基于統(tǒng)計方法的超聲振動電火花油的空化場表征

宋滿倉，亓 立，劉軍山，孫厚彬

（1.大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024；2.三菱電機大連理工大學電加工技術中心，遼寧大連116024）

基于統(tǒng)計方法的超聲振動電火花油的空化場表征

宋滿倉1,2，亓 立1,2，劉軍山1，孫厚彬2

（1.大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024；2.三菱電機大連理工大學電加工技術中心，遼寧大連116024）

通過鋁箔腐蝕法測定不同條件下電火花工作液中的超聲空化場分布，用Image-J軟件提取腐蝕位置，借鑒金屬鹽霧腐蝕試驗統(tǒng)計方法量化超聲空化效應。結果表明：超聲在電火花工作液作用區(qū)域內的空化場分布不均勻，且隨著鋁箔與超聲振板距離的增加，鋁箔的腐蝕面積減小，空化效應減弱；頻率為28 kHz的超聲波在90 W功率條件下，80 mm范圍內的空化作用的衰減率降至75%，且隨著頻率增加，衰減變快。

電火花加工；超聲振動；電火花油；空化場表征

超聲波能在液體介質中產生巨大的能量及多種效應[1]，廣泛應用于超聲清洗、醫(yī)療、機械加工等領域。研究結果表明，超聲可通過空化效應促進各種物理和化學變化[2]?？栈饔檬侵复嬖谟谝后w中的微氣核（空化泡）在聲波作用下振動，當聲壓達到一定值時發(fā)生的生長和崩潰的動力學過程，其在極短的時間內可釋放幾百到幾千度的高溫并產生數(shù)百個大氣壓以上的高壓環(huán)境[3]。研究人員充分利用這種極端條件，將其應用到各種加工形式中，促進加工過程。

將超聲作用在電火花工作液中，并對其空化場的分布進行研究，能為后續(xù)超聲電火花復合加工的加工區(qū)域選擇奠定實驗基礎。超聲波在不同介質中有不同的空化泡傳播規(guī)律，已有很多學者對其在水中的運動理論進行了分析及模擬[4-6]，但其在電火花工作液中的空化場研究至今還沒有。眾所周知，超聲空化場的分布與電火花工作液介質的性質有很大的關系。超聲波在實際傳播過程中，由于熱損耗、散射等造成的超聲波衰減是不可避免的，其間涉及熱力學、流體力學及聲學等理論，且不同的超聲波頻率在同一介質中也有不同的衰減值，從而使超聲波的傳輸衰減機理變得極其復雜，尤其對復雜的介質更是如此；對其做到準確的理論分析更是變得非常困難，在多數(shù)情況下，只能通過具體實測來確定。

超聲電火花復合加工采用專用火花油 （Pac oil EDM F-1）作為工作液，它具有一定的粘性及較小的表面張力，且會因介質性質的不同引起超聲波衰減。因此，對超聲空化場進行實際檢測從而量化表征，得到反應器內高效區(qū)域的分布信息，可指導后續(xù)加工區(qū)域設置，并提高能量利用率。目前，超聲空化場的表征已成為評價超聲設備性能的重要手段。

評價超聲場的測量方法有鋁箔腐蝕法、染色法、水聽器法、熱電偶探頭法等，其中，鋁箔腐蝕法相比于其他方法更廉價易得,且簡便易行，常被應用于實驗室的研究[7-11]?；诖耍疚耐ㄟ^鋁箔腐蝕法對超聲空化場進行測量和表征，利用Image-J軟件并經灰度處理，提取腐蝕區(qū)域的位置信息，借鑒金屬鹽霧腐蝕試驗統(tǒng)計方法對腐蝕區(qū)占整體區(qū)域的面積比進行統(tǒng)計，作為空化強弱程度的代表，從而實現(xiàn)超聲空化場的定量表征，為下一步超聲電火花復合加工研究選擇合適的超聲加工區(qū)域奠定基礎。

