超聲振動輔助軟性磨料流噴孔光整加工研究*

張宇超，董志國，雷鴻博，張 鵬

(太原理工大學(xué) a.機械與運載工程學(xué)院；b.精密加工山西省重點實驗室，太原 030024)

0 引言

噴油嘴是發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)的重要部件，噴孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其加工質(zhì)量嚴(yán)重影響燃油霧化，進而影響整機排放[1]。研究表明噴孔的錐度與入口圓角直接影響甲醇燃料在噴嘴內(nèi)部的流動特性，在一定范圍內(nèi)增大噴孔錐度可有效改善霧化效果[2]。目前噴孔的加工方法為先通過高速鉆削或者電火花方法加工出微孔，然后使用磨料流加工或電解法來進行拋光、去毛刺等處理[3]。隨著制造業(yè)的發(fā)展，上述傳統(tǒng)的加工方法在形狀復(fù)雜、尺寸細(xì)微零部件的加工中存在局限性。

傳統(tǒng)磨料流加工(Abrasive Flow Machining)通過粘彈性磨料中的邊界層磨粒對工件壁面進行微切削光整加工，適用于異形復(fù)雜、尺寸微細(xì)零部件的光整加工[4]。但在軟性磨料流加工噴孔的過程中，隨著加工時間與循環(huán)次數(shù)的增長，磨粒易出現(xiàn)堆積團聚、堵塞噴孔的現(xiàn)象，流體磨料的均勻性與流動性大大降低，加工效率快速下降甚至無法流過噴孔。超聲波在液體中傳播會產(chǎn)生超聲空化現(xiàn)象，液體介質(zhì)中的一些微小氣泡核經(jīng)歷產(chǎn)生、生長、潰滅，同時可產(chǎn)生高能量沖擊與高速微射流[5]。研究表明耦合超聲場可有效增強湍流擾動，擴大湍流范圍，使湍流分布更均勻，對改善流場分布具有重要意義[6]。孫毅等[7]利用空化效應(yīng)產(chǎn)生的微射流破碎液體中的微細(xì)顆粒，粒徑小于800目的顆粒破碎率高達79.35%；計時鳴等[8]研究了氣液固三相流中氣泡破裂對流場和顆粒的影響，發(fā)現(xiàn)氣泡破裂產(chǎn)生的高速微射流強烈擾動周圍顆粒，顆粒無序運動使切削動能增加，拋光質(zhì)量提高。

本文擬在傳統(tǒng)軟性磨料流加工中輔助超聲振動，利用超聲振動使軟性磨料產(chǎn)生空化效應(yīng)，使磨粒團受高能量沖擊作用炸裂分離為單顆磨粒群，增加流體磨料在加工過程中的均勻性和流動性，提高噴孔的光整加工效率。通過超聲振動輔助磨料流加工噴油嘴噴孔試驗，研究流體磨料壓力及噴孔入口直徑與錐度的變化規(guī)律。

1 超聲振動輔助磨料流加工

1.1 流體磨料及磨粒堆積

軟性磨料流所用磨料由液態(tài)載體與固態(tài)磨粒組成，其特性直接影響加工效果與加工效率[9]。圖1為均勻混合的流體磨料及將其靜置2小時后的狀態(tài)，磨料所用載體為硅油，磨粒為3000目的SiC顆粒，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。與均勻混合的初始狀態(tài)相比，靜置2小時后，在重力作用下，磨料出現(xiàn)顯著“分層”現(xiàn)象，上層為較為清澈透明的硅油載體，下層SiC磨粒堆積團聚，其均勻性與流動性大大降低。

(a) 均勻混合 (b) 靜置2小時后圖1 流體磨料

1.2 超聲振動輔助磨料流原理

如圖2所示，超聲振動系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器及超聲變幅桿組成。噴油嘴通過夾具、連接頭與柔性高壓軟管流道連接。夾具用于固定噴油嘴；連接頭開有通孔用于連接壓力傳感器，另端通過雙頭螺柱連接超聲變幅桿，使連接頭在預(yù)定振幅和頻率內(nèi)處于微動狀態(tài)。當(dāng)流體磨料沿軸向流過連接頭時，連接頭與噴油嘴受到來自超聲變幅桿的徑向振動，從而對磨料中的磨粒團產(chǎn)生作用力。

