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    喷孔超声磨料流光整倒锥成型试验研究

    时间：2023-03-23 17:20:05来源：百花范文网本文已影响人

    张 鹏，董志国，张宇超，杜璟琳

    （1.太原理工大学机械与运载工程学院，山西 太原 030024；
    2.精密加工山西省重点实验室，山西 太原 030024）

    喷油嘴是发动机燃油喷射系统的重要部件，燃油喷射的雾化效果受到喷油嘴喷孔结构和加工质量的显著影响。研究发现带有一定锥度的喷油嘴可以明显提高雾化效果，从而改善发动机的燃料燃烧和排放特性[1]。磨料流加工技术利用粘弹性流体磨料对工件表面进行光整加工，可对小孔、窄缝、交叉孔道、异形曲面等几何形状复杂的表面进行光整加工；
    而且单向磨料流光整加工沿流体磨料流动方向压力呈线性降低[2]，利用该特性能够通过光整加工同时完成喷孔锥形成型以及入口倒圆角。研究表明在光整加工过程中流体磨料中的磨粒容易团聚并沉积、堵塞微小喷孔流道，降低加工效率甚至形成废品。超声波具有能量高，穿透性好等特点，超声空化效应可以将液体里的微小气泡通过超声作用生长、破裂，把集中的能量短时间爆发，造成空化泡的炸裂；
    文献[3]发现在超声波产生空化效应的仿真模拟中，空化泡破裂产生冲击流和微射流，提高局部湍动能与混合强度；
    文献[4]发现在超声波诱导成核的研究中，在20kHz的频率下晶核的尺寸将减小；
    文献[5]研究中，数值模拟超声波对矩形微反应器的液体作用，结果发现超声波能够提高微反应器的混合强度；
    以上研究表明超声空化效应能够明显改善流体和磨粒的混合均匀性问题。

    提出在单向磨料流光整加工时辅助超声振动，利用超声空化效应使团聚、堆积的磨粒团破碎，来提高光整加工过程中流体磨料的均匀性，解决磨粒易堵塞微孔的问题，并通过对超声辅助磨料流光整加工的研究，明确超声空化的激励特性和对磨料流光整加工特性的影响。

    2.1 喷油嘴与流体磨料

    这里的喷油嘴，如图1所示。喷油嘴喷孔直径为0.5mm，喷孔长度为1mm，喷孔数为6个，沿轴线均匀分布。

    图1 喷油嘴示意图Fig.1 Schematic Diagram of Fuel Injection Nozzle

    试验所用流体磨料由硅油与3000目SiC颗粒组成。流体磨粒的质量分数为30%。试验使用磨料，如图2所示。

    图2 流体磨料Fig.2 Fluid Abrasive

    2.2 超声振动辅助磨料流加工原理

    超声振动辅助磨料流加工压力、速度示意图，如图3 所示。超声振动系统由超声波发生器、超声波换能器及超声变幅杆组成。超声变幅杆以垂直方向将超声振动作用磨料流道。在磨料流的作用，磨粒沿轴向以速度Va运动。超声振动使磨粒产生径向速度Vr，磨粒产生的混合速度有助于磨粒团的分裂，磨粒颗粒与载体均匀混合。

    图3 超声辅助磨料流压力、速度示意图Fig.3 Schematic of Ultrasonic Vibration−assisted Abrasive Flow Pressure and Velocity

    式中：f—超声振动频率；
    A—振动振幅。

    3.1 粘弹流体的超声空化

    超声振动使得流体相发生空化效应，空化效应作用在颗粒相上，使得团聚的颗粒炸裂、分离，进而有效促进流体相与颗粒相在喷孔入口前均匀混合，形成均一两相流，减少磨料堆积堵塞小孔。对于单个空化气泡，超声强度低时，气泡会产生径向线性振动。随着超声强度的增强，气泡会产生不规则振动。一部分超声能量转化为热能量，以及光发射。声强大于空化阈时，空化泡溃灭，伴随的将产生高温高压（约5000K和100MPa）并且伴随有冲击波，微射流[7−8]。文献[9]研究发现，在谐振频率半径附近的振动最为强烈，其对应的关系为：

    式中：R0—气泡初始半径；
    P0—液体静压；
    γ—绝热指数；
    ρ—液体密度；
    σ—液体表面张力系数；
    对于硅油，P0=2×106N∕m2，γ=4∕3，ρ=963kg∕m3，σ=7.42×10−2N∕m，其中空化泡半径与谐振频率的关系，如图4所示。

    图4 谐振频率与空化泡半径之间的关系Fig.4 Relationship Between Resonance Frequency and Cavitation Bubble Radius

