考虑煤油蒸汽冷凝与蒸发的超声珩磨区空化特性研究

王潞杰， 祝锡晶， 王建青

(中北大学 机械与动力工程学院， 山西 太原 030051)

考虑煤油蒸汽冷凝与蒸发的超声珩磨区空化特性研究

王潞杰， 祝锡晶， 王建青

(中北大学 机械与动力工程学院， 山西 太原 030051)

超声振动珩磨加工中会产生空化现象， 空化泡溃灭产生的微射流与高压会对工件表面产生影响， 为了使空化效应合理地应用于实际生产， 必须建立更贴近实际环境的空化泡模型， 故考虑珩磨因素与煤油蒸汽的蒸发与冷凝建立了磨削区空化泡的动力学模型， 对其数值求解， 同时进行了超声珩磨谐振系统的试验研究. 结果表明:考虑煤油蒸汽的蒸发与冷凝可以更好地解释空化泡各参量的变化， 对空化泡溃灭时的温度和压力影响较大， 溃灭温度和溃灭压力的最大值分别为109Pa和103K； 空化泡初始半径越大， 膨胀所能达到的最大幅值越小， 溃灭时间越短； 同时由于受到珩磨压力和珩磨速度的作用， 超声振动珩磨下的空化泡运动幅值比传统环境下的小1/3， 但动态变化快于后者； 试验后铝箔出现大量凹坑， 说明空化效应对工件加工起着一定的作用.

超声珩磨； 空化泡； 煤油蒸汽； 蒸发； 冷凝

0 引 言

超声空化是指液体中的微小泡核在超声波的正负压作用下， 其体积发生膨胀、 振荡、 收缩和崩溃的一系列动力学行为[1]. 空化泡在溃灭瞬间， 周围会产生区域性的高温高压， 从而引起各种各样的物理和化学效应. Flynn[2]考虑热传导影响， 采用界面温度函数代表泡内蒸汽压的作用， 研究了超声场下小型空化泡的动力学特性. L.Yuan等[3]考虑气体粘滞性、 热传导性、 气体状态方程、 液体表面张力和压缩性等， 探讨了多种物理因素对气泡声致发光的影响. 张文娟等[4]依据单泡声致发光模型， 数值分析了各种空化泡动力学方程对发光特性的影响和发光时泡内产生的异常电离现象. 高贤娴等[5]创建考虑物质交换的唯象模型， 扩展了Rayleigh理论的应用范围， 并探讨了稳定平衡半径下的参数相关性.

功率超声珩磨是一种先进的精密制造技术， 主要用于加工陶瓷、 宝石、 石英等高硬度、 高韧性材料， 具有较低的珩磨温度和珩磨压力， 较高的加工效率和表面质量等优点. 超声振动珩磨加工中注入的大量切削液在超声作用下产生空化现象， 而空化所伴随的热效应、 机械效应等会影响工件加工过程， 对工件表面进行压力和微射流冲击[6]. 因此深入研究超声珩磨区的空化机理， 对提高工件表面质量， 改善加工效率都有着重要意义. 本文根据Kyuichi Yasui方程， 考虑珩磨头合成扰动速度、 珩磨压力以及煤油蒸汽的蒸发与冷凝的影响， 建立了磨削区空化泡的动力学模型.

1 超声振动珩磨磨削区空化泡动力学模型

1.1 超声振动珩磨的加工环境

在超声珩磨加工环境下， 超声波通过换能器、 变幅杆、 谐振响应系统等最终传递到油石， 使油石表面产生高频、 高幅振动， 激活磨削液中的大量微小气泡或泡核， 从而产生空化效应. 与普通超声空化相比， 由于珩磨压力和珩磨速度的存在， 使得超声珩磨磨削区的空化泡运动变得更为复杂.

本文选取煤油为磨削液的研究对象， 磨削液通常具有冷却、 润滑、 防锈等作用. 在超声珩磨加工注入适量的煤油， 可以显著减少油石与工件、 碎屑间的摩擦， 还能有效降低珩磨压力和珩磨温度. 因此， 煤油在改善工件表面质量与提高油石使用寿命方面有着不可忽略的影响.

图 1 为功率超声珩磨的加工示意图， 珩磨头旋转速度为v， 往复运动速度为ve(忽略超声波振动速度vf的影响)， 可得切削液中的珩磨头合成扰动速度va为[7]

图 1 超声珩磨加工示意图Fig.1 The diagram of ultrasonic vibration honing in machining

1.2 磨削区的空化泡理论模型

本文对空化泡假设如下： 运动过程中的空化泡始终为球形， 球心位置不变； 忽略液体密度以及液体中声音传播速度的变化； 忽略气泡内空气蒸汽分子的数量的变化； 考虑切削液的压缩性、 表面张力、 粘滞性以及煤油蒸汽的蒸发和冷凝等因素. 根据Kyuichi Yasui模型的推导方法[8]， 可得到考虑煤油蒸汽蒸发和冷凝的超声振动珩磨磨削区的空化泡动力学模型[8-9]

空化泡泡壁受到的外部压力Pout不仅受泡内压力影响， 而且与周围液体的性质息息相关

式中：Pin为泡内气体压力；Ph为油石对磨削液的挤压力；ρa为空化泡内气体分子的平均密度[7].

