功率超声珩磨空化试验分析

功率超声珩磨加工过程中会发生空化现象,为探究空化对被加工材料表面的影响,进行超声珩磨空化正交试验并针对凹坑最大直径、表面侵蚀率、表面粗糙度三个指标进行试验分析,这三个指标可分别表征单泡溃灭强度,整体空化强度及空化对材料表面质量影响,结果表明：空化造成材料表面微小凹坑,影响凹坑最大直径的主要因素依次为距离和振幅,距离越小,振幅越大,则凹坑最大直径越大;影响表面侵蚀率的主要因素依次为试验时间和距离;而振幅则对材料表面粗糙度的影响最大,在距离5 mm、振幅65%、试验时间1/3 min条件下,试样表面粗糙度降低,表面质量提高。因此,在一定条件下,空化效应有助于改善超声珩磨中工件表面质量,试验分析结果对超声珩磨实际加工具有借鉴意义。     

超声珩磨时单空化泡的动力学分析

超声振动珩磨时单空化泡动力学的分析有助于深入研究超声振动珩磨磨削机理,故以磨削液为液体介质,研究了超声振动珩磨环境下单个气泡的动力学特性。将气泡大于初始半径的运动过程看作是等温过程,而气泡小于初始半径的运动过程看作是绝热过程,在Rayleigh-Plesset方程的基础上,建立超声珩磨环境下单空化泡的动力学模型。应用4~5阶Runge-Kutta法,对单空化泡动力学模型进行了数值求解,并与传统超声空化的空化泡运动特性进行了比较。结果表明:超声珩磨的环境下,磨削区空化泡膨胀的幅值较大,但频率较慢,气泡的运动规律比较稳定。     

功率超声珩磨磨削区椭球状空化泡动力学模型及数值模拟

超声空化效应直接影响功率超声珩磨工件的表面质量、珩磨效率以及加工稳定性。基于能量平衡原理建立了磨削区椭球状空化泡动力学模型,采用MATLAB软件进行了数值模拟。从模拟结果可知:当不考虑液体介质的粘滞阻尼、时间滞后等因素时,单个椭球状空化泡动力学规律与球状空化泡类似,表现为类似于稳态空化的过程;珩磨压力、油石转速等磨削区特有的加工环境对近椭球状空化泡的生长和压溃影响较大。在数值模拟的基础上又进行了相应试验研究,证实油石表面超声空化泡的存在及功率超声振动珩磨磨削区的超声空化效应受到油石表面三维微观形貌影响。     

功率超声珩磨磨削区空泡溃灭微射流冲击特性及试验研究

正功率超声珩磨是一种超声辅助精密加工方法,依靠油石的运动达到去除材料及改变表面微观形貌的效果,加工过程中,超声波传入磨削液会产生空化效应,空泡溃灭过程中会产生微射流、冲击波、声致发光等次级效应,会对材料表面产生不容忽视的影响,尤其是空泡溃灭微射流的冲击作用。因此,文中提出超声珩磨环境中空泡溃灭微射流冲击特性的研究,主要工作如下。     

近壁面超声空化微射流对微细颗粒的破碎作用

针对微细粉体“团聚”导致粉磨极限的问题,在液相环境下利用超声的分散和空化冲击作用,开展了近壁面超声空化微射流对微细颗粒破碎作用的研究。通过理论计算空化微射流冲击微细颗粒破碎的有效作用范围,从空化泡溃灭速度的角度分析了超声频率、声压幅值、介质尺寸等主要参数对微射流强度的影响;结合物料质量浓度、介质尺寸、介质面积和功率等影响因素的微细颗粒超声空化破碎正交试验,并利用SEM观测粉体形貌,分析了颗粒中位粒径D50、10%体积累积粒径D10和比表面积（SSA）等分布特性。参数组合优化后获得了粒径小于800目的微细颗粒,破碎率高达79.35%;粒径大于10 000目的极细颗粒产率高达12.84%。从提高微细颗粒破碎率的角度,发现介质面积是主要影响因素,功率次之,其次为介质尺寸和物料质量浓度。试验结果与理论研究成果基本一致,表明优化超声空化微射流参数与增加介质壁面面积等方法可有效提高微细颗粒的破碎率。     

