自激脈沖特性磨料水射流浸沒式拋光數(shù)值分析與有效性實驗驗證

鄧乾發(fā)，汪楊笑，呂冰海，厲淦，程軍，袁巨龍

精密與超精密加工

自激脈沖特性磨料水射流浸沒式拋光數(shù)值分析與有效性實驗驗證

鄧乾發(fā)，汪楊笑，呂冰海，厲淦，程軍，袁巨龍

（浙江工業(yè)大學 a.超精密加工研究中心 b.特種裝備與先進加工技術(shù)教育部重點實驗室，杭州 310023）

提高磨料水射流在浸沒環(huán)境中的加工能力，研究流體自激脈沖特性對磨料水射流拋光的影響。提出一種基于流體自激脈沖特性的磨料水射流浸沒式拋光方法，簡稱浸沒式自激振蕩磨料水射拋光（Submerged Self-excited Oscillation Abrasive Water Jet Polishing，SSEO-AWJP），利用腔室特定邊界條件，使磨料水射流獲得自激脈沖特性，使其在水中獲得更好的加工性能。首先利用數(shù)值模擬分析自激脈沖射流在浸沒環(huán)境下的流體狀態(tài)；之后研究噴嘴與工件的軸向距離和入射角度對加工表面受力的影響；最后搭建SSEO-AWJP加工實驗平臺，進行氮化硅拋光對比實驗，以驗證流體自激脈沖特性對提高浸沒環(huán)境中磨料水射拋光能力的有效性。SSEO-AWJP射流束在液體中以脈沖的形式存在，并具有更好的保持性。當射流束沖擊工件時，其脈沖特性破壞了工件表面停滯層的穩(wěn)定性，使得峰值壁面剪切力fm在工件表面往復移動并增大，以實現(xiàn)材料的高效去除。氮化硅表面拋光實驗表明，相同條件下，定點加工25 min，浸沒式磨料水射流拋光加工區(qū)域的最大去除深度為6.86 μm，SSEO-AWJP加工區(qū)域的最大深度為17.30 μm。浸沒式磨料水射流加工14次后，粗糙度穩(wěn)定在35.7 nm；SSEO-AWJP加工5次后，穩(wěn)定在48.8 nm。使用SSEO-AWJP加工的工件，其表面粗糙度的下降速度始終大于磨料水射流，但是受磨粒動能影響，相同條件下，SSEO-AWJP的表面粗糙度會更高，而使用更細的磨料，可以令兩種方法加工后的表面質(zhì)量更加接近。結(jié)論通過數(shù)值模擬與實驗分析驗證了SSEO-AWJP的有效性，利用自激脈沖特性可以實現(xiàn)磨料水射流在浸沒環(huán)境下達到高效加工的目的。

自激振蕩；磨料射流；浸沒加工；陶瓷；拋光；數(shù)值模擬

磨料水射加工是精密和超精密加工技術(shù)領(lǐng)域近年來發(fā)展最快的非傳統(tǒng)加工方法之一，其原理是利用磨料與高速水射流混合，并將磨料加速到具有足夠高的動能時沖擊工件表面，以實現(xiàn)材料的去除[1]。磨料水射流作為一種非接觸加工方法，會使得工件表面產(chǎn)生更少的劃痕與裂紋，同時可以減少工具的磨損，以提高工藝的穩(wěn)定性，并且在其冷加工過程中，工件表面無熱變形和殘余應(yīng)力較小。這些優(yōu)點使其在硬脆材料的拋光中受到廣泛關(guān)注[2-4]。磨料水射流通常在大氣中運行，會產(chǎn)生嚴重的噪音，對操作人員的中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響，同時會伴隨著水霧和粉塵的產(chǎn)生。相比于昂貴的解決方案，Radavanska等[5]提出在水下加工來減少噪音，并且可以消除加工過程中水霧和粉塵的產(chǎn)生，但是隨著入射深度的增加，射流束的動能會快速衰減。除此之外，磨料水射流由于拋光工具小的優(yōu)點，在加工隙縫凹槽、盲孔等具有其特有的優(yōu)勢，然而在加工過程中容易形成局部的浸沒環(huán)境，受此影響，從而降低其加工效率，因此研究一種可以在浸沒環(huán)境中高效加工的新型磨料射水流方法就顯得十分必要。

磨料水射流在不同環(huán)境的拋光示意如圖1所示。無論在空氣，還是在浸沒環(huán)境的加工過程中，沖擊區(qū)域內(nèi)的射流與工件表面之間都存在相對穩(wěn)定的保持層，被稱為停滯層[6]。它直接抵抗射流沖擊，并消耗一部分射流的能量。磨料顆粒直徑越小，受到停滯層的影響越大，而停滯層的存在進一步削弱了磨料水射流在浸沒環(huán)境中的加工能力[7-8]。