    在磨料流加工压力下，超声频率在20kHz时，空化泡半径约为800μm，即只要气泡半径不大于800μm，在超声波的作用下几乎都可以发生空化效应。

    当声波在传播中，会引起传声质点的振动，在t时刻时质点位移y的关系式为：

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

    3.2 粘弹流体空化效应对磨粒团的激励

    粘弹性流体里有许多空化泡。由于空化泡的空化效应变化快，热量消耗小，因此把这过程视为绝热过程。气泡溃灭产生的最大压力[10]：

    其中，在10℃磨料加工中，Pm—气泡外部作用于气泡的压力，Pm=P0+PAsin2πft；
    Pg—气泡半径为R0内部气体的压力；
    P0—液体介质的静压；
    PA—超声振动产生的声压；
    γ—绝热指数，在超声波作用下Pg=5×105Pa，γ=4∕3，Pm=6×106Pa式（15）中计算得到最高压力Pmax=128MPa。

    由上面的理论可知，超声空化效应产生的最大压力远远大于磨料压力2MPa。的团聚磨粒会被炸裂，使粘弹流体和磨粒混合得更均匀，从而抑制加工过程中的小孔堵塞问题，如图5所示。

    图5 磨粒团分裂示意图Fig.5 Schematic Diagram of Abrasive Particle Division

    4.1 试验平台

    磨料流机床为单向磨料流机床，磨料流加工设备是由电机转动，带动滚珠丝杠转动推动活塞向下移动，活塞向下挤压料缸里的磨料加工喷油嘴，如图6（a）所示。

    图6 磨料流机床Fig.6 Abrasive Flow Machine Tool

    超声振动装置有超声波发生器、换能器、变幅杆组成。试验采用杭州国彪超声设备有限公司生产的设备，超声波发生器功率1000W，变幅杆谐振频率20kHz。变幅杆与工件螺栓紧密连接，变幅杆固定在支架上，如图6（b）所示。

    4.2 试验加工参数

    流体磨料质量分数30%，流体磨料流量1.47×10−5m3∕s，变幅杆频率20kHz，振幅3μm，加工时间480s。

    5.1 未加超声振动

    在流体磨料质量分数30%，磨料流量1.47×10−5m3∕s条件下，加工480s。喷孔入口直径为0.522mm，喷孔出口直径为0.506mm，如图7（a）、图7（b）所示。可以看出入口直径大于出口直径即孔道有锥度。入口有轻微的圆弧，孔璧通道光亮，圆弧半径约为0.01mm，喷孔锥度为0.8°，如图7（c）、图7（d）所示。

    图7 微孔放大图Fig.7 Enlarged View of Micropore

    5.2 加超声振动

    在流体磨料质量分数30%，磨料流量1.47×10−5m3∕s，变幅杆频率20kHz，振幅3μm条件下，加工480s。孔入口直径为0.542mm，出口直径为0.511mm，如图8（a）、图8（b）所示。入口有轻微的圆弧，圆弧半径约为0.02mm，喷孔锥度1.76°，如图8（c）、图8（d）所示。

    图8 微孔放大图Fig.8 Enlarged View of Micropore

    通过图7（a）与图8（a）的对比，图7（b）与图8（b）对比可以得到加超声振动的出入口直径大于未加超声振动的出入口直径。流体磨料切削孔璧增大孔的直径，超声振动磨料流的压力更大，切削量更大，喷孔的直径更大。

    由图7（c）图8（c）对比可以得到，超声振动比不加超声振动喷孔锥度大0.96°。因为其他加工条件相同，有超声振动流体磨料压力更大。磨料压力越大工件表面切削量越多，锥度越大。加超声振动流体磨料更易加工出锥角。

    由图7（d）图8（d）对比可以得到。因为加超声振动入口压力更大，压力大的入口处切削量多，圆弧半径增大。圆弧半径大的情况下流体流动更加顺畅，壁面对流体造成的能量消耗也减小。在磨料加工过程中，未加超声振动的磨料堵塞孔两次，而加上超声振动流体磨料没有堵塞微孔。

    试验压力图，如图9所示。试验在未加超声振动时，压力变化范围为（1.8～1.9）MPa；
    而加上超声振动时，压力变化为（2.1～2.2）MPa，在空化效应作用后的流体磨料压力稳定在1.7MPa。加超声振动比不加超声振动的压力提高16%，经过超声空化效应作用后的磨料压力比不加超声振动的压力降低5%。超声振动压力增加，因为超声空化效应产生声压。

    图9 压力图Fig.9 Pressure Chart

    超声振动磨料压力大于不加超声振动磨料的压力。而经过超声空化作用下磨料压力降低，因为磨料中的团聚颗粒在受到超声空化效应下炸裂、分离，磨料更均匀，磨料容易通过小孔，使得压力降低。

    （1）超声空化效应能产生近128MPa 的压力，超声空化效应产生的压力足以碎裂磨料团，使得磨料流均匀，可以有效抑制小孔堵塞问题。

    （2）超声空化效应促进磨粒颗粒与载体更均匀。

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