超聲振動(dòng)珩磨作用下磨削液多空化泡動(dòng)力學(xué)及其非線性振動(dòng).pdf

1、超聲振動(dòng)珩磨加工不但使油石磨粒具備了高幅、高頻的機(jī)械振動(dòng)，而且還會(huì)使磨削液發(fā)生空化效應(yīng)，產(chǎn)生大量的空化泡?？栈莸膭×艺駝?dòng)及其潰滅時(shí)釋放的沖擊波和微射流等效應(yīng)會(huì)源源不斷地沖擊磨削液和周圍的固體邊界，這對(duì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于如何利用和控制空化泡振動(dòng)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(shí)時(shí)檢測(cè)，特別是考慮超聲振動(dòng)珩磨的工程環(huán)境還

2、會(huì)出現(xiàn)一些新的特點(diǎn)，這些都會(huì)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(dòng)力學(xué)、空化泡的非線性振動(dòng)以及空化強(qiáng)度等方面來(lái)研究超聲振動(dòng)珩磨作用下磨削液多空化泡動(dòng)力學(xué)及其非線性振動(dòng)，主要進(jìn)行了以下幾方面的工作：
　　1.研究了超聲振動(dòng)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(duì)超聲振動(dòng)珩磨聲振系統(tǒng)進(jìn)行了聲場(chǎng)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(dòng)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(shí)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(duì)油石壁面磨削液的空化特征進(jìn)行了試驗(yàn)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了磨削液(水和煤油)中網(wǎng)狀空化泡群的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律。
　　2.分析了超聲振動(dòng)珩磨作用下磨削液自由界面的單、雙空化泡的動(dòng)力學(xué)特性。通過考慮珩磨頭合成擾動(dòng)速度和珩磨壓力，建立了自由邊界下單空化泡的動(dòng)力學(xué)模型；發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)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(duì)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(diǎn)?；谒俣葎?shì)疊加原理，建立了自由邊界下兩空化泡的動(dòng)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(lái)確定；評(píng)價(jià)了超聲振動(dòng)珩磨和傳統(tǒng)珩磨下磨削液氣泡運(yùn)動(dòng)的區(qū)別；發(fā)現(xiàn)與超聲振動(dòng)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(dòng)珩磨作用下磨削液剛性界面附近單、雙空化泡的動(dòng)力學(xué)特性。從自由界面兩空化泡動(dòng)力學(xué)模型出發(fā)，利用鏡像原理，建立了超聲振動(dòng)珩磨下剛性界面附近單、雙空化泡的動(dòng)力學(xué)模型；發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)珩磨對(duì)自由界面和剛性界面附近的空化泡振動(dòng)都會(huì)起到抑制作用，而且也會(huì)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(huì)受到空化泡相互作用的影響；超聲振動(dòng)珩磨所需要的聲壓幅值最優(yōu)值(約5.5p0)要比超聲場(chǎng)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(dòng)珩磨磨削液剛性界面附近單、雙空化泡的非線性振動(dòng)。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(dòng)位移，獲得了剛性界面附近空化泡的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)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(duì)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(duì)外界環(huán)境參都比較敏感；空化泡貼近剛性界面共振時(shí)，其速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的最值主要集中在氣泡正對(duì)著壁面材料內(nèi)部一個(gè)極小的區(qū)域；雙空化泡的速度場(chǎng)幅值要比單空化泡的低4個(gè)數(shù)量級(jí)，但其壓力場(chǎng)幅值要比單空化泡的高

8、2個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　5.試驗(yàn)研究了磨削液的空化強(qiáng)度。采用聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x定量測(cè)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(dòng)珩磨裝置共振時(shí)，磨削液的空化強(qiáng)度最高；而當(dāng)超聲珩磨裝置非共振時(shí)，磨削液的空化強(qiáng)度也滿足空化泡的動(dòng)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(cè)得的缸套材料表面粗糙度與空化參數(shù)存在對(duì)應(yīng)的匹配關(guān)系；對(duì)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