圖2 超聲振動輔助磨料流加工噴孔

1.3 磨粒與工件的相互作用

軸向方向上，磨粒在壓差作用下，受載體的作用力Fa以速度Va運動；徑向方向上，變幅桿將超聲振動作用于磨料流道。磨粒受工件壁面的作用力即徑向力Fr，產(chǎn)生徑向速度Vr。磨粒團在合力FR的作用下分散，產(chǎn)生合速度VR，合速度VR和合力FR與軸向方向的夾角為θ。磨粒團受振分散如圖3所示。

圖3 超聲振動輔助磨粒團的分散

噴孔中磨粒的軸向速度Va可由下式計算：

(1)

式中，Q為磨料的體積流量；Ac為噴油嘴噴孔的橫截面積，對應(yīng)噴孔內(nèi)徑di。

施加的超聲振動為高頻率正弦波，在任意時刻t，超聲振動引起的磨粒徑向位移y由下式計算[10]:

y=Bsin(ωt)

(2)

式中，B為超聲振動振幅；ω=2πf，f為超聲振動頻率。

受超聲振動作用，磨粒產(chǎn)生的徑向速度Vr為：

(3)

合速度VR的大小和方向為：

(4)

(5)

徑向力Fr由下式計算：

(6)

式中，m為單顆磨粒的質(zhì)量。

1.4 磨粒的受力及運動

當(dāng)磨粒與工件壁面處于接觸狀態(tài)時，磨粒與工件壁面間的相互作用包括擠壓、滑擦、耕犁和切削[11]。工件壁面處磨粒的受力及運動如圖4所示。軟性磨料中的磨粒在流場對其綜合作用下，呈現(xiàn)非線性復(fù)雜運動方式，工件表面產(chǎn)生微量的材料去除[12]。材料去除特征主要有：①微力：工件表面形貌特征基本不變化；②微量：材料去除量較低。材料去除量可由Preston方程計算[1,3]：

(7)

式中，Δz為材料去除高度；v為磨粒與壁面的相對速度；p為壁面處的相對壓強；k為除相對速度、壓強外，與所有切削因素相關(guān)的比例常數(shù)。

圖4 磨粒的受力及運動

假設(shè)磨粒為穩(wěn)定勻速線性切削，軸向方向上，載體作用于磨粒表面的總力為曳力FD，工件對磨粒的作用力為FPT；徑向方向上，磨粒受載體法向力FN，F(xiàn)N使磨粒壓入工件壁面。FD與FN可由下式計算：

(8)

FN=cNpωSP

(9)

式中，CD為阻力系數(shù)，與載體及磨粒形狀、粒徑相關(guān)；ρc為載體密度；vc與vp分別為載體與磨粒的速度；S為磨粒的迎風(fēng)面積；cN為與磨料彈性相關(guān)的系數(shù)；pω為磨粒平均法向應(yīng)力；Sp為磨粒與工件的接觸面積。

2 流體磨料中的超聲空化

2.1 超聲空化及磨粒團分散

當(dāng)超聲振動施加到流體磨料時，磨料的疏密程度隨超聲波發(fā)生變化，載體產(chǎn)生空化效應(yīng)，如圖5所示。

圖5 流體磨料中的空化效應(yīng)

載體中的泡核在超聲振動作用下，隨著超聲波的稀疏相和緊密相的生長收縮而多次振蕩，最終高速崩潰，聚集的聲波能量瞬間釋放，產(chǎn)生高能量沖擊與高速微射流作用于磨粒團，磨粒團炸裂分離為單顆磨粒群，與載體均勻混合。

超聲振動對流體磨料的作用主要包括：①氣泡潰滅產(chǎn)生的瞬間高能量沖擊與高速微射流作用使磨粒團炸裂分離；②磨粒在高能量沖擊作用下受力及運動發(fā)生變化，磨粒對工件壁面的彈性沖擊作用加劇；③超聲空化使磨料流場更加紊亂無序，流場湍流形態(tài)的變化使磨料具有更好的加工質(zhì)量與效率。

2.2 空化泡及潰滅

當(dāng)施加超聲頻率小于等于空化泡的諧振頻率時才能發(fā)生空化泡潰滅[14]。載體中空化泡的諧振頻率f0與初始半徑R0的關(guān)系為：

(10)

