超聲輔助微細磨料水射流加工系統的關鍵零部件研究

陳雪松，侯榮國，曹茗茗，王屹楨

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255049)

1999年，Miller[1]在第10屆美國水射流會議上首次提出了微細磨料水射流加工技術，使用低濃度、小粒度磨料對材料進行微去除，實現微小零件的精密加工。目前，微細磨料水射流技術已經廣泛應用于精密電子元器件的加工制造，成為一種高效獲得低表面粗糙度、高面形精度零件的重要手段。隨著工業技術的發展和對材料表面質量要求的提高，需要不斷改進磨料水射流加工技術以適應工業生產的需要。呂哲和張忠偉等[2-3]通過對工件施加超聲振動，增加磨粒與工件之間的沖擊載荷，增強磨粒的沖蝕能力。計時鳴等[4]利用超聲激振空化作用，增強湍流動能，促進磨料與水的均勻混合，提高磨粒流的拋光效率。Chen等[5]基于負壓效應生成空化射流，可有效降低被加工表面的粗糙度。Dehkhoda等[6]利用脈沖射流加工石材，促進空腔及亞表面裂紋的生成，提高加工性能。然而現有的磨料水射流技術存在磨料與射流難以均勻混合、加工效率低等缺陷，嚴重制約了磨料水射流技術的發展。針對此問題，本文對超聲輔助微細磨料水射流加工系統的關鍵零部件進行設計與分析，研制高性能微細磨料水射流加工系統，通過噴嘴內變幅桿的高頻、大振幅縱向振動，誘導產生空化泡，將連續射流調制為脈沖-空化射流，并優化磨料供給裝置，以期提高磨料水射流的加工性能。

1 超聲輔助微細磨料水射流加工系統

超聲輔助微細磨料水射流加工系統如圖1所示，加工系統主要由氣液增壓系統、磨料漿體供給裝置、四軸運動及控制系統和超聲噴嘴等部分組成。磨料供給采用前混合方式，將磨料、水及懸浮劑、分散劑在料漿罐中預混合制成磨料懸浮液，氣液增壓系統將純水加壓，并將高壓水輸送入料漿罐中，與磨料均勻混合，促使高壓料漿從磨料罐底部流出進入超聲噴嘴裝置。通過超聲振動的作用，增強磨料水射流的能量，提高射流的加工性能及工作效率。通過四軸運動控制系統優化噴嘴的運動軌跡，從而提高磨料水射流的加工精度[7]。

超聲波在介質中傳播，與介質相互作用，發生一系列物理、化學反應。超聲振動對磨料水射流加工的影響主要體現在兩個方面：脈沖射流的高強度動壓力作用和聲致空化氣蝕作用，兩者相互促進，共同發揮作用。

2 超聲噴嘴的設計

超聲噴嘴裝置是加工系統的關鍵，如圖2所示，該裝置主要由超聲發生器、換能器、變幅桿和噴嘴組成。超聲發生器產生頻率為20 kHz的正弦信號，最大功率為900 W，通過調節超聲發生器的輸出功率可調整超聲振幅。超聲換能器由6片鈦酸鋇壓電陶瓷組成。變幅桿具有放大振幅和聚能的作用，變幅桿輸出端產生高頻、大振幅縱向振動來調制磨料水射流。變幅桿安裝在噴嘴內部，其末端直接作用于磨料水射流，可有效減少能量損失，在外加超聲的激勵下，形成兼有空化效果的脈沖射流。噴嘴材料為不銹鋼，出口直徑為1 mm。

2.1 變幅桿的設計

變幅桿是超聲裝置的核心部件，為了保證足夠的放大系數和較大的形狀因數，采用三段復合型縱向振動變幅桿，幾何模型如圖3所示。圖3中，Ⅰ段和Ⅲ段為等截面桿，Ⅱ段為圓錐形變截面桿，輸入端加工螺紋孔以固定換能器，在變幅桿的位移節點處加工法蘭以固定變幅桿。其輸入端直徑與換能器端面相匹配，設計為30 mm，輸出端直徑根據噴嘴內徑及強度要求，設計為8 mm。變幅桿材料為鈦合金，機械性能參數見表1[8]。首先采用解析法設計變幅桿的尺寸，然后利用仿真分析驗證變幅桿性能。

圖3 變幅桿幾何模型

表1 鈦合金的機械性能

圖4 變截面桿縱振

(1)

式中:S=S(x)為橫截面積函數；ξ=ξ(x)為質點位移函數；σ=σ(x)為應力函數；ρ為材料密度。

在諧振條件下，變截面桿縱振的動力學方程可寫為

(2)

