超聲滾壓中的空化現象*

商映舉 鄭建新 郭永磊 鄧瀚林 賈留銀

(河南理工大學機械與動力工程學院 焦作 454003)

0 引言

超聲空化是指超聲波在流場中傳播時，水中氣核在正負壓相的作用下，不斷生長、膨脹、壓縮和潰滅的一系列非線性過程。空化泡潰滅瞬間產生高溫高壓，并伴隨著微射流和沖擊波的產生。空泡潰滅引起的空蝕對金屬表面有破壞作用，但超聲空化引起的微射流和沖擊波會導致材料表面發生塑性變形，在部分領域也得到積極應用[1]。

近年來，研究人員將空化效應引起的強大沖擊應用于材料表面層改性[2]、超聲清洗[3]、顆粒破碎[4]、材料去毛刺[5]等諸多領域，使之起到積極有利的作用。祝錫晶團隊[6-7]深入研究了超聲珩磨中的空化效應，發現在控制一定的加工條件下，空化效應有助于改善加工過程中工件的表面質量。梁志強等[8]對超聲空化輔助鉆削微孔進行研究，發現液體中的超聲空化效應可以改善切屑的黏滯和堵塞現象，從而提高微孔鉆削的加工質量。Beaucamp等[9]對超聲空化輔助流體噴射拋光工藝進行研究，發現當在噴嘴出口處引入超聲空化效應時，流體噴射拋光中的材料去除率顯著提高。Li等[10]對超聲滾壓處理后的304 不銹鋼試樣進行超聲空化侵蝕處理，發現經超聲滾壓處理后試件表層引入殘余壓應力、晶粒細化和提高表面硬度后可顯著提高304不銹鋼試樣的抗空蝕能力。Ge等[11]提出了一種基于空化的氣-液-固磨料流拋光工藝，試驗結果表明，隨著空化強度的增大，空蝕速率和空蝕深度均增大，顯著提升了拋光效果，該工藝可在大型工件上獲得更高質量的表面。

超聲滾壓是一種表面強化加工技術，通過滾珠的動態高頻沖擊和靜態碾壓，使工件表面發生劇烈塑性變形。在超聲滾壓加工中引入切削液，如果滾珠的超聲頻振動能使切削液發生空化效應，可以推測空化效應所產生的微射流和沖擊波對超聲滾壓表面強化將有積極作用。本課題組[12]對二維超聲滾壓流場空化效應進行了仿真研究，并以氣含率作為空化強度評價指標研究了二維超聲滾壓環境下不同管型和入口壓力的流場空化情況。由于在超聲滾壓加工過程中，空化效應不便直接測量，課題組前期僅通過仿真方法來分析在二維超聲滾壓過程中不同流場結構下空化情況，尚未通過試驗來驗證超聲滾壓中空化現象的存在。

為此，本文將通過理論與試驗相結合的方法證實超聲滾壓加工過程中空化現象的發生。首先通過分析超聲滾壓中的空化閾值，來驗證空化存在的必要條件；然后通過染色法和超聲滾壓后材料表面氧元素能譜分析，進一步證實超聲滾壓加工過程中空化現象的發生；最后，通過是否引入切削液的超聲滾壓對比試驗分析空化效應對材料表面粗糙度和顯微硬度的影響，研究空化現象在超聲滾壓加工中的積極效應。

1 超聲滾壓流場空化閾值

1.1 超聲滾壓加工原理

超聲滾壓加工系統主要由超聲波發生器、換能器、變幅桿和滾珠組成。滾珠在靜壓力Fs和縱向超聲振動(頻率為f、振幅為AL)共同作用下，以進給速度fr對轉速為n的工件表面進行高頻沖擊和碾壓，以達到表面強化的目的。同時在滾壓程中，開啟外接液壓系統，使變幅桿輸出端內腔及滾壓區域充滿切削液[12]。在超聲波作用下，滾珠周邊的切削液可能會產生空化現象。

1.2 空化閾值

一定狀態下，只有液體負壓達到某臨界值時才開始出現空化現象，該臨界負聲壓值稱為空化閾值。空化閾值可以衡量液體在超聲波作用下能否產生空化，空化閾值PB可表示為[13]

