超声振动辅助抛光材料去除机理研究.pdf

692023,61(8)总第7 0 8 期机械制造材料制造超声振动辅助抛光材料去除机理研究*王志辉谷志朋杨涛1.太原学院机电与车辆工程系太原0300322.东北大学机械工程与自动化学院沈阳110819摘要：超声振动辅助抛光是一种特种精密加工方法，其材料去除过程包含机械、物理、化学等多种因素，研究材料去除机理具有重要意义。对超声流场及超声流场作用下单颗磨粒对工件表面冲击作用进行仿真，分析超声流场作用下抛光过程的材料去除机理。仿真分析表明，在超声作用下，流场产生极强的横向剪切流，横向剪切流携裹着磨粒对工件表面产生冲击作用，从而实现材料去除。材料去除量与磨粒冲击角有关，磨粒冲击角越大，材料去除量越大。随着抛光的进行，工件表面逐渐趋于平整，磨粒冲击角也随之减小，逐渐趋于0，此时不再有材料去除，工件抛光完成。关键词：超声振动抛光材料去除石研究中图分类号：TG356.2*8文献标志码：A文章编号：10 0 0-49 9 8(2 0 2 3)0 8-0 0 6 9-0 4Abstract:Ultrasonic vibration-assisted polishing is a special precision processing method,and its materialremoval process includes mechanical,physical,chemical and other factors,and it is of great significance tostudy the material removal mechanism.The ultrasonic flow field and the impact of a single abrasive on thesurface of the workpiece under the action of the ultrasonic flow field were simulated,and the material removalmechanism of the polishing process under the action of the ultrasonic flow field was analyzed.The simulationanalysis shows that under the action of the ultrasound,the flow field produces a strong transverse shear flow,and the abrasive carried by transverse shear flow has an impact effect on the surface of the workpiece,therebyrealizing the removal of material.The amount of material removed is related to the abrasive impact angle,andthe larger the abrasive impact angle,the greater the amount of material removed.With the polishing,thesurface of the workpiece gradually tends to be flat,and the abrasive impact angle also decreases,graduallytending to O,at this time,there is no longer material removal,and the workpiece polishing is completed.Keywords:Ultrasonic VibrationPolishingMaterialIRemoveStudy1石研究背景随着新材料、新科技的发展，人们对加工效率和加工精度的要求越来越高。比如对硬脆材料的抛光，较低的加工效率和抛光精度已经无法满足当今工业飞速发展的要求。因而，新抛光技术的发展、完善、应用对我国工业的发展，尤其是对我国高端制造业的发展具有极为深远的影响。超声振动抛光技术是近年来逐步发展和应用的一种新型加工方法，具有普通加工方法无法比拟的工艺效果，非常适用于硬脆材料的精密加工和成型加工(1-2 O然而，超声振动辅助抛光材料去除机理尚不够明*国家自然科学基金资助项目（编号：U1508206）确。在超声振动抛光过程中，磨料悬浮液由于超声振动的作用形成了极为复杂的内部流场 3。吕婷 3 模拟了超声抛光中的声致空化现象，表明空化作用产生气泡的爆破效果冲击磨粒产生更高的运动速度，从而导致更为强烈的材料去除。Nguyen等 4 采用多相流计算流体动力学仿真软件分析，结果表明颗粒在间隙中的分布不均匀，工件中心区域的磨粒数最多，边缘处最少。孙丙镇 5 通过流场仿真，表明超声增强了流场的流动性，加快材料去除。Liu等 6 对磨粒进行有限元仿真的冲击模拟，仿真结果揭示了不同形状颗粒冲击作用下的作用机理，同时还探明了冲蚀速率与颗粒形状的关系。吕哲 7 提出了超声振动辅助磨料粒子冲蚀机702023,61(8)总第7 0 8 期机械制造材制造理模型，用显式动力学有限元分析的方法模拟了磨粒在超声振动过程中相对于无超声振动环境的应力、接触力、冲蚀率、工件残余应力区别，并证明了超声振动对材料去除存在积极作用。通过众多学者对冲击的有限元模拟研究取得了相对令人满意的结果 8-10)，同时也表明试验中难以观察、测量的参数可以通过有效的仿真技术来实现。2流场仿真分析在超声抛光过程中，工具头的高频振动使液体流动速度和压强发生周期性变化，使原本层流流动的稳定性消失，流动形态产生极不规则的改变。超声振动使液体在横向压差和切应力的作用下形成漩涡，引起流体层之间混掺，造成新的扰动，从而形成流。