超聲珩磨時空化泡潰滅對固壁面的沖擊作用研究.pdf

1、超聲珩磨時近壁面附近的空化泡在經(jīng)過一系列膨脹-收縮-潰滅的泡壁運(yùn)動后，會對壁面產(chǎn)生高溫高壓的空蝕作用。壁面的空蝕效果主要是受到由空化泡潰滅而產(chǎn)生沖擊波和微射流的沖擊影響。而壁面材料的形變也可能是受到空化泡潰滅壓力場的作用。本論文以超聲珩磨時磨削液中產(chǎn)生的空化泡作為研究對象，應(yīng)用空化泡動力學(xué)、沖擊波的界面?zhèn)鞑ズ筒牧鲜?zhǔn)則等理論，分析超聲珩磨參數(shù)以及空化泡初始半徑對空化泡潰滅壓力場和沖擊波的影響，并對材料失效所需沖擊波和微射流的閾值進(jìn)行計

2、算。最后通過超聲振動試驗(yàn)研究不同條件下工件材料表面受到空化泡潰滅沖擊作用的表面質(zhì)量變化情況。這為進(jìn)一步研究超聲珩磨時空化泡潰滅對固壁面的沖擊作用提供了理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　本論文的主要工作和結(jié)論如下:
　　(1)建立了熱-力耦合超聲珩磨單磨粒磨削有限元模型，仿真結(jié)果表明:磨粒刃圓半徑處于0.1μm和10μm左右，一定磨削深度下的磨粒刃口處切屑發(fā)生塑性去除，且磨削熱效應(yīng)對其具有促進(jìn)作用;而磨粒刃圓半徑處于1μm左右，磨粒刃口處

3、切屑幾乎沒有塑性流動的現(xiàn)象，磨削熱效應(yīng)亦不明顯。
　　(2)在超聲珩磨磨削區(qū)環(huán)境壓力下，推導(dǎo)出空化泡潰滅時泡外壓力場分布的數(shù)學(xué)模型，并分析空化泡體積比對最大壓強(qiáng)的數(shù)值和位置的影響。分析得到:超聲珩磨磨削區(qū)空化泡潰滅壓力場對大多數(shù)壁面金屬材料的影響屬于彈性變形，其對壁面的空蝕作用沒有直接的影響。
　　(3)以超聲珩磨時磨削液中產(chǎn)生的空化泡為研究對象，考慮液體表面張力，推導(dǎo)出空化泡最大半徑的理論模型，計算得到空化泡最大半徑在歸一

4、化時間為0.751時取得最大值。該數(shù)值隨著聲壓振幅和空化泡初始半徑的增加而增大，而隨著珩磨壓力的增大而減小。空化泡初始半徑越小，其最大半徑相對于其初始半徑的放大倍數(shù)越大。
　　(4)理論推導(dǎo)得到超聲珩磨磨削區(qū)單空化泡泡能模型，并分析在一個超聲周期內(nèi)三個特征時刻點(diǎn)處，泡能受到聲壓振幅、珩磨壓力和空化泡初始半徑的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):對于以上三種參數(shù)均在歸一化時間為0.249周圍，空化泡泡能達(dá)到最大;相對于聲壓振幅和珩磨壓力，空化泡初始半徑

5、對泡能的變化起主要的影響。結(jié)合強(qiáng)爆炸理論給出的爆炸能與引起的沖擊波傳播速度和壓強(qiáng)的關(guān)系，在其它條件恒定不變的情況下，得到空化泡潰滅沖擊波和泡能受到以上三種參數(shù)的作用趨勢相同，且相應(yīng)的也是空化泡初始半徑對其潰滅沖擊波的影響最大。
　　(5)理論計算得到，當(dāng)?shù)竭_(dá)壁面時的空化泡潰滅沖擊波強(qiáng)度大于203.77MPa時，就能使固壁面材料2024A1發(fā)生塑性變形;對應(yīng)的壁面材料發(fā)生塑性變形下，需要到達(dá)固壁面的微射流速度大于262.59m/s。

6、
　　(6)搭建超聲振動的沖擊試驗(yàn)平臺，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):隨著試驗(yàn)時間的增加，工件表面的粗糙度和維氏硬度都增加，并經(jīng)過一定的快速增長后分別在不同的時間點(diǎn)進(jìn)入緩慢遞增階段;隨著超聲振幅的增加，工件表面的粗糙度和維氏硬度先快速增長，在10.8μm左右達(dá)到最大值;工件表面的粗糙度與試驗(yàn)溶液粘滯系數(shù)的變化趨勢相反，并且實(shí)驗(yàn)前后的工件表面的粗糙度和維氏硬度有一定的正相關(guān)性。超聲振動空化泡潰滅對固壁面的沖擊試驗(yàn)對研究超聲珩磨磨削區(qū)空化泡潰滅對固壁面的