式中，σ為表面張力系數(shù)，P0為流體靜壓力。

對于硅油載體，σ為7.42×10-2N/m，ρc為963 kg/m3，γ為4/3，由式(10)可計算得：當(dāng)施加超聲振動諧振頻率f0為20 kHz時，空化泡的初始半徑R0為800 μm。

流體磨料中的氣泡隨著超聲波生長收縮，當(dāng)流體磨料中的氣泡半徑為零時，可視為氣泡在此刻高速崩潰。將空化泡簡化為球形，假設(shè)：①空化泡內(nèi)氣體為理想氣體；②空化泡在運動過程中始終保持球形；③空化泡壁面的運動只沿徑向；④空化泡的超聲空化效應(yīng)為絕熱過程[15]，則崩潰瞬間泡內(nèi)的最高壓力Pmax由下式計算：

(11)

式中，Pm為空化泡泡外總壓力，Pm=P0+PAsin(2πft)；Pv為泡內(nèi)總壓力；γ為氣體比熱比。

2.3 沖擊波及做功

在空化泡潰滅瞬間，空化泡外會形成很薄的高壓區(qū)，之后高壓區(qū)域在磨料中向四周傳播形成沖擊波。沖擊波傳播過程中會迅速衰減，多個潰滅點的沖擊波綜合作用于磨粒團，使磨粒團受沖擊作用分離，如圖6所示。

圖6 磨粒團的沖擊波

在此過程中，磨粒團受沖擊波作用而動能發(fā)生變化。與沖擊波在磨料中的傳播速度相比，磨粒在工件的流動速度可忽略不計。假設(shè)磨粒處于靜止?fàn)顟B(tài)，沖擊波對磨粒團的作用面積不變。磨粒團附近的空化泡潰滅點分別為潰滅點1、2……n，磨粒團距潰滅點最近距離分別為r1(1)、r1(2)……r1(n)，距潰滅點最遠(yuǎn)距離分別為r2(1)、r2(2)……r2(n)，潰滅點1沖擊波對磨粒團做的功W1為：

(12)

式中，A為潰滅點處沖擊波的壓強；r為磨粒團距離潰滅點的距離；P為距離r處的壓強，沖擊波幅值的衰減速率為：P=A/kwr，P與距離r成反比；kw為比例常數(shù)；SW為磨粒團受沖擊作用的面積。

3 超聲輔助磨料流噴孔加工試驗

3.1 試驗平臺及方案

試驗平臺如圖7所示。本試驗采用立式單向磨料流機床，步進電機輸出軸經(jīng)減速器減速后驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動；活塞相對滾珠絲杠向下移動擠壓料缸中的流體磨料，磨料沿流道流經(jīng)噴油嘴噴孔對其進行加工；活塞移至料缸底部時觸發(fā)行程轉(zhuǎn)向開關(guān)，活塞改變方向向上移動直至頂部停止，由此完成一個加工循環(huán)。

(a)整體試驗裝置

(b) 噴油嘴 (c) 磨料噴射

噴油嘴型號為TS16949，噴孔由電火花方法加工，初始錐度為0°，直徑為0.4 mm，孔數(shù)為6，入口處存在毛刺。超聲波發(fā)生器型號為ZJS-2000，功率1000 W；超聲變幅桿諧振頻率20 kHz，振幅3 μm。試驗中總流量為14.719×10-6m3/s，單個噴孔流量為2.453×10-6m3/s。

試驗方案如表1所示。試驗分4組進行，分別為：試驗1未施加超聲振動加工；試驗2對比試驗1施加超聲振動加工；試驗3在試驗2基礎(chǔ)上對比使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)磨料加工，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%與35%；試驗4在試驗2基礎(chǔ)上對比使用不同粒度磨料加工，粒度為2000目與1000目。

表1 試驗方案

3.2 超聲振動對噴孔加工的影響試驗

試驗結(jié)果如圖8所示，磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，粒度為3000目，加工次數(shù)為10。未施加超聲振動時，加工中出現(xiàn)磨粒團堵塞噴孔、磨料無法流通加工的現(xiàn)象，成功加工孔數(shù)為2。加工后，噴孔入口直徑為0.484 mm，噴孔出口直徑為0.462 mm，這是因為流體磨料沿流動方向壓力不斷降低，磨料的材料去除量沿流動方向隨壓力呈下降趨勢，故噴孔內(nèi)壁面會形成錐形。如圖8所示形成的噴孔錐度約為0.52°。