专用超声珩磨试验的CAT系统研制

该系统适用于超声振动珩磨试验,可以对超声振动加工的振幅、磨削区的珩磨温度和珩磨力３ 种不同特征的信号进行动态测试和快速处理。通过对数据的分析可以研究超声振动珩磨系统的局部共振特性,分析超声振动加工的加工性能,从而确定超声振动珩磨系统的设计准则。     

基于CFD方法的超声空化发生特性数值分析

利用计算流体力学软件FLUENT对磁致伸缩超声振动仪中超声空化发生特性进行数值模拟.通过考察流场内的绝对压力、气含率以及流体速度的变化,分析了超声空化的发生特性,并分析了相关参数对模拟结果的影响.结果表明:试样振动时,试样中间区域为主要空化区域.边缘区域发生空化的概率很小,但该区域始终受到试样周边流体绕流的作用,会对试样的两个边缘产生"磨削"破坏.在次边缘区域,水蒸气泡在快速流动的过程中溃灭,因而会对试样表面造成辐射状"划痕".在影响参数中,密度和质量力的欠松弛因子的取值影响模拟结果的准确性;RNG k-ε模型对低压较敏感;非平衡壁面函数与增强壁面函数对贴近壁面处的流体压力变化更加敏感;在空化模型中,水的气化压力越高,流场内的高低压降幅越小,压力变化越稳定,而试样表面的气含率分布差异更大;不可压缩气体质量分数越大,试样表面压降幅度越小,试样表面的平均气含率越高.     

38CrMnA材料功率超声振动珩磨加工工艺试验

超声振动珩磨是一种新型的、高效的精密加工技术,广泛应用于汽车、坦克发动机缸套或缸体类零部件中。针对特种难加工材料38CrMnA,分别利用超声振动珩磨和普通珩磨进行加工,主要对比了磨削力、磨削区温度、工件表面粗糙度等参数。试验结果表明,超声振动珩磨具有加工效率高、珩磨磨削力小、磨削区温度低、加工精度高等优点,为提高珩磨效率和解决韧性、高硬、高强材料的光整加工开辟了新途径。     

AZ31B镁合金功率超声珩磨空化试验研究

空化效应是功率超声珩磨中最常见的现象,为探究空化对被加工材料性能的影响,对表面抛光后的AZ31B镁合金进行超声振动空化实验,采用正交试验研究了超声振幅、与工件距离、超声时间对试件硬度和表面粗糙度的影响,并对试件进行金相组织分析。结果表明:空化可以造成材料表面形貌的改变,并对材料的硬度和表面质量产生变化。影响材料硬度的主要因素依次是超声时间、与工件距离、超声振幅,空化可以将工件硬度提升1. 5-3倍左右,最优参数组合为超声振幅75%、与工件距离1. 0mm、超声时间20min;粗糙度的主要影响因素是与工件距离、超声时间和超声振幅,在超声时间20min、与工件距离2mm、超声振幅50%条件下,试件表面粗糙度Rq值最小,表面质量最好。在硬度最高的试验组条件下,表面晶粒尺寸由15μm减小到2μm左右。因此,超声空化在一定的控制条件下,能明显改善工件的硬度和表面质量,工件硬度的改变与超声空化导致晶粒细化现象有关,试验分析结果对材料改性有现实借鉴意义。     

超声辅助磨削空化冲击波效应的空蚀特性

为探究超声辅助磨削过程中,近固壁面空化泡运动产生冲击波对材料空蚀特性,以单个空化泡为研究对象,考虑液体介质的表面张力建立超声空化冲击波模型,通过数值模拟讨论了超声振动频率、声压幅值、空化泡初始半径与表面张力系数对冲击波压力大小在液体传播中变化的影响。搭建超声空蚀实验平台,通过观察不同空化条件下材料表面微结构,研究冲击波的侵蚀机制。结果表明：空化泡中心产生的冲击波压力最大并随着距空化泡中心距离的增大急剧衰减;当超声声压振幅越大、表面张力系数越小时,在与空化泡中心距离相等处产生的冲击波越大;空蚀加工距离越近和超声振幅越大,冲击波的空蚀作用越剧烈。     