1 實驗安排

1.1 實驗儀器

超聲振動電火花工作液的復合加工實驗原理見圖1。實驗采用EA8A精密電火花成形加工機床，其加工槽具有自循環(huán)系統(tǒng)，槽體尺寸為770 mm× 500 mm×190 mm。超聲振動裝置有三種頻率，分別為28、40、50 kHz，每套裝置均由超聲發(fā)生器、超聲振動盒（超聲換能器）及連接線組成，輔助配有功率計。三種頻率的超聲振動盒外觀見圖2，其外殼材質均為不銹鋼316，尺寸為180 mm×100 mm×80 mm，振板厚度為2.5 mm，功率為0～100 W可調，振動盒與長度1.5 m的不銹鋼出線金屬軟管連接，且整體密閉防水。

圖1 超聲振動電火花工作液實驗示意圖

圖2 超聲振動盒外觀三維示意圖

1.2 電火花工作液理化性質

Pac oil EDM F-1為一級火花機電蝕液，適用于精密電蝕加工，其粘度相對較低。加工時產生的煙霧及氣味極少，氧化穩(wěn)定性良好，使用壽命超長，且揮發(fā)性低、閃點高。同時，液體顏色清澈，不刺激皮膚及神經系統(tǒng)，使用安全。其20℃下的理化性質見表1。

表1 電火花油20℃下的理化性質

1.3 實驗方法及計劃

1.3.1 實驗方法

鋁箔腐蝕法是將表面質量均勻一致且平整的鋁箔以一定方式置于液體中，并在超聲波聲場的空化作用時間下，鋁箔表面出現(xiàn)點蝕，甚至破碎、脫落的現(xiàn)象。該方法簡單易行，能直觀地觀察超聲在液體中的作用變化，且能應用于不同的液體。

實驗中，將厚度10 μm的鋁箔置于自制鋁箔輔助夾具上（圖3），垂直放置于超聲傳播方向，并使超聲及鋁箔完全浸沒于電火花工作液中，經過一定時間后取出，分析空化腐蝕后的鋁箔，并以腐蝕面積來評價超聲波的空化強度及衰減過程。為了避免鋁箔整塊脫落而造成較大的誤差，實驗時將鋁箔腐蝕時間控制為30 s，可使鋁箔表面只產生凹坑變形而不穿孔。

圖3 鋁箔固定輔助夾具

上述方法的缺點在于鋁箔材料的厚度并不是絕對均勻，且操作過程中易產生折痕，這都會對測量結果產生誤差，故需通過多次測量取平均值的方法來彌補一定的誤差。

1.3.2 實驗計劃

本實驗探究三種頻率的超聲振動盒在電火花加工槽中的空化場分布。實驗條件設置如下：室溫（20℃）常壓，超聲波頻率為28、40、50 kHz，鋁箔平行放置于距超聲振板40、60、80 mm處，超聲振動盒及鋁箔浸沒于電火花工作液液面下。在不同功率下進行鋁箔腐蝕實驗，超聲作用時間均為30 s，可得到一系列的腐蝕圖樣。

為了改善鋁箔腐蝕法定量性差的缺點，借鑒金屬鹽霧腐蝕試驗統(tǒng)計方法將預處理后的腐蝕圖像進行取樣處理，分別計算每一小塊內的腐蝕面積占整個面積的比例，以此作為該區(qū)域的相對強度，得到一系列的量化值，從而探究不同頻率的超聲波在電火花工作液中的空化作用及其聲波衰減。

1.4 實驗評價分析

對采用鋁箔腐蝕法得到的不同腐蝕程度的鋁箔進行結果分析，確定每張鋁箔的空化腐蝕面積與整個面積的比例（即腐蝕面積比例），該比值越大，說明超聲波空化強度越強。同時，從不同距離處的腐蝕面積可得到聲波在液中的衰減情況。

借鑒大氣環(huán)境監(jiān)測中的金屬鹽霧腐蝕試驗統(tǒng)計方法對鋁箔腐蝕率進行計算，參考美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）發(fā)布的《大氣暴露下電鍍面板定額的標準實施規(guī)程》標準。該方法以5 mm×5 mm作為一個小方格，可在試樣表面劃分出很多個小方格，進而計算試樣的腐蝕率CR：

