功率超声珩磨磨削区单空化泡动力学及溃灭温度分析

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功率超声珩磨加工过程中,磨削区常有大量空化泡产生,它们会快速膨胀、压缩直至崩溃,并在崩溃瞬间产生高温高压等现象。为了探讨其对超声珩磨加工过程的影响,本文对其动力学行为及溃灭特性进行了研究。首先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,建立了动力学模型,并运用MATLAB软件中的4-5阶Runge-Kutta进行求解,探讨了各影响因素对其运动规律的影响。研究发现,超声珩磨磨削区空化泡的运动较稳定,但频率较快、振幅较小。珩磨压力对空化泡运动规律影响较大,对空化泡溃灭过程有促进的作用。而回转速度、往复速度的影响则相对较小。磨削液的粘滞系数越大,空化泡的振幅越小。环境温度的升高会使得较小的空化泡运动幅度更加剧烈,而较大的空化泡会逐渐变得平稳。声压幅值对空化泡运动规律的影响也比较大,当Pα<Po+PH时,空化很难发生,当Pα≥Po+PH时,随着声压幅值的增加,空化泡的振幅会明显变大,且更易于被压溃,空化程度更加剧烈。然后针对磨削区单空泡建立并求解了空泡溃灭瞬间的最大温度、压强公式,运用MATLAB软件分析了各因素对溃灭温度、压强的影响。结果表明:超声珩磨磨削区空化泡溃灭瞬间的最大温度Tmax、最大压力Pmax比普通超声空化的要大,但随着环境温度的升高二者差距会逐渐减小。Tmax、Pmax会随着珩磨压力、声压幅值的增大明显增大,随着环境温度的升高迅速减小,虽然也会随珩磨头回转速度及往复速度的增大有所增大,但增幅较小。最后建立了超声珩磨环境中单空化泡CFD几何模型,结合己经得到单空泡溃灭瞬间产生的高温,运用FLUENT软件对其扩散过程进行了分析。发现空化泡溃灭瞬间产生的高温会先传递给磨削液,并随着磨削液的流动快速传递给工件和油石,所选研究对象系统温度随着溃灭温度的扩散会提升1-2K。空化泡溃灭所产生的高温区域会随着磨削液的流动而改变位置,并使得工件表面存在瞬时高温,影响超声珩磨加工。
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