相流拋光機(jī)理為空化氣泡炸裂產(chǎn)生的空化沖擊增大了流體中磨粒的速度，提高了磨粒對(duì)工件表面的有效沖擊，同時(shí)磨粒的運(yùn)動(dòng)趨于無(wú)規(guī)則狀態(tài)，從而達(dá)到提高加工效率又能保證加工質(zhì)量的目標(biāo)。

3）搭建磨粒流加工試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行有無(wú)空化效應(yīng)輔助的加工對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)加工件表面區(qū)域B處的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，繪制粗糙度曲線，同時(shí)拍攝了拋光工件表面的形貌，發(fā)現(xiàn)空化效應(yīng)輔助下的磨粒流加工時(shí)間明顯縮短，工件表面粗糙度最低可達(dá)4.95 nm。

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