式中：n為出現(xiàn)腐蝕點的小方格數(shù)量；N為試樣表面劃分出的小方格數(shù)量的總和。

2 超聲空化場的統(tǒng)計表征

2.1 數(shù)據預處理

為得到實現(xiàn)超聲空化場可視化所用的數(shù)據，需對腐蝕后的鋁箔圖樣進行預處理。先對實驗后的鋁箔進行干燥處理，再用高分辨率相機等設備在同一位置對腐蝕圖樣進行拍攝取樣，然后導入Image-J軟件中進行灰度處理，并截取有效評價區(qū)域。圖4是在超聲功率90 W、鋁箔距離超聲振板40 mm處的條件下，三種頻率的超聲波對鋁箔的腐蝕圖像，均截取不同頻率的變幅桿軸向處60 mm×60 mm的面積。

圖4 不同超聲頻率下的鋁箔腐蝕圖像（超聲功率90 W、距離超聲振板40 mm）

2.2 超聲在電火花工作液中的空化場分布

2.2.1 不同頻率的超聲波在液中的空化密度

由于鋁箔被空化泡沖擊后會產生許多“點坑”，且不同的超聲頻率對鋁箔產生的點蝕沖擊直徑也不相同，因此，為了研究超聲振動過程中空化強度的增減變化趨勢，對每個超聲振動盒的其中一個變幅桿的作用效果進行圖像采集，并利用光學顯微鏡觀測單個空化泡沖擊鋁箔后產生的點蝕直徑大小。

不同頻率的超聲波在電火花工作液中的作用密度不盡相同。以超聲功率90 W、距離超聲振板40 mm為例，對比觀察三種超聲頻率的空化作用密度。圖5是在超聲變幅桿軸線處對10 μm鋁箔的腐蝕效果，圖像采集面積為3.5 mm×2.5 mm。可見，隨著超聲頻率的增加，空化泡的尺寸變大，且空化密度逐漸增加。

2.2.2 不同頻率的超聲波在液中的空化分布

以不同超聲頻率的變幅桿軸向處面積60 mm× 60 mm為取樣點、5 mm×5 mm作為一個小方格，將試樣劃分為144個小方格，根據式（1）計算試樣的腐蝕率。在清算腐蝕方格的過程中，為了減小鋁箔腐蝕后存在的折痕起皺及亮點、亮痕、亮斑帶來的計算誤差，計算衡量標準設置如下：以小格對角線為準，每一小格的腐蝕面積過半（≥50%）即計算在腐蝕方格數(shù)n內（清算過程中忽略凹坑強度）。

圖5 不同超聲頻率對鋁箔腐蝕的影響

圖6是鋁箔腐蝕的統(tǒng)計示例。以圖6a為例：在28 kHz、90 W、40 mm條件下，N為144，n為125，則CR=（125/144）×100%=86.8%。以此方法，可分別計算出超聲頻率為28、40、50 kHz時，不同實驗參數(shù)下的鋁箔腐蝕率，并計算得到鋁箔距離超聲振板40～80 mm范圍內的衰減率（表2）。

圖6 不同參數(shù)下的鋁箔腐蝕統(tǒng)計示例

2.3 空化場表征結果分析

通過鋁箔腐蝕實驗結果可知，空化場的分布與超聲頻率、功率及鋁箔距超聲振板的距離有著密切的關系。

（1）28 kHz低頻超聲波的指向性強，聲源能量聚焦性好，空化效應較強；50 kHz高頻超聲波的空化泡尺寸小但密度大，空化效應較弱，需在大功率下有較好的表現(xiàn)。

表2 鋁箔腐蝕統(tǒng)計結果

（2）該專用電火花工作液中的超聲波衰減率較大，這與液體介質的粘性及超聲傳播特性有很大的關系。將超聲作用在水中，由圖8可看出，在超聲頻率28 kHz、功率90 W條件下，超聲作用相同時間后，不僅90%以上的區(qū)域出現(xiàn)了凹坑變形，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)了穿孔，且在80 mm范圍內，空化作用衰減不到10%。由此可看出，介質的性質影響著超聲空化場的分布及衰減，研究超聲場的分布在超聲電火花加工實驗中至關重要。

（3）超聲空化作用主要發(fā)生在距離超聲振板前方80 mm范圍內。使用該超聲設備時，超聲作用范圍應盡量控制在60 mm范圍內，功率應在70 W以上，并根據所需的超聲空化密度來選擇不同的超聲頻率。