超声空化对细微流道中固体颗粒的运动特性研究

针对细微流道中的多相流调控问题,研究超声空化效应对微流道内固体颗粒运动特性的影响。利用Fluent有限元技术对空化气泡溃灭的过程进行模拟,得在超声声压作用于近壁区的气泡时,气泡凹陷、破壁、溃灭的演变过程,并对其周围流场的速度矢量分布进行研究,仿真结果显示,空化气泡溃灭能够产生射向壁面的高速微射流,其最大速度达到28m/s,进而确定细微流场观测实验的最优参数;利用高速摄像机对细微流道中气泡的演变过程进行观测实验,并与仿真实验结果进行对照,观测实验结果表明,利用超声空化效应能够实现对固体颗粒向流道壁面运动的有效引导,为实现细微流道的流场调控、提高加工精度等问题提供理论支持。     

Cavitation erosion of a flat surface near a rotating shaft

To clarify the phenomenon of cavitation erosion in the sliding bearings of internal combustion engines, an apparatus was prepared and tests were conducted on cavitation in the oil between the cylindrical face of a rotating shaft and the tip of a horn attached to an ultrasonic oscillator. This apparatus produces an oil flow and a plus-minus oil pressure between a shaft and a horn tip to simulate erosion and its distribution on bearing surfaces.From patterns of cavitation erosion on the tip of a horn made of an Al-Sn alloy and the pressure distribution on the wedge oil film, it was determined that the region where cavitation bubbles occur and the region where erosion occurs owing to the collapse of the bubbles do not necessarily coincide.Cavitation erosion was found to occur in both the plus and the minus oil film pressure regions and erosion due to bubble collapse occurs in the regions where pressure increases in the direction of oil flow.The test results allow the postulation of the mechanism and the reasons for the occurrence of cavitation erosion on actual sliding bearing surfaces.     

超声振动珩磨工艺参数优化的试验研究

利用自行研制的功率超声振动珩磨实验装置,对超声珩磨和普通珩磨的磨削效率进行了对比实验研究,并采用超声振动珩磨技术,对AZ91D镁合金材料进行了加工实验,以确定最佳油石参数及工艺参数。实验结果表明,超声珩磨在材料去除率和加工表面质量上均优于普通珩磨。实验获得的优化工艺参数可以满足对镁合金的实际加工需要。     

基于图像灰度统计的调节阀空化分布特性研究

针对调节阀内复杂的空化流动现象,研究调节阀内的空化形态特征和分布特性。建立调节阀空化图像采集试验系统,采用高速相机对空化形态进行捕捉。由于空泡的生长、溃灭等动力学行为使空泡群的密度和数量的不同,捕获的图像上灰度值的变化与空泡的演变过程之间存在相关性。该文通过空化图像中灰度值的变化来识别空化区域,且为提高分析可靠度,引入三个特征量：相似系数R确定所需样本数量、灰度变化率λ来表征空泡的动力学行为变化、平均灰度值ψ表达空化长度。根据这三个特征量,我们准确获得了调节阀内空化产生的位置、分布区域以及形态的变化。调节阀流道内空化附着区域可分为空化形成区(IR)、发展区(DR)和溃灭区(CR)。背压是影响空化附着区域形态的一个重要因素。随着背压的增加,其对空化的抑制作用比较明显,空化形成区的终点也是溃灭区的起点,即空化在流道内的分布形式仅为空化形成、溃灭这两种分布形式。此外,随着背压的增加,空化强度减弱,空化长度亦减小。     

