超聲振動輔助軟性磨料流噴孔光整加工研究*

張宇超，董志國，雷鴻博，張 鵬

(太原理工大學 a.機械與運載工程學院；b.精密加工山西省重點實驗室，太原 030024)

0 引言

噴油嘴是發動機燃油噴射系統的重要部件，噴孔的結構參數及其加工質量嚴重影響燃油霧化，進而影響整機排放[1]。研究表明噴孔的錐度與入口圓角直接影響甲醇燃料在噴嘴內部的流動特性，在一定范圍內增大噴孔錐度可有效改善霧化效果[2]。目前噴孔的加工方法為先通過高速鉆削或者電火花方法加工出微孔，然后使用磨料流加工或電解法來進行拋光、去毛刺等處理[3]。隨著制造業的發展，上述傳統的加工方法在形狀復雜、尺寸細微零部件的加工中存在局限性。

傳統磨料流加工(Abrasive Flow Machining)通過粘彈性磨料中的邊界層磨粒對工件壁面進行微切削光整加工，適用于異形復雜、尺寸微細零部件的光整加工[4]。但在軟性磨料流加工噴孔的過程中，隨著加工時間與循環次數的增長，磨粒易出現堆積團聚、堵塞噴孔的現象，流體磨料的均勻性與流動性大大降低，加工效率快速下降甚至無法流過噴孔。超聲波在液體中傳播會產生超聲空化現象，液體介質中的一些微小氣泡核經歷產生、生長、潰滅，同時可產生高能量沖擊與高速微射流[5]。研究表明耦合超聲場可有效增強湍流擾動，擴大湍流范圍，使湍流分布更均勻，對改善流場分布具有重要意義[6]。孫毅等[7]利用空化效應產生的微射流破碎液體中的微細顆粒，粒徑小于800目的顆粒破碎率高達79.35%；計時鳴等[8]研究了氣液固三相流中氣泡破裂對流場和顆粒的影響，發現氣泡破裂產生的高速微射流強烈擾動周圍顆粒，顆粒無序運動使切削動能增加，拋光質量提高。

本文擬在傳統軟性磨料流加工中輔助超聲振動，利用超聲振動使軟性磨料產生空化效應，使磨粒團受高能量沖擊作用炸裂分離為單顆磨粒群，增加流體磨料在加工過程中的均勻性和流動性，提高噴孔的光整加工效率。通過超聲振動輔助磨料流加工噴油嘴噴孔試驗，研究流體磨料壓力及噴孔入口直徑與錐度的變化規律。

1 超聲振動輔助磨料流加工

1.1 流體磨料及磨粒堆積

軟性磨料流所用磨料由液態載體與固態磨粒組成，其特性直接影響加工效果與加工效率[9]。圖1為均勻混合的流體磨料及將其靜置2小時后的狀態，磨料所用載體為硅油，磨粒為3000目的SiC顆粒，質量分數為30%。與均勻混合的初始狀態相比，靜置2小時后，在重力作用下，磨料出現顯著“分層”現象，上層為較為清澈透明的硅油載體，下層SiC磨粒堆積團聚，其均勻性與流動性大大降低。

(a) 均勻混合 (b) 靜置2小時后圖1 流體磨料

1.2 超聲振動輔助磨料流原理

如圖2所示，超聲振動系統由超聲波發生器、超聲波換能器及超聲變幅桿組成。噴油嘴通過夾具、連接頭與柔性高壓軟管流道連接。夾具用于固定噴油嘴；連接頭開有通孔用于連接壓力傳感器，另端通過雙頭螺柱連接超聲變幅桿，使連接頭在預定振幅和頻率內處于微動狀態。當流體磨料沿軸向流過連接頭時，連接頭與噴油嘴受到來自超聲變幅桿的徑向振動，從而對磨料中的磨粒團產生作用力。