为了得到Pin， 采用范德瓦尔斯状态方程求解[8]

式中：a和b为范德瓦尔斯量(随煤油蒸汽分子数的变化而改变)；Rg为普适气体常数；T为泡内温度.

空化泡内温度[8]为

式中：E为气泡的内能；CV,air(CV,ker)为空气(煤油蒸汽)的定容摩尔热容.

在Δt时间内空化泡发生的内能变化ΔE为[8]

其中， 等式右端第一项表示Δt时间内泡内压强导致的气泡内能变化； 第二项表示Δt时间内气泡内煤油蒸汽分子数量变化所引起的气泡内能变化.

煤油蒸汽蒸发(或冷凝)所吸收(或释放)的能量e可表示为[8]

式中：αM为蒸发或冷凝的调节系数(设为常数)；RV为煤油蒸汽的气体常数；PV为空泡内的饱和蒸汽压；T0为切削液温度；PVk为泡内的煤油蒸汽分压；Γ为该等式的修正系数.

t+Δt时刻空泡内煤油的蒸汽分子数量是t时刻煤油蒸汽分子数量与Δt时间内煤油蒸汽分子数量变换之和[8]

2 空化泡动力学方程的数值模拟及分析

表 1 功率超声珩磨数值仿真参数

2.1 空化泡状态参量随时间的变化曲线

图 2 为空化泡半径、 泡内压力、 泡内温度以及空气、 煤油蒸汽分子以及总的分子数量随时间的变化曲线. 从图2(a)可以看出， 空化泡在初始阶段膨胀十分缓慢， 20 μs 之后膨胀速度加快， 在42 μs 达到最大值后开始快速收缩， 而后进行多次的小幅振荡， 最后进入振荡周期为50 μs 的稳态空化阶段. 从图2(b)～2(d) 可以看出， 在空化泡半径逐渐膨胀至最大值的过程中， 泡内压力和泡内温度却缓慢减小并达到最小值102Pa和20 K， 而煤油和总的蒸汽分子数则不断增多达到1011. 相反， 当空化泡被迅速压缩至最小的过程中， 泡内压力和泡内温度迅速达到最大值109Pa和103K， 而煤油和总的蒸汽分子数却迅速减少为1010.

发生上述现象主要是由于空化泡在初始的膨胀和压缩阶段， 较低的泡内压力使得煤油蒸汽蒸发和冷凝的速率较慢， 煤油蒸汽分子数逐渐增加， 与此同时泡内温度和环境温度也不高， 每个煤油蒸汽分子在泡内外的交换运动中只能携带很少能量， 故泡内温度变化很小. 然而在空化泡进入压缩溃灭阶段后， 较高的泡内压力使大量煤油蒸汽分子迅速冷凝， 而此时泡内的温度也处于高值， 每个冷凝的煤油蒸汽分子均会带走较多能量， 导致气泡内的热能急剧减少， 泡内温度迅速降低.

图 2 空化泡各状态参量随时间的变化曲线Fig.2 Cavitation of the state parameters varied with time

2.2 不同初始半径下的空化泡运动曲线

不同初始半径下空化泡的运动曲线如图 3 所示， 可以看出， 随着空化泡初始半径的增大， 气泡半径快速膨胀的时间提前， 最大膨胀倍数减小， 溃灭时间也相应缩短， 导致空化泡的动态变化频率加快.

图 3 不同初始半径下的空化泡运动曲线Fig.3 Different initial radius of the cavitation bubble motion curves

2.3 传统超声与功率超声珩磨下的空化泡运动曲线

图 4 为传统超声与功率超声珩磨的空化泡运动曲线.

图 4 传统超声与功率超声珩磨的空化泡运动曲线Fig.4 Conventional ultrasound and ultrasonic honing of the cavitation bubble motion comparison

由图 4 可以看出， 在空化泡膨胀的初始阶段， 两种情况下的空化泡幅值基本一样， 均在缓慢增加， 但30 μs 之后， 传统超声条件下的空化泡幅值明显大于超声振动珩磨条件下的空化泡幅值， 且前者约是后者的1.5倍. 同时， 传统超声条件下的空化泡动态变化频率要慢于功率超声珩磨条件下的空化泡动态变化. 这主要是因为在超声珩磨加工过程中， 空化泡除受到超声作用之外， 还受到珩磨压力和珩磨速度的影响， 其中珩磨压力使得空化泡膨胀所要克服的阻力增加， 从而抑制了其运动幅值的变化； 珩磨速度加剧磨削液流动， 从而促进了空化泡的动态变化频率.

