考慮煤油蒸汽冷凝與蒸發(fā)的超聲珩磨區(qū)空化特性研究

王潞杰， 祝錫晶， 王建青

(中北大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

考慮煤油蒸汽冷凝與蒸發(fā)的超聲珩磨區(qū)空化特性研究

王潞杰， 祝錫晶， 王建青

(中北大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

超聲振動珩磨加工中會產(chǎn)生空化現(xiàn)象， 空化泡潰滅產(chǎn)生的微射流與高壓會對工件表面產(chǎn)生影響， 為了使空化效應(yīng)合理地應(yīng)用于實際生產(chǎn)， 必須建立更貼近實際環(huán)境的空化泡模型， 故考慮珩磨因素與煤油蒸汽的蒸發(fā)與冷凝建立了磨削區(qū)空化泡的動力學(xué)模型， 對其數(shù)值求解， 同時進行了超聲珩磨諧振系統(tǒng)的試驗研究. 結(jié)果表明:考慮煤油蒸汽的蒸發(fā)與冷凝可以更好地解釋空化泡各參量的變化， 對空化泡潰滅時的溫度和壓力影響較大， 潰滅溫度和潰滅壓力的最大值分別為109Pa和103K； 空化泡初始半徑越大， 膨脹所能達到的最大幅值越小， 潰滅時間越短； 同時由于受到珩磨壓力和珩磨速度的作用， 超聲振動珩磨下的空化泡運動幅值比傳統(tǒng)環(huán)境下的小1/3， 但動態(tài)變化快于后者； 試驗后鋁箔出現(xiàn)大量凹坑， 說明空化效應(yīng)對工件加工起著一定的作用.

超聲珩磨； 空化泡； 煤油蒸汽； 蒸發(fā)； 冷凝

0 引 言

超聲空化是指液體中的微小泡核在超聲波的正負壓作用下， 其體積發(fā)生膨脹、 振蕩、 收縮和崩潰的一系列動力學(xué)行為[1]. 空化泡在潰滅瞬間， 周圍會產(chǎn)生區(qū)域性的高溫高壓， 從而引起各種各樣的物理和化學(xué)效應(yīng). Flynn[2]考慮熱傳導(dǎo)影響， 采用界面溫度函數(shù)代表泡內(nèi)蒸汽壓的作用， 研究了超聲場下小型空化泡的動力學(xué)特性. L.Yuan等[3]考慮氣體粘滯性、 熱傳導(dǎo)性、 氣體狀態(tài)方程、 液體表面張力和壓縮性等， 探討了多種物理因素對氣泡聲致發(fā)光的影響. 張文娟等[4]依據(jù)單泡聲致發(fā)光模型， 數(shù)值分析了各種空化泡動力學(xué)方程對發(fā)光特性的影響和發(fā)光時泡內(nèi)產(chǎn)生的異常電離現(xiàn)象. 高賢嫻等[5]創(chuàng)建考慮物質(zhì)交換的唯象模型， 擴展了Rayleigh理論的應(yīng)用范圍， 并探討了穩(wěn)定平衡半徑下的參數(shù)相關(guān)性.

功率超聲珩磨是一種先進的精密制造技術(shù)， 主要用于加工陶瓷、 寶石、 石英等高硬度、 高韌性材料， 具有較低的珩磨溫度和珩磨壓力， 較高的加工效率和表面質(zhì)量等優(yōu)點. 超聲振動珩磨加工中注入的大量切削液在超聲作用下產(chǎn)生空化現(xiàn)象， 而空化所伴隨的熱效應(yīng)、 機械效應(yīng)等會影響工件加工過程， 對工件表面進行壓力和微射流沖擊[6]. 因此深入研究超聲珩磨區(qū)的空化機理， 對提高工件表面質(zhì)量， 改善加工效率都有著重要意義. 本文根據(jù)Kyuichi Yasui方程， 考慮珩磨頭合成擾動速度、 珩磨壓力以及煤油蒸汽的蒸發(fā)與冷凝的影響， 建立了磨削區(qū)空化泡的動力學(xué)模型.