施加超聲振動時，試驗10次加工全部成功，未出現(xiàn)磨粒團堵塞噴孔的現(xiàn)象，加工效率顯著提高。加工后，噴孔入口直徑為0.507 mm，出口直徑為0.493 mm，形成的噴孔錐度約為0.95°。與未施加超聲振動相比，噴孔入口、出口直徑與噴孔錐度均增大，這是由于超聲振動使磨粒團炸裂分離，磨粒與載體混合更加均勻；并且超聲振動使磨粒對噴孔的彈性沖擊作用加強，材料去除量增加。此外，噴嘴入口處毛刺被完全去除，噴孔內(nèi)壁光亮，表面質(zhì)量改善。

(a) 噴孔剖面(未施加) (b) 噴孔剖面(施加)圖8 施加與未施加超聲振動加工后噴孔

加工過程中的磨料壓力如圖9所示，未施加超聲振動時，磨料壓力約為1.5 MPa，施加超聲振動時，磨料壓力約為3.3 MPa，磨料壓力大大提高。超聲振動使軟性磨料中發(fā)生空化效應(yīng)，空化泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波使磨料壓力增加，壓力場發(fā)生變化。

圖9 加工過程中的磨料壓力

3.3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對噴孔加工的影響試驗

在施加超聲振動條件下，使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)磨料對噴孔進行加工。磨粒粒度為3000目，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%與35%，各加工10次，10次加工全部成功。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)磨料加工噴孔的結(jié)果如圖10所示。施加超聲振動條件下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%與35%磨料加工后，噴孔入口直徑分別為0.489 mm、0.522 mm，形成的噴孔錐度分別為0.80°、2.78°。

(a) 噴孔剖面(25%) (b) 噴孔剖面(35%)圖10 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)磨料加工后的噴孔

結(jié)合上述試驗2的3000目、質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%磨料加工結(jié)果，噴孔參數(shù)隨磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化如圖11所示?？梢缘贸觯涸谙嗤募庸l件下，隨著磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，加工后噴孔入口直徑與噴孔錐度均不斷增大。這是由于磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大使可參與切削的磨粒數(shù)量增加，磨料對噴孔壁面的切削作用增強，材料去除量增加。

圖11 噴孔參數(shù)隨磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

3.4 粒度對噴孔加工的影響試驗

在施加超聲振動條件下，使用不同粒度磨料對噴孔進行加工。磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，粒度為2000目與1000目，各加工10次，10次加工全部成功。不同粒度磨料噴孔加工結(jié)果如圖12所示。施加超聲振動條件下，粒度2000目與1000目磨料加工后，噴孔入口直徑分別為0.511 mm、0.542 mm，形成的噴孔錐度分別為1.76°、2.95°。

(a)噴孔剖面(2000目) (b)噴孔剖面(1000目)圖12 不同粒度磨料加工后的噴孔

結(jié)合上述試驗2的3000目、質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%磨料加工結(jié)果，噴孔參數(shù)隨磨粒粒徑的變化如圖13所示?？梢缘贸觯涸谙嗤募庸l件下，隨著磨粒粒徑增大，加工后噴孔入口直徑與噴孔錐度均不斷增大。這是由于粒徑的增大使磨料對噴孔壁面的剪切應(yīng)力增大，磨料對壁面切削作用加強，材料去除量增加。

圖13 噴孔參數(shù)隨磨粒粒度的變化

4 結(jié)論

本文將高頻超聲振動輔助到傳統(tǒng)磨料流加工方法中，利用超聲振動產(chǎn)生的空化效應(yīng)，使團聚的磨粒破碎分離，通過理論及試驗研究，可得到以下結(jié)論：

(1)高頻超聲作用可使堆積團聚的磨粒分散，可有效改善磨料流加工噴孔中磨粒團堵塞噴孔、無法流通加工的現(xiàn)象，提高加工效率；

(2)超聲空化效應(yīng)可使磨粒對噴孔的切削作用加強，空化泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波使磨料壓力增加，提高加工質(zhì)量；

(3)軟性磨料流加工可沿流動方向?qū)娍准庸こ鲥F形。隨著磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)與磨粒粒徑的增大，噴孔入口直徑與錐度均增大，磨料對噴孔壁面切削作用加強，材料去除量增加。