式(1)中，P0為流體靜壓力，Re為空化泡初始半徑，σ為液體表面張力系數。

在超聲滾壓過程中，聲壓的幅值PA為

式(2)中，ρ和c分別代液體密度和液體聲阻抗。選用水作為切削液，溫度20°C，表面張力系數為0.0728 N/m，密度為1000 kg/m3，水中聲速為1480 m/s。當P0為一個標準大氣壓、空化泡初始半徑(一般為微米級) 1～100 μm時[14]，對應的空化閾值為1.01×105～1.57×105Pa。在超聲滾壓加工中，當超聲振動頻率f為24.6 kHz、振幅AL為5 μm時，水中的聲壓幅值為1.14×106Pa。顯然，選用水作為切削液時，超聲滾壓的聲壓值至少高于空化閾值一個數量級，因此會產生超聲空化。此外，在超聲滾壓加工過程中，切削液中及工件表面含有溶解氣體、懸浮微小氣泡等氣核，實際臨界負壓值遠低于理論計算出的空化閾值。

2 空化現象試驗驗證

2.1 染色法

目前常用的空化測量方法有染色法[15]、聲致發光法[16]、水聽器法[17]等。在超聲滾壓加工過程中，采用染色法可以簡單觀測空化效應分布情況。需要指出的是，染色法可以證實空化現象存在與否，但難以對空化強度進行量化分析。

在染色試驗前，對安裝滾珠和不安裝滾珠的試驗裝置進行了超聲霧化試驗。霧化試驗結果表明安裝滾珠與否都能產生強烈霧化現象，可以說明不同負載下試驗裝置超聲振動效果都較為顯著。染色法試驗裝置如圖1所示。采用溶液濃度為5 mg/L的亞甲基藍溶液和175 g/m2的國產白卡紙，進行超聲滾壓染色試驗。試驗過程中，超聲振動頻率24.6 kHz，振幅AL=5 μm，染色時間20 s。

染色結果如圖2 所示。圖2(a)為未安裝滾珠的染色結果，此時保持變幅桿端面距離染色卡紙1 mm。圖2(b)為安裝滾珠后的染色結果，此時滾珠與卡紙接觸后滾珠再壓入0.2 mm (與卡紙厚度接近)。

圖2 染色結果Fig.2 Staining results

從圖2可以看出，白卡紙染色明顯，這是因為在超聲滾壓過程空化泡潰滅時產生的微區域高壓，同時伴有微射流與沖擊波的產生使染料沉淀附著從而出現染色現象。這說明在超聲滾壓過程中產生空化現象。

如圖2(a)所示，沒有安裝滾珠時，卡紙染色區域為與變幅桿端面直徑相同的圓形，且越接近圓心(圓心處為弧形槽，用來安裝滾珠)，卡紙顏色越淺。這說明超聲振動輸出端端面距離工件越近，空化現象越顯著。這一結果與Ye等[2]的試驗觀察結果一致，即空化效應強度與距離有關，距離越近，空化效應越強。

如圖2(b)所示，安裝滾珠后，在超聲振動作用下，滾珠接觸區域無法染色，而滾珠鄰近區域可以染色，染色區域近似為圓形且邊緣較為發散。由于滾珠壓入卡紙后，接觸區域沒有染色溶液存在，不能發生空化效應。滾珠的存在導致聲波輸出端與卡紙的距離發生變化，滾珠鄰近區域距離卡紙較近，染色程度較深。

可以推測，在超聲滾壓加工過程中，當滾珠在靜壓力作用下與工件保持緊密接觸時，滾壓區域不會產生空化現象，而鄰近區域有較強的空化效應發生。因此，可以將引入空化效應的超聲滾壓加工過程分為超聲空化-超聲滾壓-超聲空化3 個階段。滾壓接觸前滾壓區域周圍產生的空化射流沖擊效應(微射流與沖擊波)可以使工件表層材料的原子及微觀組織在沖擊波能量的作用下被激活，使材料的塑性大幅度提高。這有助于即將進行的超聲滾壓加工，增強塑性變形過程。超聲滾壓后的空化射流拋光效應將有利于提高表面光潔度。

2.2 氧元素能譜分析

發生在水中的空化效應在空化泡潰滅時會瞬間產生高溫高壓和微射流，能夠將水和水中存在的氧氣分解，轉變成大量的羥基自由基等一系列的高氧化性的自由基團[18-19]。這些自由基團與較為活潑的鋁反應會生成氧化膜。利用Merlin Compact場發射掃描電子顯微鏡對超聲滾壓處理后的試樣進行能譜分析，確定材料微區成分元素種類與含量，獲取不同加工條件下的氧元素變化，驗證空化效應。

選用7075-T6 的實心鋁合金棒進行試驗。工件進行滾壓加工前，先對其進行車削預處理。然后，進行超聲滾壓加工試驗，采用水作為切削液的超聲滾壓加工(空化超聲滾壓)和無水超聲滾壓加工(普通超聲滾壓)兩種方式。超聲振動參數與染色試驗相同；滾壓加工參數為靜壓力120 N，轉速500 r/min，進給量0.05 mm/r。