圖1 磨料水射流拋光示意

磨料水射流拋光往往采用較細的磨料，從而導致加工效率低下。為了提高射流的加工效率，國內(nèi)外學者主要在兩方面提出創(chuàng)新：增加射流束的數(shù)量[9]；將射流與輔助場結(jié)合[10-11]。這兩種方法本質(zhì)上都需要外界提供額外能量來提高射流束加工時的總動能。流體自振是一種常見的自然現(xiàn)象，利用特定的腔室結(jié)構(gòu)與邊界條件，可以使流體動能得到瞬間增強，令腔室內(nèi)的流體速度與壓力發(fā)生周期性變化，將連續(xù)射流流體轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖射流流體，并提高流體峰值速度。張洪[12]發(fā)現(xiàn)，在特定結(jié)構(gòu)參數(shù)下，自激振蕩脈沖射流峰值速度是普通射流的1.53倍。王星等[13]利用自激振蕩空化射流加工硅片，在保證粗糙度不變的情況下，加工效率提升了20%。鄧乾發(fā)等[14]利用自激振蕩效應(yīng)，提高軟性磨粒流的湍動能，從而提高了加工效率。潘巖等人[15]研究發(fā)現(xiàn)，自激脈沖特性在浸沒高圍壓環(huán)境下依然表現(xiàn)出較好的效果，因此該效應(yīng)也被利用在油井開采與深海開發(fā)之中。

針對浸沒式磨料水射流拋光工作效率低的問題，筆者提出浸沒式自激振蕩磨料水射流拋光。本文首先介紹了SSEO-AWJP的自激脈沖特性原理與材料去除機理，之后利用數(shù)值仿真軟件對射流流場進行建模仿真，對比有無自激脈沖特性在浸沒環(huán)境下軸向距離對射流束的影響，并在之后進行了浸沒環(huán)境加工仿真，研究了自激脈沖特性對工件表面停滯層和壁面剪切力的影響。最后進行了氮化硅表面的對比拋光實驗，探討了自激脈沖特性對材料去除機理的影響，驗證這種新型射流加工方法的有效性。

1 加工原理

1.1 流體自激脈沖特性原理

流體自激脈沖特性原理如圖2所示。流體經(jīng)過柱塞泵達到一定的壓力后，首先在后磨料混合裝置與磨料漿液混合。該裝置采用一種新型的后磨料混合方法，混合室具有兩個進料口，一個直接與大氣相連接，另一個與磨料漿液相連接，保證自激振蕩腔室的上噴嘴出口處可以得到磨料濃度一定且分布均勻的拋光液射流束[16]?；旌虾蟮膾伖庖河缮蠂娮爝M入自激振蕩腔室，自激振蕩腔室由上噴嘴底面、保持體的內(nèi)壁與下噴嘴的內(nèi)壁面共同組成。流體自激脈沖特性的實現(xiàn)包括了3個基本機理的共同作用，分別是射流剪切層不穩(wěn)定地選擇放大、擾動波反饋和自激振蕩腔室的共振[17]。拋光液進入自激振蕩腔室時，由于入口處面積的突變，會產(chǎn)生初始擾動，并被剪切層選擇放大[18]，之后包含著放大渦環(huán)尺度的剪切層，撞擊下游的錐形碰撞壁，并產(chǎn)生壓力擾動波[19]，壓力擾動波向上游傳播，在入口處引起新的擾動，以此形成正反饋，并與自激振蕩腔室形成共振。

圖2 流體自激脈沖特性原理

1.2 材料去除機理

在SSEO-AWJP加工過程中，射流束以一定角度沖擊工件，流體介質(zhì)夾雜著磨料顆粒高速運動，因為磨粒的體積非常小，可以認為磨粒和流體介質(zhì)具有相同的速度，如圖3a所示。磨粒在獲得一定的動能后，與工件表面的微小隆起發(fā)生碰撞，實現(xiàn)材料的去除。單顆粒的材料去除如圖3b所示，磨料在入射角度下以速度p沖擊工件表面。磨料顆粒的實際動能為M，可分解為MC和MD兩部分，分別表示如下：

式中：為侵蝕消耗動能的比例系數(shù)；p為磨粒的質(zhì)量；p為磨粒的速度；為入射角度；MC為實際動能的法向穿透分量；MD為實際動能用于切削作用的切向分量。

將MC與臨界能量C進行對比來確定材料的去除機理。當MC大于C時，材料去除主要是脆性去除，會導致表面出現(xiàn)脆性斷裂，從而出現(xiàn)損傷，C可以表示為：

式中：為斷裂形式的無量綱系數(shù)；為工件的彈性模量；IC為斷裂韌性；為維氏硬度。

在磨料水射流拋光中，脆性材料的去除依靠切削作用MD的延性去除，即MC小于C時，脆性斷裂會被抑制，材料的主要去除機制是韌性的切割與剪切。由單顆粒引起的去除量為[20]：

