噴孔超聲磨料流光整倒錐成型試驗研究

張 鵬，董志國，張宇超，杜璟琳

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

1 引言

噴油嘴是發(fā)動機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的重要部件，燃油噴射的霧化效果受到噴油嘴噴孔結(jié)構(gòu)和加工質(zhì)量的顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)帶有一定錐度的噴油嘴可以明顯提高霧化效果，從而改善發(fā)動機(jī)的燃料燃燒和排放特性[1]。磨料流加工技術(shù)利用粘彈性流體磨料對工件表面進(jìn)行光整加工，可對小孔、窄縫、交叉孔道、異形曲面等幾何形狀復(fù)雜的表面進(jìn)行光整加工；而且單向磨料流光整加工沿流體磨料流動方向壓力呈線性降低[2]，利用該特性能夠通過光整加工同時完成噴孔錐形成型以及入口倒圓角。研究表明在光整加工過程中流體磨料中的磨粒容易團(tuán)聚并沉積、堵塞微小噴孔流道，降低加工效率甚至形成廢品。超聲波具有能量高，穿透性好等特點，超聲空化效應(yīng)可以將液體里的微小氣泡通過超聲作用生長、破裂，把集中的能量短時間爆發(fā)，造成空化泡的炸裂；文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)在超聲波產(chǎn)生空化效應(yīng)的仿真模擬中，空化泡破裂產(chǎn)生沖擊流和微射流，提高局部湍動能與混合強(qiáng)度；文獻(xiàn)[4]發(fā)現(xiàn)在超聲波誘導(dǎo)成核的研究中，在20kHz的頻率下晶核的尺寸將減小；文獻(xiàn)[5]研究中，數(shù)值模擬超聲波對矩形微反應(yīng)器的液體作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲波能夠提高微反應(yīng)器的混合強(qiáng)度；以上研究表明超聲空化效應(yīng)能夠明顯改善流體和磨粒的混合均勻性問題。

提出在單向磨料流光整加工時輔助超聲振動，利用超聲空化效應(yīng)使團(tuán)聚、堆積的磨粒團(tuán)破碎，來提高光整加工過程中流體磨料的均勻性，解決磨粒易堵塞微孔的問題，并通過對超聲輔助磨料流光整加工的研究，明確超聲空化的激勵特性和對磨料流光整加工特性的影響。

2 超聲振動輔助磨料流加工原理

2.1 噴油嘴與流體磨料

這里的噴油嘴，如圖1所示。噴油嘴噴孔直徑為0.5mm，噴孔長度為1mm，噴孔數(shù)為6個，沿軸線均勻分布。

圖1 噴油嘴示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Fuel Injection Nozzle

試驗所用流體磨料由硅油與3000目SiC顆粒組成。流體磨粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。試驗使用磨料，如圖2所示。

圖2 流體磨料Fig.2 Fluid Abrasive

2.2 超聲振動輔助磨料流加工原理

超聲振動輔助磨料流加工壓力、速度示意圖，如圖3 所示。超聲振動系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器及超聲變幅桿組成。超聲變幅桿以垂直方向?qū)⒊曊駝幼饔媚チ狭鞯?。在磨料流的作用，磨粒沿軸向以速度Va運動。超聲振動使磨粒產(chǎn)生徑向速度Vr，磨粒產(chǎn)生的混合速度有助于磨粒團(tuán)的分裂，磨粒顆粒與載體均勻混合。

圖3 超聲輔助磨料流壓力、速度示意圖Fig.3 Schematic of Ultrasonic Vibration?assisted Abrasive Flow Pressure and Velocity

式中：f—超聲振動頻率；A—振動振幅。

3 超聲空化效應(yīng)激勵特性

3.1 粘彈流體的超聲空化

超聲振動使得流體相發(fā)生空化效應(yīng)，空化效應(yīng)作用在顆粒相上，使得團(tuán)聚的顆粒炸裂、分離，進(jìn)而有效促進(jìn)流體相與顆粒相在噴孔入口前均勻混合，形成均一兩相流，減少磨料堆積堵塞小孔。對于單個空化氣泡，超聲強(qiáng)度低時，氣泡會產(chǎn)生徑向線性振動。隨著超聲強(qiáng)度的增強(qiáng)，氣泡會產(chǎn)生不規(guī)則振動。一部分超聲能量轉(zhuǎn)化為熱能量，以及光發(fā)射。聲強(qiáng)大于空化閾時，空化泡潰滅，伴隨的將產(chǎn)生高溫高壓（約5000K和100MPa）并且伴隨有沖擊波，微射流[7?8]。文獻(xiàn)[9]研究發(fā)現(xiàn)，在諧振頻率半徑附近的振動最為強(qiáng)烈，其對應(yīng)的關(guān)系為：

式中：R0—氣泡初始半徑；P0—液體靜壓；γ—絕熱指數(shù)；ρ—液體密度；σ—液體表面張力系數(shù)；對于硅油，P0=2×106N∕m2，γ=4∕3，ρ=963kg∕m3，σ=7.42×10?2N∕m，其中空化泡半徑與諧振頻率的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 諧振頻率與空化泡半徑之間的關(guān)系Fig.4 Relationship Between Resonance Frequency and Cavitation Bubble Radius

在磨料流加工壓力下，超聲頻率在20kHz時，空化泡半徑約為800μm，即只要氣泡半徑不大于800μm，在超聲波的作用下幾乎都可以發(fā)生空化效應(yīng)。