磁致伸缩仪超声空化流的三维非定常数值模拟

采用Singhal完全空化模型和SST k-ω湍流模型结合动网格技术对磁致伸缩仪超声空化流进行三维非定常数值模拟。计算结果表明,由于变幅杆高频振动,在靠近试样表面附近局部流场的压力和空泡体积组分变化具有周期性,压力波动的最低值可达到汽化压力,该局部流场可发生空化。由于空化,试样表面压力波动具有脉冲特征。压力和空泡体积组分在试样表面近似呈环形分布。在同一环形区域内,压力和空泡体积组分存在无规律断续脉动。试样表面中心区域空泡经历两次振荡后溃灭,产生强烈脉冲压力,最大脉冲压力可达约14MPa。脉冲压力在试样表面按间隔环形区域分布,且随试样振动在相邻环形区域上交替出现。在磁致伸缩仪超声空化流场中,试件表面可近似多个声波发生源,各声波传播时相互叠加和干扰。在声波传播的过程中压力衰减很快,只是在距试样表面约20mm内,压力有明显波动。     

液体中空泡收缩过程的数值研究

材料在液体中的空蚀破坏程度会因为液体环境的改变而大相径庭,而液体中空泡的生长、溃灭是造成材料空蚀破坏最根本的原因。为了研究液体环境对空泡运动过程的影响,利用有限差分法计算空泡在不同液体环境中的收缩过程,对不同液体黏性、表面张力条件下不同尺寸空泡的收缩过程进行了分析。计算结果表明:液体黏性会减缓空泡收缩过程中的脉动现象,且黏性越大,空泡收缩过程中脉动现象所持续的时间越短,脉动幅度也越小;表面张力越大,空泡收缩稳定后的半径也越大,且表面张力在空泡收缩过程中表现出的对空泡泡壁的加速效应会增大空泡的脉动频率。与前人的研究相比,研究还发现:在同样的液体环境中,随着空泡初始半径的减小,空泡在收缩过程中呈现出的脉动现象所持续的时间会越来越短,而最终稳定后的量纲一半径则会越来越大,即空泡在收缩过程中被压缩的比例越来越小。计算结果为理解液体中空泡的溃灭行为和由此引起的空蚀破坏提供了理论依据。     

Experimental investigation on noise of cavitation nozzle and its chaotic behaviour

The researches of cavitation noise mainly focus on the incipiency and developing of cavitation to prevent the cavititation erosion in the hydraulic machinery, while there is few report about the collapse strength of cavitation bubbles produced by water jet through the cavitation nozzle to utilize efficiently the collapse energy of cavitation bubbles. The cavitation noise signals are collected with hydrophones for the cavitation nozzle and general nozzle at the target position and the nozzle exit separately in the conditions of different standoff distance. The features of signal’s frequency spectrum and power spectrum are analyzed for various nozzles by way of classical methods. Meanwhile, based on chaotic theory, phase space reconstruction is processed and the maximum Lyapunov index is calculated separately for each cavitation signal’s time series. The results of chaotic analysis are compared with the one of conventional analysis. The analyzed data show that there are the marked differences at the spectrum between the cavitation nozzle and general nozzle at the target position while the standoff distance is 35 mm, which mainly displays at the high frequency segment (60-120 kHz). The maximum Lyapunov index calculated appear at standoff distance 35 mm, which is an optimum standoff distance for the most bubbles to collapse at the target. At the nozzle exit, the noise signal of cavitation nozzle is different from the general nozzle, which also displays at the high frequency segment. The results demonstrate that the water jet modulated by the cavitation nozzle can produce effectually cavitation, and at the target position the amplitude and energy of noise spectrum in high frequency segment for cavitation nozzle are higher than conventional nozzle and the Lyapunov index of cavitation nozzle is larger than conventional nozzle as the standoff distance is less than 55 mm. The proposed research reveals that the cavitation noise produced by collapse of cavitation bubbles attributes mainly to the high frequency segment     

The influence of water air content on cavitation erosion in distilled water

The influence of increased air content of the cavitating liquid (distilled water) was studied in rotating disk test rig. A rise in the total air content (including dissolved and entrained air) of the water in the undersaturated range resulted in bubble collapse cushioning and reduction of cavitation damage. When the water was oversaturated with air, large air bubbles formed and cavitation damage was drastically reduced, probably due to both bubble collapse cushioning and shock wave attenuation.