流體在腔室內(nèi)發(fā)生自激振蕩，變化十分復雜。不考慮進入腔室后濃度、熱量的變化，變化的速度流場可以表示為[21]：

式中：p為腔室出口處的磨料速度；v為腔室入口處的磨料速度；1為比例常數(shù)；為階振蕩頻率；φ為階振蕩相位。

拋光液在經(jīng)過自激振蕩裝置后，將流體原來的連續(xù)射流轉(zhuǎn)換為脈沖射流，利用其脈沖特性，破壞停滯層的穩(wěn)定性，且在自激振蕩腔的作用下，可以獲得更高的速度，從而提高射流束的加工效率。

2 自激振蕩磨料水射流仿真建模

2.1 物理模型建立與網(wǎng)格劃分

高速水射流與磨料漿液混合后，從上游噴嘴進入自激振蕩腔室，經(jīng)過腔室的脈沖調(diào)制后，以一定角度沖擊工件的表面。根據(jù)實際加工情況，建立仿真模型，入射角度為90°時SSEO-AWJP的物理模型如圖4所示。圖4中黑色粗實線圍成的區(qū)域即為整體的流場域，其紅色虛線框分別表示自激振蕩腔與外界流場域的計算域，其中邊界-為速度入口，邊界-為壁面，邊界-為壓力出口，邊界-根據(jù)仿真模型需要設(shè)定為壓力出口或壁面。

根據(jù)相關(guān)學者的研究[22-23]，自激振蕩腔室結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍為：下噴嘴直徑與上噴嘴直徑比21=1.1～ 1.4，長徑比cc=0.4～0.7，碰撞壁截面夾角p=120°。其中腔室內(nèi)軸向約束對流體自激有顯著影響，而徑向方向的約束對其影響有限[24]。取自激振蕩腔室結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：上游噴嘴直徑1為0.76 mm，下游噴嘴直徑2為1 mm，自激振蕩腔直徑c為9 mm，碰撞壁截面夾角p為120°，腔長c為4 mm。

圖4 SSEO-AWJP的物理模型

根據(jù)SSEO-AWJP的物理模型，利用ICEM建立相應(yīng)的流體計算域。入射角度為90°時的計算域三維模型如圖5a所示，本次仿真模型依靠調(diào)整邊界-與軸線的夾角和軸向距離來分析不同入射角度與軸向距離對加工的影響。為了兼顧計算的準確性和效率[25]，將模型簡化為對稱的二維模型，使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行劃分，并對剪切層與碰撞壁附近的網(wǎng)格進行加密，其二維軸網(wǎng)格如圖5b所示。

圖5 流體計算域模型

2.2 邊界條件與初始設(shè)置

仿真模型的邊界條件如圖5b所示，其邊界-為混合后拋光液的入口，邊界設(shè)置為速度入口，并采用均勻的流量分布，其中水的體積分數(shù)設(shè)置為1。當水壓為的時候，通過后磨料混合裝置將其轉(zhuǎn)化為動能，其速度w為：

式中：w為水噴射系統(tǒng)的效率；為入口壓力；w為水的密度。

磨料水射拋光硬脆材料時，通常使用較低的壓力[2]。當水壓為10 MPa、磨料漿液流量為15 mL/min時，忽略磨料漿液對速度的影響，計算得到的入口速度為135 m/s，并將該值代入-的邊界條件。

將邊界-設(shè)置為壁面條件，其作為加工時水面與空氣的邊界。設(shè)置邊界-為壓力出口，磨料水射流在沖擊工件后從該邊界流出，由于浸沒射流加工的軸向距離較短，不考慮深度引起的水壓變化，設(shè)置默認表壓為0。邊界-根據(jù)仿真條件的需要設(shè)置為壁面狀態(tài)或壓力出口，當設(shè)置為壓力出口時，射流束從該邊界直接射出，用于研究射流束在浸沒環(huán)境下的狀態(tài)；當設(shè)置為壁面狀態(tài)時，射流束沖擊該邊界，是加工的主要區(qū)域，用于研究加工過程中工件表面停滯層以及壁面剪切力的變化。其他邊界包括了碰撞壁，側(cè)壁和管壁都設(shè)置為防滑壁面條件，并使用增強壁函數(shù)方法進一步解決近壁流動問題。自激振蕩腔室內(nèi)部流場為湍流流場，而腔室內(nèi)還涉及復雜的渦-波變化，所以采用湍流模型中的大渦模擬（Large Eddy Simulation）模型。求解器選用的是基于壓力隱式求解器，采用壓力耦合方程的Coupled算法求解，設(shè)置動量的離散格式為Bounded Central Differencing，同時把壓力的離散格式設(shè)置為PRESTO!，其他項用二階迎風格式進行離散。在仿真過程中，時間步長設(shè)置為1×10–7s，并保持恒定，具體仿真條件見表1。

