噴孔超聲磨料流光整倒錐成型試驗(yàn)研究

張 鵬，董志國(guó)，張宇超，杜璟琳

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

1 引言

噴油嘴是發(fā)動(dòng)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(dòng)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(duì)工件表面進(jìn)行光整加工，可對(duì)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(dòng)方向壓力呈線性降低[2]，利用該特性能夠通過(guò)光整加工同時(shí)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(guò)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(diǎn)，超聲空化效應(yīng)可以將液體里的微小氣泡通過(guò)超聲作用生長(zhǎng)、破裂，把集中的能量短時(shí)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(dòng)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(duì)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(wèn)題。

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

2 超聲振動(dòng)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(zhǎng)度為1mm，噴孔數(shù)為6個(gè)，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(yàn)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(yàn)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(dòng)輔助磨料流加工原理

超聲振動(dòng)輔助磨料流加工壓力、速度示意圖，如圖3 所示。超聲振動(dòng)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?dòng)作用磨料流道。在磨料流的作用，磨粒沿軸向以速度Va運(yùn)動(dòng)。超聲振動(dòng)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(dòng)頻率；A—振動(dòng)振幅。

3 超聲空化效應(yīng)激勵(lì)特性

3.1 粘彈流體的超聲空化

超聲振動(dòng)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(duì)于單個(gè)空化氣泡，超聲強(qiáng)度低時(shí)，氣泡會(huì)產(chǎn)生徑向線性振動(dòng)。隨著超聲強(qiáng)度的增強(qiáng)，氣泡會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則振動(dòng)。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(shí)，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(dòng)最為強(qiáng)烈，其對(duì)應(yīng)的關(guān)系為：

式中：R0—?dú)馀莩跏及霃剑籔0—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(duì)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(shí)，空化泡半徑約為800μm，即只要?dú)馀莅霃讲淮笥?00μm，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(huì)引起傳聲質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，在t時(shí)刻時(shí)質(zhì)點(diǎn)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(duì)磨粒團(tuán)的激勵(lì)

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(guò)程視為絕熱過(guò)程。氣泡潰滅產(chǎn)生的最大壓力[10]：

其中，在10℃磨料加工中，Pm—?dú)馀萃獠孔饔糜跉馀莸膲毫Γ琍m=P0+PAsin2πft；Pg—?dú)馀莅霃綖镽0內(nèi)部氣體的壓力；P0—液體介質(zhì)的靜壓；PA—超聲振動(dòng)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(jì)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(huì)被炸裂，使粘彈流體和磨粒混合得更均勻，從而抑制加工過(guò)程中的小孔堵塞問(wèn)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(yàn)

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)

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(dòng)，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)活塞向下移動(dòng)，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(dòng)裝置有超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿組成。試驗(yàn)采用杭州國(guó)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(yàn)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(shí)間480s。

5 結(jié)果分析

5.1 未加超聲振動(dòng)

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。可以看出入口直徑大于出口直徑即孔道有錐度。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(dòng)

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(guò)圖7（a）與圖8（a）的對(duì)比，圖7（b）與圖8（b）對(duì)比可以得到加超聲振動(dòng)的出入口直徑大于未加超聲振動(dòng)的出入口直徑。流體磨料切削孔璧增大孔的直徑，超聲振動(dòng)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(duì)比可以得到，超聲振動(dòng)比不加超聲振動(dòng)噴孔錐度大0.96°。因?yàn)槠渌庸l件相同，有超聲振動(dòng)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(dòng)流體磨料更易加工出錐角。

由圖7（d）圖8（d）對(duì)比可以得到。因?yàn)榧映曊駝?dòng)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(dòng)更加順暢，壁面對(duì)流體造成的能量消耗也減小。在磨料加工過(guò)程中，未加超聲振動(dòng)的磨料堵塞孔兩次，而加上超聲振動(dòng)流體磨料沒(méi)有堵塞微孔。

試驗(yàn)壓力圖，如圖9所示。試驗(yàn)在未加超聲振動(dòng)時(shí)，壓力變化范圍為（1.8～1.9）MPa；而加上超聲振動(dòng)時(shí)，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(dòng)比不加超聲振動(dòng)的壓力提高16%，經(jīng)過(guò)超聲空化效應(yīng)作用后的磨料壓力比不加超聲振動(dòng)的壓力降低5%。超聲振動(dòng)壓力增加，因?yàn)槌暱栈?yīng)產(chǎn)生聲壓。

圖9 壓力圖Fig.9 Pressure Chart

超聲振動(dòng)磨料壓力大于不加超聲振動(dòng)磨料的壓力。而經(jīng)過(guò)超聲空化作用下磨料壓力降低，因?yàn)槟チ现械膱F(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(guò)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(wèn)題。

（2）超聲空化效應(yīng)促進(jìn)磨粒顆粒與載體更均勻。