1 超聲振動珩磨磨削區(qū)空化泡動力學(xué)模型

1.1 超聲振動珩磨的加工環(huán)境

在超聲珩磨加工環(huán)境下， 超聲波通過換能器、 變幅桿、 諧振響應(yīng)系統(tǒng)等最終傳遞到油石， 使油石表面產(chǎn)生高頻、 高幅振動， 激活磨削液中的大量微小氣泡或泡核， 從而產(chǎn)生空化效應(yīng). 與普通超聲空化相比， 由于珩磨壓力和珩磨速度的存在， 使得超聲珩磨磨削區(qū)的空化泡運動變得更為復(fù)雜.

本文選取煤油為磨削液的研究對象， 磨削液通常具有冷卻、 潤滑、 防銹等作用. 在超聲珩磨加工注入適量的煤油， 可以顯著減少油石與工件、 碎屑間的摩擦， 還能有效降低珩磨壓力和珩磨溫度. 因此， 煤油在改善工件表面質(zhì)量與提高油石使用壽命方面有著不可忽略的影響.

圖 1 為功率超聲珩磨的加工示意圖， 珩磨頭旋轉(zhuǎn)速度為v， 往復(fù)運動速度為ve(忽略超聲波振動速度vf的影響)， 可得切削液中的珩磨頭合成擾動速度va為[7]

圖 1 超聲珩磨加工示意圖Fig.1 The diagram of ultrasonic vibration honing in machining

1.2 磨削區(qū)的空化泡理論模型

本文對空化泡假設(shè)如下： 運動過程中的空化泡始終為球形， 球心位置不變； 忽略液體密度以及液體中聲音傳播速度的變化； 忽略氣泡內(nèi)空氣蒸汽分子的數(shù)量的變化； 考慮切削液的壓縮性、 表面張力、 粘滯性以及煤油蒸汽的蒸發(fā)和冷凝等因素. 根據(jù)Kyuichi Yasui模型的推導(dǎo)方法[8]， 可得到考慮煤油蒸汽蒸發(fā)和冷凝的超聲振動珩磨磨削區(qū)的空化泡動力學(xué)模型[8-9]

空化泡泡壁受到的外部壓力Pout不僅受泡內(nèi)壓力影響， 而且與周圍液體的性質(zhì)息息相關(guān)

式中：Pin為泡內(nèi)氣體壓力；Ph為油石對磨削液的擠壓力；ρa為空化泡內(nèi)氣體分子的平均密度[7].

為了得到Pin， 采用范德瓦爾斯狀態(tài)方程求解[8]

式中：a和b為范德瓦爾斯量(隨煤油蒸汽分子數(shù)的變化而改變)；Rg為普適氣體常數(shù)；T為泡內(nèi)溫度.

空化泡內(nèi)溫度[8]為

式中：E為氣泡的內(nèi)能；CV,air(CV,ker)為空氣(煤油蒸汽)的定容摩爾熱容.

在Δt時間內(nèi)空化泡發(fā)生的內(nèi)能變化ΔE為[8]

其中， 等式右端第一項表示Δt時間內(nèi)泡內(nèi)壓強導(dǎo)致的氣泡內(nèi)能變化； 第二項表示Δt時間內(nèi)氣泡內(nèi)煤油蒸汽分子數(shù)量變化所引起的氣泡內(nèi)能變化.

煤油蒸汽蒸發(fā)(或冷凝)所吸收(或釋放)的能量e可表示為[8]

式中：αM為蒸發(fā)或冷凝的調(diào)節(jié)系數(shù)(設(shè)為常數(shù))；RV為煤油蒸汽的氣體常數(shù)；PV為空泡內(nèi)的飽和蒸汽壓；T0為切削液溫度；PVk為泡內(nèi)的煤油蒸汽分壓；Γ為該等式的修正系數(shù).

t+Δt時刻空泡內(nèi)煤油的蒸汽分子數(shù)量是t時刻煤油蒸汽分子數(shù)量與Δt時間內(nèi)煤油蒸汽分子數(shù)量變換之和[8]

2 空化泡動力學(xué)方程的數(shù)值模擬及分析

表 1 功率超聲珩磨數(shù)值仿真參數(shù)