圖2 超聲振動輔助磨料流加工噴孔

1.3 磨粒與工件的相互作用

軸向方向上，磨粒在壓差作用下，受載體的作用力Fa以速度Va運動；徑向方向上，變幅桿將超聲振動作用于磨料流道。磨粒受工件壁面的作用力即徑向力Fr，產生徑向速度Vr。磨粒團在合力FR的作用下分散，產生合速度VR，合速度VR和合力FR與軸向方向的夾角為θ。磨粒團受振分散如圖3所示。

圖3 超聲振動輔助磨粒團的分散

噴孔中磨粒的軸向速度Va可由下式計算：

(1)

式中，Q為磨料的體積流量；Ac為噴油嘴噴孔的橫截面積，對應噴孔內徑di。

施加的超聲振動為高頻率正弦波，在任意時刻t，超聲振動引起的磨粒徑向位移y由下式計算[10]:

y=Bsin(ωt)

(2)

式中，B為超聲振動振幅；ω=2πf，f為超聲振動頻率。

受超聲振動作用，磨粒產生的徑向速度Vr為：

(3)

合速度VR的大小和方向為：

(4)

(5)

徑向力Fr由下式計算：

(6)

式中，m為單顆磨粒的質量。

1.4 磨粒的受力及運動

當磨粒與工件壁面處于接觸狀態時，磨粒與工件壁面間的相互作用包括擠壓、滑擦、耕犁和切削[11]。工件壁面處磨粒的受力及運動如圖4所示。軟性磨料中的磨粒在流場對其綜合作用下，呈現非線性復雜運動方式，工件表面產生微量的材料去除[12]。材料去除特征主要有：①微力：工件表面形貌特征基本不變化；②微量：材料去除量較低。材料去除量可由Preston方程計算[1,3]：

(7)

式中，Δz為材料去除高度；v為磨粒與壁面的相對速度；p為壁面處的相對壓強；k為除相對速度、壓強外，與所有切削因素相關的比例常數。

圖4 磨粒的受力及運動

假設磨粒為穩定勻速線性切削，軸向方向上，載體作用于磨粒表面的總力為曳力FD，工件對磨粒的作用力為FPT；徑向方向上，磨粒受載體法向力FN，FN使磨粒壓入工件壁面。FD與FN可由下式計算：

(8)

FN=cNpωSP

(9)

式中，CD為阻力系數，與載體及磨粒形狀、粒徑相關；ρc為載體密度；vc與vp分別為載體與磨粒的速度；S為磨粒的迎風面積；cN為與磨料彈性相關的系數；pω為磨粒平均法向應力；Sp為磨粒與工件的接觸面積。

2 流體磨料中的超聲空化

2.1 超聲空化及磨粒團分散

當超聲振動施加到流體磨料時，磨料的疏密程度隨超聲波發生變化，載體產生空化效應，如圖5所示。

圖5 流體磨料中的空化效應

載體中的泡核在超聲振動作用下，隨著超聲波的稀疏相和緊密相的生長收縮而多次振蕩，最終高速崩潰，聚集的聲波能量瞬間釋放，產生高能量沖擊與高速微射流作用于磨粒團，磨粒團炸裂分離為單顆磨粒群，與載體均勻混合。

超聲振動對流體磨料的作用主要包括：①氣泡潰滅產生的瞬間高能量沖擊與高速微射流作用使磨粒團炸裂分離；②磨粒在高能量沖擊作用下受力及運動發生變化，磨粒對工件壁面的彈性沖擊作用加劇；③超聲空化使磨料流場更加紊亂無序，流場湍流形態的變化使磨料具有更好的加工質量與效率。

2.2 空化泡及潰滅

當施加超聲頻率小于等于空化泡的諧振頻率時才能發生空化泡潰滅[14]。載體中空化泡的諧振頻率f0與初始半徑R0的關系為：

(10)

式中，σ為表面張力系數，P0為流體靜壓力。

對于硅油載體，σ為7.42×10-2N/m，ρc為963 kg/m3，γ為4/3，由式(10)可計算得：當施加超聲振動諧振頻率f0為20 kHz時，空化泡的初始半徑R0為800 μm。