如圖3所示，在進行能譜分析時，任意在工件某個平整表面處選取相同大小區域進行分析，提取各化學成分含量。多次測量發現在相同滾壓方式下不同區域位置的氧含量雖略有不同，但都在平均值左右。表1 各給出了每種超聲滾壓方式下的3 處氧元素含量。

表1 不同加工方式下試樣表面氧元素含量Table 1 Oxygen element content on the surface of specimens under different processing methods

圖3 部分能譜分析結果Fig.3 Partial energy spectrum analysis results

從表1 可以看出，空化超聲滾壓加工后的工件表面氧元素含量要明顯大于普通超聲滾壓加工后的氧元素含量，氧元素含量提升52.2%。這表明引入切削液后在超聲滾壓加工過程中會產生空化作用，空泡潰滅時的瞬時高溫會使工件表面產生相對更大的氧化現象。

3 超聲滾壓加工試驗

為研究空化效應對超聲滾壓加工后工件表面質量的影響，進行不同靜壓力下的超聲滾壓對比試驗。除靜壓力外，超聲滾壓加工參數與能譜分析制備樣件時的加工參數相同，即超聲振動頻率24.6 kHz，振幅AL=5 μm，轉速500 r/min，進給量0.05 mm/r。加工后采用TIME@3221 表面粗糙度儀測量工件表面粗糙度，采用HV-1000 型顯微硬度計測量工件表面顯微硬度。

7075-T6 鋁合金棒料進行滾壓加工前進行車削預處理。經車削后工件表面粗糙度Ra為0.895 μm，表面顯微硬度為165 HV0.1。

經超聲滾壓加工后，不同靜壓力下的工件表面粗糙度和顯微硬度如圖4所示。

圖4 靜壓力對表面粗糙度和顯微硬度的影響Fig.4 Effect of static pressure on surface roughness and microhardness

圖4 表明，經超聲滾壓后表面粗糙度大幅降低，普通超聲滾壓降幅為85.5%～93.4%，空化超聲滾壓降幅為90.4%～95.7%；而顯微硬度有所提高，普通超聲滾壓增幅為19%～25.6%，空化超聲滾壓增幅為22.1%～27.3%。從圖4可以看出，隨著靜壓力的增加，兩種加工方式下的表面粗糙度Ra值都呈下降趨勢，而顯微硬度呈增加趨勢。在相同靜壓力下，空化超聲滾壓加工獲得的工件表面粗糙度更低，而顯微硬度更高。

顯然，在超聲滾壓中引入空化效應后可以降低工件的表面粗糙度和提高工件的表面顯微硬度。在超聲滾壓加工過程中，滾珠周邊的切削液不僅可以減小摩擦系數，還可以產生空化射流拋光工件表面大幅降低工件加工后的表面粗糙度。同時，空泡潰滅釋放的微射流和沖擊波對工件表面有一定沖擊作用，可進一步提高工件表面顯微硬度。

對比試驗結果還表明，隨著靜壓力增大，不同超聲滾壓加工方式下獲得的工件表面粗糙度和顯微硬度逐漸接近。這可能是因為隨著靜壓力增大，滾珠與工件保持緊密接觸，超聲振動被抑制。此時，滾珠向流場中傳遞的聲壓幅值變小，空泡變化速率減小，在相同的變化時間內(一個超聲振動周期)最大半徑減小，空化強度變弱，空泡潰滅時產生的沖擊波和微射流作用減弱，因此不同超聲滾壓加工方式下獲得的工件表面粗糙度和顯微硬度差值逐漸變小。

空化超聲滾壓后工件加工質量的提升也進一步說明超聲滾壓加工中引入切削液可以發生空化效應，空化效應的輔助加工有助于超聲滾壓加工的進行，其空化泡潰滅產生的微射流與沖擊波效應可以增強塑性變形過程，提升加工后工件的表面質量。

4 結論

(1) 選用水作為切削液時，超聲滾壓的聲壓幅值至少高于空化閾值一個數量級，在超聲滾壓中可以產生超聲空化。

(2) 利用染色法試驗驗證了超聲滾壓加工過程中產生了空化現象，引入空化效應的超聲滾壓過程可分為超聲空化-超聲滾壓-超聲空化3個階段。

(3) 空化超聲滾壓加工后的工件表面氧元素含量要明顯大于普通超聲滾壓加工后的氧元素含量，表明引入切削液后在超聲滾壓加工過程中會產生空化作用，工件表面產生相對更大的氧化現象。

(4) 在超聲滾壓中引入空化效應后能夠進一步降低工件的表面粗糙度和提高表面顯微硬度。