圖7 超聲在水中空化作用的腐蝕效果

基于上述分析，在超聲電火花加工中應根據需要選擇最佳的超聲參數(shù)。粗加工時，可選擇頻率相對較低的超聲波，同等超聲參數(shù)下其空化效應力度大且作用力強，適用于粗加工時去除較大的電蝕產物；半精加工及精加工時，可視加工情況選擇中、高頻的超聲波，其空化泡小而多，適合于去除微細電蝕產物，可有效避免積碳等現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結論與展望

（1）本文選擇鋁箔腐蝕法對電火花工作液內的超聲空化分布進行測量，以高分辨率采集數(shù)據，并將環(huán)境學科的統(tǒng)計方法靈活應用于工程應用，對超聲空化場測量表征進行了有效量化。該方法的研究和探索，為下一步超聲電火花復合加工應用提供了一定的參考。

（2）電火花油的粘度約為純水的三倍，但表面張力系數(shù)比純水低，這將有利于空化。但高粘度加劇了聲能在溶液中的粘滯消耗和衰減，導致溶液發(fā)生空化現(xiàn)象變得困難，同時也大大降低了溶液的振動效應。

（3）本統(tǒng)計方法簡單高效，對于外專業(yè)人員及操作工都可輕易掌握。即使換了應用背景及介質性質，都能用該方法進行超聲空化場的應用及探索。

[1] 馮若.超聲手冊[M].南京：南京大學出版社，1999.

[2] 李廷盛，尹其光.超聲化學[M].北京：科學出版社，1995. [3] 張海瀾.理論聲學[M].北京：高等教育出版社，2008．

[4] 吳曉霞，張華余，馬空軍.超聲空化泡運動特性的研究進展[J].應用聲學，2012，31（6）：416-422.

[5] 崔方玲，紀威.超聲空化氣泡動力學仿真及其影響因素分析[J].農業(yè)工程學報，2013，29（17）：24-29.

[6] 張紅，丁述理，徐博會，等.超聲空化氣泡運動的數(shù)值模擬[J].河北建筑科技學院學報（自然科學版），2013，30 （4）：103-107.

[7] 李爭彩，林書玉.超聲空化影響因素的數(shù)值模擬研究[J].陜西師范大學學報（自然科學版），2008，36（1）：38-42.

[8] HODNETT M，ZEQIRI B.A strategy for the development and standardisation of measurement methods for high power cavitating ultrasonic fields:review of high power field measurement techniques[J].Ultrasonics Sonochemistry，1997，4（4）：273-288.

[9] GOGATE P R，TATAKE P A，KANTHALE P M，et al. Mapping of sonochemical reactors:review,analysis,and experimental verification[J].Aiche Journal，2002，48（7）：1542-1560.

[10]郭璇，楊艷玲，李星，等.基于Matlab的超聲空化場測量與可視化分析[J].中國環(huán)境科學，2016，36（3）：719-726.

[11]劉麗艷，聞精精，楊洋，等.基于MATLAB的超聲空化場表征與三維可視化[J].天津大學學報（自然科學與工程技術版），2013（12）：1133-1138.

Measurement of Ultrasonic Cavitation Field in the Spark Oil Based on Statistical Theory

SONG Mancang1,2，QI Li1,2，LIU Junshan1，SUN Houbin2
（1.Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining of Ministry of Education，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.MITSUBISH-DUT Electrical Discharge Machining Technology Center，Dalian 116024，China）

The distribution of ultrasonic cavitation field in the spark oil under varied sonication conditions was measured used of aluminum foil erosion method.The position of the erosion point found out by the Image-J，.The quantitative ultrasonic cavitation result has been achieved by the statistical method of salt spray corrosion test.The results showed that the distribution of ultrasonic cavitation field was uneven.In addition，the erosion areas decreased with the increasing of distance from the ultrasonic vibration plate，accompanying a worse cavitation effect.Under the power of 90 W，the ultrasonic vibration of 28 kHz can decreased by 75%within the scope of 80 mm，and the higher frequency the faster the decreasing.

EDM；ultrasonic vibration；spark oil；measurement of cavitation field

TG663

A

1009－279X（2017）03－0063-05

2017-01-30

國家重點研發(fā)計劃資助項目（2016YFC1202503）

宋滿倉，男，1964年生，副教授。