流體磨料中的氣泡隨著超聲波生長收縮，當流體磨料中的氣泡半徑為零時，可視為氣泡在此刻高速崩潰。將空化泡簡化為球形，假設：①空化泡內氣體為理想氣體；②空化泡在運動過程中始終保持球形；③空化泡壁面的運動只沿徑向；④空化泡的超聲空化效應為絕熱過程[15]，則崩潰瞬間泡內的最高壓力Pmax由下式計算：

(11)

式中，Pm為空化泡泡外總壓力，Pm=P0+PAsin(2πft)；Pv為泡內總壓力；γ為氣體比熱比。

2.3 沖擊波及做功

在空化泡潰滅瞬間，空化泡外會形成很薄的高壓區，之后高壓區域在磨料中向四周傳播形成沖擊波。沖擊波傳播過程中會迅速衰減，多個潰滅點的沖擊波綜合作用于磨粒團，使磨粒團受沖擊作用分離，如圖6所示。

圖6 磨粒團的沖擊波

在此過程中，磨粒團受沖擊波作用而動能發生變化。與沖擊波在磨料中的傳播速度相比，磨粒在工件的流動速度可忽略不計。假設磨粒處于靜止狀態，沖擊波對磨粒團的作用面積不變。磨粒團附近的空化泡潰滅點分別為潰滅點1、2……n，磨粒團距潰滅點最近距離分別為r1(1)、r1(2)……r1(n)，距潰滅點最遠距離分別為r2(1)、r2(2)……r2(n)，潰滅點1沖擊波對磨粒團做的功W1為：

(12)

式中，A為潰滅點處沖擊波的壓強；r為磨粒團距離潰滅點的距離；P為距離r處的壓強，沖擊波幅值的衰減速率為：P=A/kwr，P與距離r成反比；kw為比例常數；SW為磨粒團受沖擊作用的面積。

3 超聲輔助磨料流噴孔加工試驗

3.1 試驗平臺及方案

試驗平臺如圖7所示。本試驗采用立式單向磨料流機床，步進電機輸出軸經減速器減速后驅動滾珠絲杠轉動；活塞相對滾珠絲杠向下移動擠壓料缸中的流體磨料，磨料沿流道流經噴油嘴噴孔對其進行加工；活塞移至料缸底部時觸發行程轉向開關，活塞改變方向向上移動直至頂部停止，由此完成一個加工循環。

(a)整體試驗裝置

(b) 噴油嘴 (c) 磨料噴射

噴油嘴型號為TS16949，噴孔由電火花方法加工，初始錐度為0°，直徑為0.4 mm，孔數為6，入口處存在毛刺。超聲波發生器型號為ZJS-2000，功率1000 W；超聲變幅桿諧振頻率20 kHz，振幅3 μm。試驗中總流量為14.719×10-6m3/s，單個噴孔流量為2.453×10-6m3/s。

試驗方案如表1所示。試驗分4組進行，分別為：試驗1未施加超聲振動加工；試驗2對比試驗1施加超聲振動加工；試驗3在試驗2基礎上對比使用不同質量分數磨料加工，質量分數為25%與35%；試驗4在試驗2基礎上對比使用不同粒度磨料加工，粒度為2000目與1000目。

表1 試驗方案

3.2 超聲振動對噴孔加工的影響試驗

試驗結果如圖8所示，磨料質量分數為30%，粒度為3000目，加工次數為10。未施加超聲振動時，加工中出現磨粒團堵塞噴孔、磨料無法流通加工的現象，成功加工孔數為2。加工后，噴孔入口直徑為0.484 mm，噴孔出口直徑為0.462 mm，這是因為流體磨料沿流動方向壓力不斷降低，磨料的材料去除量沿流動方向隨壓力呈下降趨勢，故噴孔內壁面會形成錐形。如圖8所示形成的噴孔錐度約為0.52°。