式中，k為圓波數，k=w/c，w為圓頻率，c為縱波的傳播速度，即聲速。

半波長圓錐形變幅桿的面積系數為

(3)

式中:D1、D2分別為輸入端和輸出端直徑；N為面積系數，其值為3.75。

(4)

(5)

將式(3)代入式(4)、式(5)，得出共振長度l為92 mm，放大系數MP為2.59。

2.2 變幅桿仿真分析

為了保證變幅桿有效、準確工作，需要對其進行動力學分析以驗證其性能，本文通過ANSYS軟件對變幅桿進行模態分析和諧響應分析。為了保證求解精度，網格劃分采用SOLID186號單元六面體網格，變幅桿的諧振頻率和振型如圖5所示。當共振頻率為20.054 kHz時，變幅桿發生縱振，與超聲發生器20 kHz的頻率接近，其他振型為扭振或擺振，確定所設計的變幅桿符合要求。

圖5 變幅桿諧振頻率及振型

變幅桿承受呈正弦變化的交變載荷，6片壓電陶瓷換能器的輸出振幅一般為4～8 μm，對變幅桿輸入端施加頻率為20 054 Hz、振幅為6 μm的正弦激勵載荷進行諧響應分析。圖6為變幅桿的振幅分布，當輸入端振幅為6 μm時，輸出端振幅為15.9 μm，放大系數為2.65，符合設計要求。距離變幅桿輸入端65 mm的位置為變幅桿的位移節點，在此位置加工法蘭面，通過壓蓋與噴嘴結合在一起以固定變幅桿和密封噴嘴。法蘭厚度不宜過大，否則會造成法蘭振動，增大能量損失。仿真分析所得到的縱振頻率與理論計算值存在一定誤差，主要原因是解析法設計的公式為經驗公式，存在誤差，而且ANSYS有限元分析輸入的材料參數及網格劃分密度也會影響模擬結果。圖7為變幅桿的應力分布圖，由圖7可知，變幅桿的Ⅱ段所受應力最大，為218.3 MPa，遠小于鈦合金材料的屈服強度860 MPa，滿足強度要求。

圖6 變幅桿振幅分布

圖7 變幅桿應力分布

3 料漿罐的設計

研究發現，在相同的水力條件下，前混合式磨料漿體射流的加工效率為后混合式磨料水射流的5倍，可在系統壓力較低的條件下提高材料去除率[9]，所以該加工系統的磨料供給采用前混合式。磨料漿體是一種非牛頓流體，高壓水進入料漿罐，與磨料漿體混合，增壓泵產生的驅動高壓通過壓力介質水傳遞給磨料漿體，促使高壓料漿進入超聲噴嘴。在料漿罐內，由于空間的突變和料漿罐底部錐面的影響，在其內部產生漩渦[10]。對于前混合式磨料水射流，生成漩渦是非常有必要的，湍流強度越大，越有利于磨料的加速。錐角的大小和錐面的長度是影響渦流的主要因素，較小的錐角使速度分布更加均勻，料漿的流動性增強，料漿的出口速度有所提高。但隨著錐角的減小，錐面的增長，湍流強度減弱，磨料的混合率降低，導致磨料水射流加工效率降低。

利用ANSYS/Fluent模塊對料漿罐內部流場進行分析，仿真結果如圖8、圖9所示。當錐角為45°時，在料漿罐軸線兩側出現明顯對稱渦流，錐面及側壁面速度分布較緊密，湍流強度大，湍流能量分布范圍廣，有利于高壓水與料漿的均勻混合及磨粒的加速，減少能量損失，并且流動性良好，減輕料漿罐內部磨損。為了防止因磨料團聚而發生堵塞現象，必須添加一定濃度的懸浮劑和分散劑，增強磨粒之間的排斥作用，使磨粒分散、穩定地懸浮于水中。

圖8 料漿罐內流場速度分布

圖9 料漿罐內湍流動能分布

4 結束語

研制的超聲輔助微細磨料水射流加工系統，通過噴嘴內變幅桿的高頻、大振幅振動，促進了超聲能量與射流能量充分耦合，將連續射流調制為脈沖-空化射流。對變幅桿進行的數值計算及有限元仿真，保證了變幅桿有效、準確工作。分析料漿罐內部流場的運動狀態，獲得了最佳底面錐角，促進了高壓水與磨料均勻混合，能夠增強磨料水射流的沖擊性能，提高其加工效率。