當(dāng)聲波在傳播中，會引起傳聲質(zhì)點的振動，在t時刻時質(zhì)點位移y的關(guān)系式為：

選取A0=3.1×10?5m，c=1040m∕s，ρ=963kg∕m3得：V0=4m∕s，PA=4×106Pa。

3.2 粘彈流體空化效應(yīng)對磨粒團(tuán)的激勵

粘彈性流體里有許多空化泡。由于空化泡的空化效應(yīng)變化快，熱量消耗小，因此把這過程視為絕熱過程。氣泡潰滅產(chǎn)生的最大壓力[10]：

其中，在10℃磨料加工中，Pm—氣泡外部作用于氣泡的壓力，Pm=P0+PAsin2πft；Pg—氣泡半徑為R0內(nèi)部氣體的壓力；P0—液體介質(zhì)的靜壓；PA—超聲振動產(chǎn)生的聲壓；γ—絕熱指數(shù)，在超聲波作用下Pg=5×105Pa，γ=4∕3，Pm=6×106Pa式（15）中計算得到最高壓力Pmax=128MPa。

由上面的理論可知，超聲空化效應(yīng)產(chǎn)生的最大壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磨料壓力2MPa。的團(tuán)聚磨粒會被炸裂，使粘彈流體和磨?；旌系酶鶆颍瑥亩种萍庸み^程中的小孔堵塞問題，如圖5所示。

圖5 磨粒團(tuán)分裂示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Abrasive Particle Division

4 超聲輔助磨料流噴孔加工試驗

4.1 試驗平臺

磨料流機(jī)床為單向磨料流機(jī)床，磨料流加工設(shè)備是由電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動推動活塞向下移動，活塞向下擠壓料缸里的磨料加工噴油嘴，如圖6（a）所示。

圖6 磨料流機(jī)床Fig.6 Abrasive Flow Machine Tool

超聲振動裝置有超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿組成。試驗采用杭州國彪超聲設(shè)備有限公司生產(chǎn)的設(shè)備，超聲波發(fā)生器功率1000W，變幅桿諧振頻率20kHz。變幅桿與工件螺栓緊密連接，變幅桿固定在支架上，如圖6（b）所示。

4.2 試驗加工參數(shù)

流體磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，流體磨料流量1.47×10?5m3∕s，變幅桿頻率20kHz，振幅3μm，加工時間480s。

5 結(jié)果分析

5.1 未加超聲振動

在流體磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，磨料流量1.47×10?5m3∕s條件下，加工480s。噴孔入口直徑為0.522mm，噴孔出口直徑為0.506mm，如圖7（a）、圖7（b）所示?？梢钥闯鋈肟谥睆酱笥诔隹谥睆郊纯椎烙绣F度。入口有輕微的圓弧，孔璧通道光亮，圓弧半徑約為0.01mm，噴孔錐度為0.8°，如圖7（c）、圖7（d）所示。

圖7 微孔放大圖Fig.7 Enlarged View of Micropore

5.2 加超聲振動

在流體磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，磨料流量1.47×10?5m3∕s，變幅桿頻率20kHz，振幅3μm條件下，加工480s。孔入口直徑為0.542mm，出口直徑為0.511mm，如圖8（a）、圖8（b）所示。入口有輕微的圓弧，圓弧半徑約為0.02mm，噴孔錐度1.76°，如圖8（c）、圖8（d）所示。

圖8 微孔放大圖Fig.8 Enlarged View of Micropore

通過圖7（a）與圖8（a）的對比，圖7（b）與圖8（b）對比可以得到加超聲振動的出入口直徑大于未加超聲振動的出入口直徑。流體磨料切削孔璧增大孔的直徑，超聲振動磨料流的壓力更大，切削量更大，噴孔的直徑更大。

由圖7（c）圖8（c）對比可以得到，超聲振動比不加超聲振動噴孔錐度大0.96°。因為其他加工條件相同，有超聲振動流體磨料壓力更大。磨料壓力越大工件表面切削量越多，錐度越大。加超聲振動流體磨料更易加工出錐角。

由圖7（d）圖8（d）對比可以得到。因為加超聲振動入口壓力更大，壓力大的入口處切削量多，圓弧半徑增大。圓弧半徑大的情況下流體流動更加順暢，壁面對流體造成的能量消耗也減小。在磨料加工過程中，未加超聲振動的磨料堵塞孔兩次，而加上超聲振動流體磨料沒有堵塞微孔。

試驗壓力圖，如圖9所示。試驗在未加超聲振動時，壓力變化范圍為（1.8～1.9）MPa；而加上超聲振動時，壓力變化為（2.1～2.2）MPa，在空化效應(yīng)作用后的流體磨料壓力穩(wěn)定在1.7MPa。加超聲振動比不加超聲振動的壓力提高16%，經(jīng)過超聲空化效應(yīng)作用后的磨料壓力比不加超聲振動的壓力降低5%。超聲振動壓力增加，因為超聲空化效應(yīng)產(chǎn)生聲壓。

圖9 壓力圖Fig.9 Pressure Chart

超聲振動磨料壓力大于不加超聲振動磨料的壓力。而經(jīng)過超聲空化作用下磨料壓力降低，因為磨料中的團(tuán)聚顆粒在受到超聲空化效應(yīng)下炸裂、分離，磨料更均勻，磨料容易通過小孔，使得壓力降低。

6 結(jié)論

（1）超聲空化效應(yīng)能產(chǎn)生近128MPa 的壓力，超聲空化效應(yīng)產(chǎn)生的壓力足以碎裂磨料團(tuán)，使得磨料流均勻，可以有效抑制小孔堵塞問題。

（2）超聲空化效應(yīng)促進(jìn)磨粒顆粒與載體更均勻。