2.1 空化泡狀態(tài)參量隨時間的變化曲線

圖 2 為空化泡半徑、 泡內(nèi)壓力、 泡內(nèi)溫度以及空氣、 煤油蒸汽分子以及總的分子數(shù)量隨時間的變化曲線. 從圖2(a)可以看出， 空化泡在初始階段膨脹十分緩慢， 20 μs 之后膨脹速度加快， 在42 μs 達到最大值后開始快速收縮， 而后進行多次的小幅振蕩， 最后進入振蕩周期為50 μs 的穩(wěn)態(tài)空化階段. 從圖2(b)～2(d) 可以看出， 在空化泡半徑逐漸膨脹至最大值的過程中， 泡內(nèi)壓力和泡內(nèi)溫度卻緩慢減小并達到最小值102Pa和20 K， 而煤油和總的蒸汽分子數(shù)則不斷增多達到1011. 相反， 當空化泡被迅速壓縮至最小的過程中， 泡內(nèi)壓力和泡內(nèi)溫度迅速達到最大值109Pa和103K， 而煤油和總的蒸汽分子數(shù)卻迅速減少為1010.

發(fā)生上述現(xiàn)象主要是由于空化泡在初始的膨脹和壓縮階段， 較低的泡內(nèi)壓力使得煤油蒸汽蒸發(fā)和冷凝的速率較慢， 煤油蒸汽分子數(shù)逐漸增加， 與此同時泡內(nèi)溫度和環(huán)境溫度也不高， 每個煤油蒸汽分子在泡內(nèi)外的交換運動中只能攜帶很少能量， 故泡內(nèi)溫度變化很小. 然而在空化泡進入壓縮潰滅階段后， 較高的泡內(nèi)壓力使大量煤油蒸汽分子迅速冷凝， 而此時泡內(nèi)的溫度也處于高值， 每個冷凝的煤油蒸汽分子均會帶走較多能量， 導(dǎo)致氣泡內(nèi)的熱能急劇減少， 泡內(nèi)溫度迅速降低.

圖 2 空化泡各狀態(tài)參量隨時間的變化曲線Fig.2 Cavitation of the state parameters varied with time

2.2 不同初始半徑下的空化泡運動曲線

不同初始半徑下空化泡的運動曲線如圖 3 所示， 可以看出， 隨著空化泡初始半徑的增大， 氣泡半徑快速膨脹的時間提前， 最大膨脹倍數(shù)減小， 潰滅時間也相應(yīng)縮短， 導(dǎo)致空化泡的動態(tài)變化頻率加快.

圖 3 不同初始半徑下的空化泡運動曲線Fig.3 Different initial radius of the cavitation bubble motion curves

2.3 傳統(tǒng)超聲與功率超聲珩磨下的空化泡運動曲線

圖 4 為傳統(tǒng)超聲與功率超聲珩磨的空化泡運動曲線.

圖 4 傳統(tǒng)超聲與功率超聲珩磨的空化泡運動曲線Fig.4 Conventional ultrasound and ultrasonic honing of the cavitation bubble motion comparison

由圖 4 可以看出， 在空化泡膨脹的初始階段， 兩種情況下的空化泡幅值基本一樣， 均在緩慢增加， 但30 μs 之后， 傳統(tǒng)超聲條件下的空化泡幅值明顯大于超聲振動珩磨條件下的空化泡幅值， 且前者約是后者的1.5倍. 同時， 傳統(tǒng)超聲條件下的空化泡動態(tài)變化頻率要慢于功率超聲珩磨條件下的空化泡動態(tài)變化. 這主要是因為在超聲珩磨加工過程中， 空化泡除受到超聲作用之外， 還受到珩磨壓力和珩磨速度的影響， 其中珩磨壓力使得空化泡膨脹所要克服的阻力增加， 從而抑制了其運動幅值的變化； 珩磨速度加劇磨削液流動， 從而促進了空化泡的動態(tài)變化頻率.

3 試驗驗證

超聲珩磨加工過程中， 珩磨區(qū)空化泡的動態(tài)變化以及潰滅瞬間釋放的沖擊波與微射流會影響工件表面質(zhì)量， 通過磨削參數(shù)的變化能夠合理控制空化效果， 從而提升加工效果.

目前測量空化強度的方法有水聽器法、 染色法、 聲致發(fā)光法等， 但都很難用于超聲珩磨的實際加工過程， 本文選擇鋁箔腐蝕法， 通過觀察超聲珩磨作用后鋁箔的表面質(zhì)量來間接地定性討論磨削區(qū)的空化作用效果.

實驗儀器包括： 250 W的H66MC超聲波發(fā)生器； 超聲珩磨諧振系統(tǒng)； 鋁箔紙； 玻璃水槽(內(nèi)置煤油)； VHX-600ESO 數(shù)碼顯微鏡等. 試驗裝置如圖 5 所示.