表1 仿真的主要設(shè)置

Tab.1 Main settings for simulation

3 SSEO-AWJP的脈沖特性加工仿真

3.1 軸向距離對射流束速度的影響

自激振蕩腔室內(nèi)的速度分布與腔室軸線的軸向速度分布曲線如圖6所示。從圖6可以得知，拋光液進入自激振蕩腔，經(jīng)過一段距離后，進入分離區(qū)，并形成了一系列不連續(xù)渦流擾動。其受到環(huán)境流體黏度和強剪切流的影響，向下游持續(xù)發(fā)展長大，剪切層撞擊錐形碰撞壁后，形成壓力擾動波，向上游反饋，并在分離區(qū)處誘導新的擾動產(chǎn)生，以此形成流體的自激振蕩。流體在腔室內(nèi)完成振蕩加速，并在下游噴嘴處形成速度脈沖，速度脈沖沿著下游噴嘴移動距離2后，進入外界流場域中。以此可以得出，其腔室仿真模型與第2節(jié)中流體自激脈沖產(chǎn)生的理論相一致，這表明仿真模型建立的正確性。之后將自激振蕩腔室的計算域與外界流場計算域相結(jié)合，分析具有脈沖特性的射流束在浸沒環(huán)境下的能量衰減情況。

圖6 自激振蕩腔室內(nèi)的速度分布

為了研究在浸沒環(huán)境下射流束的動能衰減情況，將邊界-設(shè)置為壓力出口，并設(shè)置軸向距離= 20 mm。浸沒式磨料水射流拋光（Submerged Abrasive Water JetPolishing, S-AWJP）和SSEO-AWJP外界流場的速度分布及軸向速度分布曲線如圖7所示。從圖7a、b可以發(fā)現(xiàn)，S-AWJP在進入水中后，其結(jié)構(gòu)明顯分為初始段、基本段、消散段3個部分。在初始段，射流速度基本保持不變；在基本段中，射流束開始與周圍環(huán)境混雜紊亂，其速度開始急速衰減；在消散段中，射流束的衰減速度逐漸減緩。SSEO-AWJP在水中呈現(xiàn)速度脈沖的形式，沒有如同S-AWJP的3個階段區(qū)域。從外界流場軸線處的軸向速度分布（如圖7c所示）可知，當軸向距離≤4.8 mm時，S-AWJP的速度沒有發(fā)生衰減；當4.8 mm<≤10 mm時，軸向速度急速衰減；當>10 mm時，軸向速度繼續(xù)衰減，但是衰減速度減慢。通過SSEO-AWJP的軸向速度分布曲線發(fā)現(xiàn)，其速度脈沖的峰值速度只是發(fā)生較小的衰減。

圖7 S-AWJP和SSEO-AWJP外界流場的速度分布

仿真模型中，浸沒環(huán)境下外界流場的最大軸向距離為20 mm，在每隔2 mm處設(shè)置監(jiān)控點來監(jiān)測各個點的速度變化情況。=4 mm時的速度時域圖見圖8，記錄每個點的平均速度峰值與速度谷值，并使兩者相減，得到速度波動幅值。不同軸向距離下，SSEO- AWJP的速度峰值與速度波動幅度如圖9所示。從圖9中可得，速度峰值p與速度波動幅值dp隨著軸向距離的增加先上升，在=4 mm時，p與dp同時達到最大，分別為164.60 m/s和80.4 m/s，之后隨著的增加逐漸減小，在=20 mm時，p與dp分別下降至152.52 m/s和46.69 m/s。dp的變化趨勢與p一致，但是dp隨著軸向距離的增加發(fā)生更大幅度的衰減，這意味著SSEO-AWJP的脈沖特性會隨著水中深度的增加而逐漸減弱。在足夠大的深度下，脈沖特性消失后，射流束同S-AWJP一樣開始發(fā)散。在=20 mm出口處，S-AWJP的軸向速度從最高速度138.20 m/s減弱至29.50 m/s，衰減幅度高達78.65%，而SSEO- AWJP的脈沖峰值速度從最高速度164.60 m/s衰減至152.52 m/s，僅僅衰減了7.35%，SSEO-AWJP的自激脈沖特性使其速度在浸沒環(huán)境下具有更好的保持性。

圖8 速度時域圖（S=4 mm）

圖9 不同軸向距離下軸向速度峰值與波動幅度

3.2 浸沒式拋光數(shù)值分析與討論

各取S-AWJP初始段、基本段、消散段3個區(qū)域內(nèi)的一個軸向距離進行浸沒式加工仿真，設(shè)置軸向距離分別為4、8、12 mm，并將邊界-設(shè)置為壁面條件，將其作為加工區(qū)域。不同軸向距離下的壓力分布如圖10所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著軸向距離的增加，停滯層的作用范圍逐漸增大，且其中心停滯壓力s逐漸降低。不同軸向距離的壁面剪切力分布如圖11所示，其壁面剪切最大的值為峰值壁面剪切力fm。結(jié)合圖10發(fā)現(xiàn)，當=4 mm時，s達到最大值（9.4 MPa），此時fm也達到最大，為70 664.16 Pa；當=8 mm時，s下降至4.77 MPa，fm隨之減小為28 412.35 Pa；當=12 mm時，s達到最小值（1.76 MPa），同時fm也達到最小，為12 281.91 Pa。結(jié)果表明，停滯層會影響壁面剪切力，當停滯層的壓力減小時，壁面剪切力也隨著減小。根據(jù)式（4）可得，材料的去除量主要由射流束的動能和入射角度決定。入射角度為90°，為4、8、12 mm時，對應(yīng)的射流速度分別為138、85.26、58.2 m/s，其對應(yīng)的峰值壁面剪切力分別為70 664.16、28 412.35 、12 281.91 Pa，即可得：

