Page 102 - 《应用声学)》2023年第5期
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为此,本文将通过理论与试验相结合的方法证
0 引言
实超声滚压加工过程中空化现象的发生。首先通过
分析超声滚压中的空化阈值,来验证空化存在的必
超声空化是指超声波在流场中传播时,水中气
要条件;然后通过染色法和超声滚压后材料表面氧
核在正负压相的作用下,不断生长、膨胀、压缩和溃
元素能谱分析,进一步证实超声滚压加工过程中空
灭的一系列非线性过程。空化泡溃灭瞬间产生高温
化现象的发生;最后,通过是否引入切削液的超声滚
高压,并伴随着微射流和冲击波的产生。空泡溃灭
压对比试验分析空化效应对材料表面粗糙度和显
引起的空蚀对金属表面有破坏作用,但超声空化引
微硬度的影响,研究空化现象在超声滚压加工中的
起的微射流和冲击波会导致材料表面发生塑性变
积极效应。
形,在部分领域也得到积极应用 [1] 。
近年来,研究人员将空化效应引起的强大冲
1 超声滚压流场空化阈值
击应用于材料表面层改性 [2] 、超声清洗 [3] 、颗粒破
碎 [4] 、材料去毛刺 [5] 等诸多领域,使之起到积极有 1.1 超声滚压加工原理
利的作用。祝锡晶团队 [6−7] 深入研究了超声珩磨中
超声滚压加工系统主要由超声波发生器、换能
的空化效应,发现在控制一定的加工条件下,空化效
器、变幅杆和滚珠组成。滚珠在静压力 F s 和纵向超
应有助于改善加工过程中工件的表面质量。梁志强 声振动 (频率为 f、振幅为 A L ) 共同作用下,以进给
等 [8] 对超声空化辅助钻削微孔进行研究,发现液体 速度 f r 对转速为 n 的工件表面进行高频冲击和碾
中的超声空化效应可以改善切屑的黏滞和堵塞现
压,以达到表面强化的目的。同时在滚压程中,开启
象,从而提高微孔钻削的加工质量。Beaucamp等 [9]
外接液压系统,使变幅杆输出端内腔及滚压区域充
对超声空化辅助流体喷射抛光工艺进行研究,发现
满切削液 [12] 。在超声波作用下,滚珠周边的切削液
当在喷嘴出口处引入超声空化效应时,流体喷射抛 可能会产生空化现象。
光中的材料去除率显著提高。Li 等 [10] 对超声滚压
处理后的 304 不锈钢试样进行超声空化侵蚀处理, 1.2 空化阈值
发现经超声滚压处理后试件表层引入残余压应力、 一定状态下,只有液体负压达到某临界值时才
晶粒细化和提高表面硬度后可显著提高 304不锈钢 开始出现空化现象,该临界负声压值称为空化阈值。
试样的抗空蚀能力。Ge等 [11] 提出了一种基于空化 空化阈值可以衡量液体在超声波作用下能否产生
的气-液-固磨料流抛光工艺,试验结果表明,随着空 空化,空化阈值P B 可表示为 [13]
化强度的增大,空蚀速率和空蚀深度均增大,显著提 ( ) 1
8σ 3σ 2 2σ
升了抛光效果,该工艺可在大型工件上获得更高质 P 0 + 3 , P 0 ≫ ,
P B = 9 2P 0 R e R e (1)
量的表面。 ( σ ) 2σ
, P 0 ≪ ,
P 0 + 0.77
超声滚压是一种表面强化加工技术,通过滚珠 R e R e
的动态高频冲击和静态碾压,使工件表面发生剧烈 式 (1) 中,P 0 为流体静压力,R e 为空化泡初始半径,
塑性变形。在超声滚压加工中引入切削液,如果滚 σ 为液体表面张力系数。
珠的超声频振动能使切削液发生空化效应,可以推 在超声滚压过程中,声压的幅值P A 为
测空化效应所产生的微射流和冲击波对超声滚压
P A = 2πf · ρc · A L , (2)
表面强化将有积极作用。本课题组 [12] 对二维超声
滚压流场空化效应进行了仿真研究,并以气含率作 式 (2) 中,ρ 和 c 分别代液体密度和液体声阻抗。选
为空化强度评价指标研究了二维超声滚压环境下 用水作为切削液,温度 20 C,表面张力系数为
◦
3
不同管型和入口压力的流场空化情况。由于在超声 0.0728 N/m, 密度为 1000 kg/m , 水中声速为
滚压加工过程中,空化效应不便直接测量,课题组前 1480 m/s。当 P 0 为一个标准大气压、空化泡初
期仅通过仿真方法来分析在二维超声滚压过程中 始半径 (一般为微米级) 1 ∼ 100 µm 时 [14] ,对应的
5
不同流场结构下空化情况,尚未通过试验来验证超 空化阈值为 1.01 × 10 ∼ 1.57 × 10 Pa。在超声滚
5
声滚压中空化现象的存在。 压加工中,当超声振动频率 f 为 24.6 kHz、振幅 A L