圖 5 試驗裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of test equipment

如圖 6 所示， 鋁箔置于油石座上， 油石浸在充滿煤油的玻璃槽內(nèi). 調(diào)節(jié)超聲波頻率， 使超聲諧振系統(tǒng)產(chǎn)生共振， 由于油石條的振動發(fā)生空化效應(yīng)， 空化泡潰滅瞬間釋放的微射流和沖擊波對鋁箔造成沖擊. 7 s之后在數(shù)碼顯微鏡下觀察鋁箔紙的表面形貌.

從圖 7 可以看出， 空化產(chǎn)生的大量空化泡對鋁箔進行射流沖擊與壓強脈動作用， 使其表面產(chǎn)生大量凹坑， 且最高處與最低處相差40 μm . 這表明超聲珩磨區(qū)的空化效應(yīng)對工件的表面質(zhì)量和材料去除有著不可忽略的影響， 能夠通過合理控制磨削參數(shù)來改進加工效果.

圖 6 試驗現(xiàn)場Fig.6 Test field

圖 7 試驗后鋁箔的表面形貌Fig.7 Surface morphology of aluminum foil after test

4 結(jié) 論

本文在Kyuichi Yasui方程的基礎(chǔ)上， 建立了考慮煤油蒸汽和冷凝的超聲珩磨磨削區(qū)空化泡的動力學(xué)模型， 利用數(shù)值方法進行分析， 發(fā)現(xiàn)：

1) 考慮煤油蒸汽的蒸發(fā)與冷凝因素， 能夠更好地解釋空化泡泡內(nèi)溫度、 壓力等狀態(tài)參量隨時間的變化過程， 尤其是潰滅瞬間泡內(nèi)壓力和溫度所發(fā)生的劇烈變化， 故煤油蒸汽的蒸發(fā)與冷凝的影響必須加以考慮.

2) 隨著空化泡初始半徑的增大， 其運動幅值加速膨脹的時間提前， 最大半徑值減小， 潰滅時間相應(yīng)地縮短.

3) 超聲振動珩磨下的空化泡與傳統(tǒng)超聲場下相比， 運動幅值受到較大程度的抑制， 但運動變化頻率卻更快.

4) 通過鋁箔腐蝕法定性討論了空化作用的強弱， 表明空化泡潰滅產(chǎn)生的微射流與高壓脈動對工件加工有著一定的影響.

這些研究結(jié)果有利于更好地理解超聲珩磨區(qū)的空化效應(yīng)， 能夠為實際加工提供必要的理論指導(dǎo).

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Characteristic Research on Ultrasonic Honing Cavitation Bubbles Considering the Evaporation and Condensation of Kerosene Vapor

WANG Lu-jie， ZHU Xi-jing， WANG Jian-qing

(School of Mechanics and Power Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China)

There is cavitation in the ultrasonic vibration honing processing.The micro jet and high pressure generated by bubble collapse have an effect on the workpiece surface.In order to apply cavitation theory to production under power ultrasonic honing reasonably, the model of cavitation bubble close to the actual environment must be established. So dynamic model of cavitation bubble was put forward under consideration of ultrasonic honing factors and evaporation and condensation of kerosene vapor. The equation was simulated and a cavitation test of the ultrasonic honing vibration system was made. The results show that: the variation of state parameters of cavitation bubbles is better to explain by considering the evaporation and condensation of kerosene vapor, and the maximum temperature and pressure of cavitation bubble collapse reaching 109K and 103Pa are affected particularly, thus it can not be neglected; With the initial radius of cavitation bubbles increasing, the maximum expansion amplitude and collapse time are decreasing; Besides undering the effect of ultrasonic vibration honing, the cavitation bubble motion is inhibited about one third smaller compared with traditional ultrasound, and the vibration frequency is faster than the latter; after the test, the aluminum foil appears a number of pits, which shows the cavitation effect plays a certain role in the machining of the artifact.

ultrasonic honing； cavitation bubble； kerosene vapor； evaporation； condensation

2016-09-05

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275490)； 山西省自然科學(xué)基金資助項目(201601D011061)

王潞杰(1989-)， 男， 碩士生， 主要從事精密與特種加工的研究.

1673-3193(2017)02-0150-05

TG580.67； O427.4

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.02.010