圖10 不同軸向距離下的壓力分布

圖11 不同軸向距離下的壁面剪切力分布

結(jié)合式（4）可得：

式中：s4、s8、s12分別是軸向距離為4、8、12 mm時的速度；fm4、fm8、fm12分別是軸向距離為4、8、12 mm時的峰值壁面剪切力；1為去除量比例系數(shù)。

因此將峰值壁面剪切力fm作為加工效率的表征量，當軸向距離分別為4、8、12 mm時，其對應(yīng)的fm依次為70 664.16、29 627.84、12281.91 Pa。隨著軸向距離的上升，磨料水射流的加工能力急速下降。

射流束作用在工件表面時，會產(chǎn)生停滯層，削弱其加工能力。Lv Z[26-27]提出了利用超聲輔助破壞其停滯層的穩(wěn)定性來提高加工效率。SSEO-AWJP的自激脈沖特性使得停滯層發(fā)生周期性變化，其加工工件停滯層的壓力變化如圖12所示，對應(yīng)的局部速度矢量圖見圖13。由圖13可知，磨料射流束受到停滯層的影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并在工件表面產(chǎn)生壁面剪切力，一段距離后達到峰值。

=4 mm時，壁面剪切力的變化曲線如圖14所示。取停滯層壓力最小的時刻作為0，其中心停滯壓力s為6.15 MPa，此時峰值壁面剪切力fm最小，為63 614.49 Pa；經(jīng)過50 μs后，s逐漸上升，達到7.93 MPa，其對應(yīng)的fm上升至78 673.42 Pa；在0+100 μs時刻，s達到最大值（10.95 MPa），同時fm也達到最大值（83 816.39 Pa）。除此之外，還可以發(fā)現(xiàn)，隨著時間的延長，峰值壁面剪切力fm在工件表面往復移動，這有利于硬脆材料的延性去除。根據(jù)3.1節(jié)對軸向速度的分析，隨著軸向距離的增加，SSEO- AWJP的軸向速度峰值p緩慢衰減，不同軸向距離下停滯層的變化趨勢與=4 mm相似。不同的軸向距離（4、8、12 mm）下，其對應(yīng)0+100 μs時刻的峰值壁面剪切力fm分別為84 077.03、79 563.60、75 933.40 Pa，加工能力只是略有衰減。由此可得，流體自激脈動特性可以有效提高浸沒環(huán)境中磨料水射流的加工能力。

在磨料水射流加工時，射流束通常會傾斜一定的角度，以降低法向穿透分量MC，而加工表面的粗糙度與MC的關(guān)系為[28]：

式中：E(Ra)為工件的表面粗糙度；UMC為法向穿透分量；η為代表侵蝕消耗的動能比例的系數(shù)；p為流動應(yīng)力；B為切削面的寬度；ψ和K是材料描述的常數(shù)，通常選擇ψ=K=2。

圖13 停滯層的局部速度矢量變化

圖14 壁面剪切力變化曲線（S=4 mm）

由式（9）可知，在浸沒環(huán)境中加工時，S-AWJP可以依靠改變軸向距離和入射角度使得穿透法向分量MC降低，從而獲得更好的表面質(zhì)量。但這兩種方式都會令其射流束在水中的行程增加，使得動能下降，導致加工效率降低。如圖15a所示，當軸向距離=4 mm、逐漸減小時，射流束在水中的行程從4 mm逐漸上升至8 mm，S-AWJP的fm從70 664.16 Pa迅速下降至26 769.99 Pa。SSEO-AWJP在不同入射角度下，0+100 μs時刻對應(yīng)的壁面剪切力分布曲線如圖15b所示。當為90°時，其對應(yīng)的fm最大，為83 816.39 Pa。隨著入射角度的減小，在為45°時，fm出現(xiàn)極大值，為78 245.63 Pa。除此之外，在低的入射角度下，fm沒有發(fā)生大量的衰減，這也反映了SSEO- AWJP的材料去除量受到射流動能變化的影響不大，其值的變化主要受到入射角度的影響。因此，在浸沒環(huán)境中，SSEO-AWJP主要依靠減少入射角度來減少MC。相同條件下，SSEO-AWJP的加工效率將大于S-AWJP，但由于其顆?？倓幽芨螅瑢е聦?yīng)的MC更大，所以SSEO-AWJP的粗糙度往往會更大。