超声抛光过程中所用的流体为磨料悬浮液，采用计算流体动力学仿真软件模拟流场中抛光的悬浮液。仿真过程中，将抛光介质简化为牛顿流体，并且将仿真液体定义为非定常流动的不可压缩流体。国内外对于多相流的研究尚未完全成熟，且在已进行过的多相流研究中，大部分属于二相流动。为有针对性的研究液体由超声振动导致速度变化，将抛光基液和气体视为一体的液相，将磨粒视为固相，即将复杂的多相流简化为固液两相流进行研究。根据磨料悬浮液的性质及在超声振动过程中主要有针对性的研究磨料悬浮液中磨粒的速度，选用流体体积模型。这一模型一般用于模拟各相有不同速度的多相流，模拟多相流体或粒子流的仿真流动具有很好的效果。在超声振动抛光过程中，超声换能器产生一个较小的纵向振动，通过变幅杆放大以后，再驱动工具头产生较大振幅的高频振动。工具头接触抛光液，在超声振动作用下迫使抛光液冲击工件表面，实现抛光过程。超声振动如图1所示。抛光工具头振幅A抛光液黏度工件八图1超声振动流场仿真模型建立过程如图2 所示。在建模时，将超声振动简化为二维流场仿真模型，在GAMBIT前处理软件中对模型划分网格。流场二维网格模型如图3所示。设置仿真模型参数，振幅A为15um，液膜厚度H为10 0 m，黏度m为0.0 5。选取一个振动周期T的四个节点T/4、T/2、3T/4、T 所对应的流场仿真结果进行分析。一个振动周期四个节点对应的工件表面各处压强建立模型离散模型N数值模拟收敛Y数据提取图2流场仿真模型建立过程边界层网格八图3流场二维网格模型变化曲线如图4所示。整个流场的压强值不断进行正负交替的变化，在T/4、3T/4时刻，工件表面压力总体趋势缓和,而在T/2、T 时刻,压力较大，对应的最大压强值约为310 Pa，且压力主要集中在以工件表面为中心，直径约为15mm的范围内。四个节点处的压力值在总体上也呈对称分布形式。3T/4.22-3T/4T(ed,01x)/10-1-2-10-5051015横向距离/mm图4工件表面压强变化曲线流场仿真模型一个振动周期四个节点对应的X方向速度曲线如图5所示。由图5可见，X方向速度随着远离坐标原点逐渐增大，并且一个周期中各个时间节点速度大致关于X轴呈旋转对称分布。模型X方向速度最大值约为7 0 m/s。流场仿真模型一个振动周期四个节点对应的乙方向速度曲线如图6 所示。抛光工具头下表面对应的工件表面处的Z方向速度随着远离坐标原点逐渐增大，四个节点对应速度的大小差距并不明显。抛光工具头边缘处对应的工件表面处的Z方向速度增大至2 3m/s,出现这一现象的原因是该处与外界的流体实现对流，流体运动更为活跃，使该处的速度出现激增。712023,61(8)总第7 0 8 期机械制造才料制造80T/4.T/260-3T/440-T(_ S-U)/单2010-201-401-601-80-15-10-5051015X/mmA图5X方向速度曲线2-T/4.T213T/4T(1_s:u)/率0-1-2-3-4-15-10-5051015X/mm图6Z方向速度曲线超声振动抛光过程中，抛光液的压强、速度均与超声振动频率呈周期性变化，这使流场中抛光液周期性循环往复，提高抛光悬浮液中磨粒对工件表面的材料去除率，同时增加磨粒冲击工件表面的无规律性，有利于提高工件表面质量。通过上述分析可知，抛光工具头与工件间隙间的抛光液在乙方向的速度不大，而流体的横向速度却相对很大，抛光工具头与工件间形成极强的横向剪切流，证明横向剪切流是实现工件表面材料去除效果的主要原因。3磨粒冲击工件表面仿真由流场仿真分析可知，超声抛光过程中，流场形成极强的横向剪切流，携裹磨粒冲击工件表面。磨粒冲击工件表面如图7 所示。图7磨粒冲击工件表面当磨粒以水平速度冲击工件时，将磨粒速度方向与垂直于工件间接触面法线方向的夹角定义为磨粒冲击角。由图7 可以看出，在抛光初始阶段，工件表面较为粗糙，因此磨粒冲击工件时磨粒冲击角普遍较大。随着抛光的进行，工件表面的凸起将逐渐被磨粒磨平，工件表面将逐渐趋于平整，磨粒冲击角也将随材料表面趋于平整而逐渐减小。在理想状态下，随着磨粒的冲击，磨粒冲击角将逐渐趋于0，即不再有材料去除，从而实现工件抛光的目的。由于磨粒相对于工件很小且硬度较高，因此将其建立为刚体模型，工件采用JH2本构模型模拟硬脆材料-12 。建立长方体工件模型，几何尺寸为10 m7m4 m。为分析不同形状磨粒的冲击特性,建立球形磨粒模型和正八面体磨粒模型，分别模拟磨料悬浮液中较钝和较锋利的磨粒，且正八面体磨粒体积与球形磨粒体积相等。磨粒仿真模型如图8 所示。(a)球形磨粒(b）正八面体磨粒图：磨粒仿真模型当球形磨粒和正八面体磨粒以6 0 m/s速度冲击工件时，不同磨粒冲击角所对应的材料去除率如图9所示。由图9 可知，磨粒以一定的速度冲击工件时，表现出相同的趋势。磨粒造成的材料去除率随磨粒冲击角的增大而增大。在磨粒冲击角为9 0 时，达到材料去除的极限。正八面体磨粒在磨粒冲击角增大时，材料去除率的增大趋势变缓，而球形磨粒的磨粒冲击角与材料去除率基本呈线性关系。总体上，正八面体磨粒的材料去除率优于球形磨粒。722023,61(8)总第7 0 8 期机械制造本刊）岚（编辑A制造材料0.7%一球形磨粒一正八面体磨粒0.6%公0.5%0.4%0.3%0.2%0.1%01020 304050 60708090磨粒冲击角/（）图9不同磨粒冲击角对应材料去除率4丝结束语通过对超声振动抛光过程中磨料悬浮液的流场仿真分析，表明在超声作用下流场会产生极强的横向剪切流，携裹磨粒对工件表面进行冲击，从而实现材料去除。初始工件表面比较粗糙，磨粒冲击角较大，材料去除率也较大。随着抛光的进行，磨粒冲击角减小，材料去除率减小，从而实现抛光。较为锋利的磨粒在冲击工件表面过程中，可以产生更大的材料去除率。参考文献1马辉.基于非局部理论的ZTA纳米复相陶瓷超声加工延性高效本质特征研究 D.上海：上海交通大学,2 0 11.2马列.超声振动外圆珩磨技术及机理研究