3 试验验证

超声珩磨加工过程中， 珩磨区空化泡的动态变化以及溃灭瞬间释放的冲击波与微射流会影响工件表面质量， 通过磨削参数的变化能够合理控制空化效果， 从而提升加工效果.

目前测量空化强度的方法有水听器法、 染色法、 声致发光法等， 但都很难用于超声珩磨的实际加工过程， 本文选择铝箔腐蚀法， 通过观察超声珩磨作用后铝箔的表面质量来间接地定性讨论磨削区的空化作用效果.

实验仪器包括： 250 W的H66MC超声波发生器； 超声珩磨谐振系统； 铝箔纸； 玻璃水槽(内置煤油)； VHX-600ESO 数码显微镜等. 试验装置如图 5 所示.

图 5 试验装置示意图Fig.5 Schematic diagram of test equipment

如图 6 所示， 铝箔置于油石座上， 油石浸在充满煤油的玻璃槽内. 调节超声波频率， 使超声谐振系统产生共振， 由于油石条的振动发生空化效应， 空化泡溃灭瞬间释放的微射流和冲击波对铝箔造成冲击. 7 s之后在数码显微镜下观察铝箔纸的表面形貌.

从图 7 可以看出， 空化产生的大量空化泡对铝箔进行射流冲击与压强脉动作用， 使其表面产生大量凹坑， 且最高处与最低处相差40 μm . 这表明超声珩磨区的空化效应对工件的表面质量和材料去除有着不可忽略的影响， 能够通过合理控制磨削参数来改进加工效果.

图 6 试验现场Fig.6 Test field

图 7 试验后铝箔的表面形貌Fig.7 Surface morphology of aluminum foil after test

4 结 论

本文在Kyuichi Yasui方程的基础上， 建立了考虑煤油蒸汽和冷凝的超声珩磨磨削区空化泡的动力学模型， 利用数值方法进行分析， 发现：

1) 考虑煤油蒸汽的蒸发与冷凝因素， 能够更好地解释空化泡泡内温度、 压力等状态参量随时间的变化过程， 尤其是溃灭瞬间泡内压力和温度所发生的剧烈变化， 故煤油蒸汽的蒸发与冷凝的影响必须加以考虑.

2) 随着空化泡初始半径的增大， 其运动幅值加速膨胀的时间提前， 最大半径值减小， 溃灭时间相应地缩短.

3) 超声振动珩磨下的空化泡与传统超声场下相比， 运动幅值受到较大程度的抑制， 但运动变化频率却更快.

4) 通过铝箔腐蚀法定性讨论了空化作用的强弱， 表明空化泡溃灭产生的微射流与高压脉动对工件加工有着一定的影响.

这些研究结果有利于更好地理解超声珩磨区的空化效应， 能够为实际加工提供必要的理论指导.

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Characteristic Research on Ultrasonic Honing Cavitation Bubbles Considering the Evaporation and Condensation of Kerosene Vapor

WANG Lu-jie， ZHU Xi-jing， WANG Jian-qing

(School of Mechanics and Power Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China)

There is cavitation in the ultrasonic vibration honing processing.The micro jet and high pressure generated by bubble collapse have an effect on the workpiece surface.In order to apply cavitation theory to production under power ultrasonic honing reasonably, the model of cavitation bubble close to the actual environment must be established. So dynamic model of cavitation bubble was put forward under consideration of ultrasonic honing factors and evaporation and condensation of kerosene vapor. The equation was simulated and a cavitation test of the ultrasonic honing vibration system was made. The results show that: the variation of state parameters of cavitation bubbles is better to explain by considering the evaporation and condensation of kerosene vapor, and the maximum temperature and pressure of cavitation bubble collapse reaching 109K and 103Pa are affected particularly, thus it can not be neglected; With the initial radius of cavitation bubbles increasing, the maximum expansion amplitude and collapse time are decreasing; Besides undering the effect of ultrasonic vibration honing, the cavitation bubble motion is inhibited about one third smaller compared with traditional ultrasound, and the vibration frequency is faster than the latter; after the test, the aluminum foil appears a number of pits, which shows the cavitation effect plays a certain role in the machining of the artifact.

ultrasonic honing； cavitation bubble； kerosene vapor； evaporation； condensation

2016-09-05

国家自然科学基金资助项目(51275490)； 山西省自然科学基金资助项目(201601D011061)

王潞杰(1989-)， 男， 硕士生， 主要从事精密与特种加工的研究.

1673-3193(2017)02-0150-05

TG580.67； O427.4

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.02.010