圖15 入射角度對壁面剪切力的影響（S=4 mm）

4 實驗驗證和討論

為了驗證該加工方法的可行性及有效性，搭建了浸沒式自激振蕩磨料水射流拋光實驗平臺，如圖16所示。自激振蕩磨料射流裝置是整個設(shè)備最關(guān)鍵的部分，實驗裝置由后磨料混合裝置與自激振蕩裝置兩部分組成，本次后磨料混合裝置采用新型的后磨料混合方式。純水被柱塞泵加壓至預(yù)設(shè)定的壓力，再經(jīng)過蓄能器消除壓力脈動后，進入后磨料混合裝置。然后與磨料漿液混合后進入到自激振蕩裝置，其自激振蕩腔室由上噴嘴底面、保持體的內(nèi)壁與下噴嘴的內(nèi)壁面組成，腔室長度為可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，上噴嘴和下噴嘴設(shè)計為可以拆卸結(jié)構(gòu)。利用腔室特有的結(jié)構(gòu)與邊界條件，將流體的連續(xù)射流轉(zhuǎn)化為脈沖射流，然后具有脈沖特性的磨料水射流以一定角度作用于工件，實現(xiàn)材料的去除。

圖16 浸沒式自激振蕩磨料水射流拋光實驗平臺

4.1 壓力波動檢測實驗

為了驗證自激振蕩射流的脈沖特性，進行沖擊驗證實驗。使用HZT-T-10 N壓力傳感器測量沖擊力，通過D056測力采集器將其得到的信號轉(zhuǎn)化為沖擊壓力，并將沖擊力的數(shù)據(jù)傳送至電腦進行數(shù)據(jù)分析。調(diào)節(jié)、軸，使得噴嘴對準傳感器圓心，調(diào)節(jié)軸，使得軸向距離為4 mm，并設(shè)置柱塞泵的入口壓力=10 MPa，磨料漿液流速a15 mL/min，調(diào)節(jié)腔室長度c=4 mm。為了避免工作平臺啟動時導致壓力不穩(wěn)定，選擇10 s后進行數(shù)據(jù)的測量和讀取，測得的壓力信號如圖17所示。讀取100個極大沖擊壓力max與極小沖擊壓力min，分別取平均值，將得到max的平均值作為沖擊壓力峰值p，將平均max與min的差值作為振蕩幅度p。其中自激脈沖射流的沖擊壓力峰值p達到了0.9399 N，其對應(yīng)的振蕩幅度p為0.2439 N；而沒有自激脈沖特性的射流沖擊峰值為0.7735 N，其對應(yīng)的振蕩幅度為0.0204 N。結(jié)果表明，利用流體的自激脈沖特性可以有效提高沖擊壓力峰值，使得停滯層的壓力發(fā)生周期性變化，從而提高加工效率。

圖17 沖擊壓力的時域信號

4.2 氮化硅表面拋光實驗

實驗工件為20 mm×20 mm氮化硅基片，其主要力學性能見表2。使用800#的碳化硅磨料對基片進行預(yù)處理，工件研磨后的初始表面粗糙度約為108.9 nm。實驗的加工軌跡如圖18所示。噴嘴在工件表面移動一定距離，然后沿垂直于移動的方向進給一定距離，然后移動直到覆蓋整個表面。為了確保橫移路徑共軛，設(shè)定進給距離等于噴嘴半徑，詳細的實驗條件見表3。

圖18 加工軌跡

表2 氮化硅的性質(zhì)

Tab.2 Properties of Si3N4

表3 實驗條件

Tab.3 Experimental condition

從浸沒加工仿真分析得知，磨料水射流進入水中后，其加工能力會隨著在水中行程的增加而急速下降。為了驗證利用流體的自激脈動特性可以提高射流束在浸沒環(huán)境中的加工能力，進行氮化硅表面拋光對比實驗。取入射角度30°、45°、60°進行實驗研究，磨料為5000#的碳化硅，其他參數(shù)見表3。拋光1次工件完整表面的時間是800 s，為了節(jié)省加工時間，在研究不同的工藝參數(shù)對加工的影響時，只加工5 mm× 20 mm的矩形區(qū)域，加工1次僅需要200 s。