施加超聲振動時，試驗10次加工全部成功，未出現磨粒團堵塞噴孔的現象，加工效率顯著提高。加工后，噴孔入口直徑為0.507 mm，出口直徑為0.493 mm，形成的噴孔錐度約為0.95°。與未施加超聲振動相比，噴孔入口、出口直徑與噴孔錐度均增大，這是由于超聲振動使磨粒團炸裂分離，磨粒與載體混合更加均勻；并且超聲振動使磨粒對噴孔的彈性沖擊作用加強，材料去除量增加。此外，噴嘴入口處毛刺被完全去除，噴孔內壁光亮，表面質量改善。

(a) 噴孔剖面(未施加) (b) 噴孔剖面(施加)圖8 施加與未施加超聲振動加工后噴孔

加工過程中的磨料壓力如圖9所示，未施加超聲振動時，磨料壓力約為1.5 MPa，施加超聲振動時，磨料壓力約為3.3 MPa，磨料壓力大大提高。超聲振動使軟性磨料中發生空化效應，空化泡潰滅產生的沖擊波使磨料壓力增加，壓力場發生變化。

圖9 加工過程中的磨料壓力

3.3 質量分數對噴孔加工的影響試驗

在施加超聲振動條件下，使用不同質量分數磨料對噴孔進行加工。磨粒粒度為3000目，質量分數為25%與35%，各加工10次，10次加工全部成功。不同質量分數磨料加工噴孔的結果如圖10所示。施加超聲振動條件下，質量分數25%與35%磨料加工后，噴孔入口直徑分別為0.489 mm、0.522 mm，形成的噴孔錐度分別為0.80°、2.78°。

(a) 噴孔剖面(25%) (b) 噴孔剖面(35%)圖10 不同質量分數磨料加工后的噴孔

結合上述試驗2的3000目、質量分數30%磨料加工結果，噴孔參數隨磨料質量分數的變化如圖11所示。可以得出：在相同的加工條件下，隨著磨料質量分數增大，加工后噴孔入口直徑與噴孔錐度均不斷增大。這是由于磨料質量分數的增大使可參與切削的磨粒數量增加，磨料對噴孔壁面的切削作用增強，材料去除量增加。

圖11 噴孔參數隨磨料質量分數的變化

3.4 粒度對噴孔加工的影響試驗

在施加超聲振動條件下，使用不同粒度磨料對噴孔進行加工。磨料質量分數為30%，粒度為2000目與1000目，各加工10次，10次加工全部成功。不同粒度磨料噴孔加工結果如圖12所示。施加超聲振動條件下，粒度2000目與1000目磨料加工后，噴孔入口直徑分別為0.511 mm、0.542 mm，形成的噴孔錐度分別為1.76°、2.95°。

(a)噴孔剖面(2000目) (b)噴孔剖面(1000目)圖12 不同粒度磨料加工后的噴孔

結合上述試驗2的3000目、質量分數30%磨料加工結果，噴孔參數隨磨粒粒徑的變化如圖13所示。可以得出：在相同的加工條件下，隨著磨粒粒徑增大，加工后噴孔入口直徑與噴孔錐度均不斷增大。這是由于粒徑的增大使磨料對噴孔壁面的剪切應力增大，磨料對壁面切削作用加強，材料去除量增加。

圖13 噴孔參數隨磨粒粒度的變化

4 結論

本文將高頻超聲振動輔助到傳統磨料流加工方法中，利用超聲振動產生的空化效應，使團聚的磨粒破碎分離，通過理論及試驗研究，可得到以下結論：

(1)高頻超聲作用可使堆積團聚的磨粒分散，可有效改善磨料流加工噴孔中磨粒團堵塞噴孔、無法流通加工的現象，提高加工效率；

(2)超聲空化效應可使磨粒對噴孔的切削作用加強，空化泡潰滅產生的沖擊波使磨料壓力增加，提高加工質量；

(3)軟性磨料流加工可沿流動方向將噴孔加工出錐形。隨著磨料質量分數與磨粒粒徑的增大，噴孔入口直徑與錐度均增大，磨料對噴孔壁面切削作用加強，材料去除量增加。