利用浸沒式自激振蕩磨料水射流拋光實驗平臺進行定點加工。當入射角為90°時，加工照片和使用VHX-1000超景深得到的表面輪廓曲線如圖19所示?？梢钥闯?，加工后的表面輪廓呈現(xiàn)“W”型，仿真結(jié)果的壁面剪切力呈“M”型變化，在峰值壁面剪切力fm處，材料去除量最大，實驗結(jié)果與流體仿真分析一致。定點加工25 min，取加工區(qū)域材料去除深度最大值max，比較浸沒環(huán)境中不同入射角度下，SSEO-AWJP與S-AWJP的加工效率，如圖20所示。當=60°時，S-AWJP加工區(qū)域的max為12.83 μm，SSEO-AWJP加工區(qū)域的max為18.10 μm；當=45°時，S-AWJP加工區(qū)域的max為9.9 um，SSEO-AWJP加工區(qū)域的max為19.48 μm；當=30°時，S-AWJP加工區(qū)域的max為6.86 μm，SSEO-AWJP加工區(qū)域的max為17.3 μm。隨著減小，S-AWJP的max不斷下降，而SSEO-AWJP可以保持較高的加工效率，并且在=45°時，其max存在極大值，與仿真結(jié)果一致。S-AWJP的射流束在水中行程增加，動能損耗加大，導致加工效率逐漸下降，而利用流體自激脈沖特性使得SSEO-AWJP保持較高的加工效率。

工件表面應(yīng)通過多次加工以完全消除劃痕以及工件固有的微小瑕疵和峰表面形貌特征。本次實驗選用表面輪廓的算術(shù)平均值（）評估加工工件的表面質(zhì)量。利用超聲波清洗拋光后的工件，并在加工區(qū)域內(nèi)4個不同位置使用FORM TALYSURF I60粗糙度儀和輪廓儀測量表面粗糙度，每個點測量3次，以得到平均表面粗糙度。軸向距離=4 mm時，不同入射角度下表面粗糙度隨加工次數(shù)的變化如圖21所示。當=60°時，S-AWJP加工8次后，工件表面粗糙度穩(wěn)定在51.4 nm，SSEO-AWJP加工3次后，粗糙度穩(wěn)定在68.7 nm；當45°時，S-AWJP加工9次后，穩(wěn)定在45.8 nm，SSEO-AWJP加工4次后，穩(wěn)定在63.3 nm；當=30°時，S-AWJP加工14次后，穩(wěn)定在35.7 nm，SSEO-AWJP加工5次后，穩(wěn)定在48.8 nm。隨著的降低，S-AWJP加工工件的粗糙度的下降速度逐漸變慢，同時工件表面的最終粗糙度也不斷下降。其原因是，隨著入射角度的減少，S-AWJP的射流束在水中的行程增加，使其速度衰減，從而導致粗糙度的下降速度減緩，而穿透法向分量MC的下降使得工件表面有著更低的表面粗糙度，但是伴隨著動能的損耗，其整體加工能力下降。SSEO-AWJP加工工件的表面粗糙度的下降速度只是略有下降，但是隨著入射角度的減小，表面質(zhì)量得到較大的提升，其結(jié)果也驗證了仿真分析的正確性。因此，SSEO-AWJP在浸沒環(huán)境下可以以低入射角度對工件進行高效加工。

圖19 工件加工區(qū)域與表面輪廓曲線

圖20 不同入射角度α下加工區(qū)域的最大去除深度（S=4 mm）

圖21 不同入射角度α下表面粗糙度隨處理次數(shù)的變化（S=4 mm）

不同的工藝參數(shù)下，使用S-AWJP和SSEO-AWJP加工后的表面粗糙度如圖22所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在SSEO-AWJP加工后，工件的最終粗糙度始終大于S-AWJP。主要因為使用SSEO-AWJP加工方法，磨?？梢缘玫礁叩拇┩竸幽躆C，使得磨粒壓入工件的深度增加，從而導致粗糙度增加。用更細的磨料可使粒子的總動能下降，并且更細的磨料更容易受到停滯層的影響，使得兩種方法加工后的表面粗糙度更加接近。當使用8000#碳化硅，入射角度45°時，S-AWJP需要加工16次，才能使粗糙度穩(wěn)定在30.5 nm；其他實驗條件不變，調(diào)整入射角度為30°，SSEO-AWJP只需要加工10次，便可以達到31.6 nm，其加工后的工件如圖23所示。沒有加工的工件無法反射出格子板，而加工后的2個工件都可以反射出格子板的倒影。從微觀輪廓看，未加工的初始表面存在突起峰值與各種缺陷，加工后，這些突峰與缺陷基本消失。根據(jù)表面質(zhì)量要求，選擇合適粒徑的磨料和入射角度，磨料水射流可以利用自激脈沖特性在浸沒環(huán)境下達到高效加工的目的。

圖22 不同工藝參數(shù)下S-AWJP和S-SEOAWJM加工后的表面粗糙度Ra

圖23 使用S-AWJP和SSEO-AWJP加工后的工件

5 結(jié)論

本文提出了一種浸沒式自激振蕩磨料水射流拋光方法，利用數(shù)值模擬分析了傳統(tǒng)磨料水射流與自激脈沖特性射流在浸沒環(huán)境下的射流狀態(tài)，對比分析了水下軸向距離與入射角度對加工的影響，并進行了氮化硅表面拋光對比實驗。主要研究結(jié)論如下：

1）在=20 mm出口處，S-AWJP軸向速度的衰減幅度高達78.65%，而SSEO-AWJP的脈沖峰值速度僅僅衰減了7.35%，S-SEOAWJM的脈沖特性使得其速度在浸沒環(huán)境下有著更好的保持性。

2）SSEO-AWJP相比于S-AWJP，在更大的水下運行距離下，有著更高的峰值壁面剪切力。同時，SSEO-AWJP利用自激脈沖特性，破壞了工件表面停滯層的穩(wěn)定性，并且使得峰值壁面剪切力fm在工件表面往復移動。

3）在=4 mm，=30°的條件下，定點加工25 min，S-AWJP加工區(qū)域的最大去除深度為6.86 μm，SSEO- AWJP加工區(qū)域的最大深度為17.30 μm。拋光對比實驗表明，使用SSEO-AWJP的工件表面粗糙度下降速度始終大于S-AWJP，但是相同條件下SSEO-AWJP的表面粗糙度會更高，因為SSEO-AWJP的磨粒具有更高穿透動能MC導致顆粒的侵蝕深度更大。使用更細的磨料，可以使兩種加工方法的表面質(zhì)量更加接近；使用更小的入射角度，可以使得SSEO-AWJP得到更好的表面質(zhì)量。

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Numerical Analysis and Experimental Verification on Self-excited Pulse Characteristics Abrasive Water Jet Submersion Polishing

,,,,

(a. Ultra-precsion Machining Center, b. Key laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Manufacturing Technology, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

To improve its processing ability in a submerged environment, the influence of fluid self-excited pulse characteristics on abrasive water jet polishing is studied. In this paper, a Submerged Self-excited Oscillation Water Jet Polishing (SSEO-AWJP) was proposed, which made use of a specific boundary condition of the chamber to obtain self-excited pulsation characteristics of abrasive water jet, so that it could obtain better machining performance in water. First, numerical simulation was used to analyze the fluid state of the self-excited pulsed jet in a submerged environment. After that, the influence of the axial distance and incident angle between the nozzle and the workpiece on the force of the surface was studied. Finally, a processing experimental platform of SSEO-AWJP was built to conduct a comparison experiment of silicon nitride polishing to verify the effectiveness of the fluid self-excited pulse characteristics in improving the polishing ability of abrasive water jets in a submerged environment. The simulation results showed that the jet beam of SSEO-AWJP existed in the form of pulses in the liquid and had better retention. When the jet beam impacted the workpiece, its pulse characteristics made it destroy the stability of the stagnant layer on the surface of the workpiece, resulted in thefmmoves back and forth on the surface of the workpiece, and obtained a higher peak wall shear force to achieve efficient material removal. Andthe surface polishing experiments of silicon nitride showed that under the same conditions, fixed-point processing for 25 min, the maximum removal depth of the processing area of submerged abrasive water jet was 6.86 μm, and the maximum depth of the processing area of SSEO-AWJP was 17.30 μm; the surface roughnessof the workpiece reached 35.7 nm after 14 times of processing by submerged abrasive water jet polishing, and thatof the workpiece reached 48.8 nm after 5 times of processing by SSEO-AWJP. The surface roughness decreased rate of workpiece processed by SSEO-AWJP was always greater than S-AWJP. However, influenced by the kinetic energy of abrasive particles, the surface roughness of SSEO-AWJP would be higher under the same conditions. The used of finer abrasives could make the surface quality after the two methods more similar. The effectiveness of SSEO-AWJP is verified by numerical simulation and experimental analysis, and the abrasive water jet can achieve the purpose of efficient machining in the submerged environment by using the self-excited pulse characteristic.

self-excited oscillation; abrasive jet; submerged machining; ceramics; polishing; numerical simulation

2021-03-27；

2021-07-03

DENG Qian-fa (1972—), Male, Doctor, Associate researcher, Research focus: ultra-precision matching technology.

呂冰海（1978—），男，博士，研究員，主要從事超精密磨粒加工技術(shù)研究。

Corresponding author：LYU Bing-hai (1978—), Male, Doctor, Researcher, Research focus: ultraprecision abrasive machining technology.

鄧乾發(fā), 汪楊笑, 呂冰海, 等. 自激脈沖特性磨料水射流浸沒式拋光數(shù)值分析與有效性實驗驗證[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(1): 161-173.

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.017

2021-03-27；

2021-07-03

國家自然科學基金（51775511，U1809221）；浙江省自然科學基金（LY17E050022，R17E050002）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China (51775511, U1809221) and Natural Science Foundation of Zhejiang Province (LY17E050022, R17E050002)

鄧乾發(fā)（1972—），男，博士，副研究員，主要研究方向為超精密加工技術(shù)。

TH161

A

1001-3660(2022)01-0161-13

DENG Qian-fa, WANG Yang-xiao, LYU Bing-hai, et al. Numerical Analysis and Experimental Verification on Self-excited Pulse Characteristics Abrasive Water Jet Submersion Polishing[J]. Surface Technology, 2022, 51(1): 161-173.