超声磁场空化辅助液体喷射抛光装置设计及实验研究

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液体喷射抛光作为精密和超精密加工的一个重要领域,因其对工件形状较强的适用性以及独特的材料去除方式,被广泛应用于硬脆性材料抛光工艺中。抛光工艺作为机械加工的最后一道工序,直接影响工件的表面质量,进而决定产品性能。目前液体喷射抛光中的超声空化辅助液体喷射抛光加工效果尤为显著,其具有加工效率相对较高,易加工硬脆性材料,加工过程机械损伤较低的特点,但加工过程中存在空化泡提前溃灭的问题,而磁场对空化泡存在抑制作用,能够有效解决空化泡提前溃灭的问题。本文提出一种超声磁场空化辅助液体喷射抛光方法,基于数值模拟与实验相结合研究方法对超声磁场空化辅助液体喷射抛光工艺进行研究,分析了加工过程中在声场磁场复合作用下空化泡的运动机理和抛光冲蚀机理,设计并搭建了超声磁场空化辅助液体喷射抛光装置,利用数值模拟方法探究不同参数对超声磁场空化辅助液体喷射抛光装置锥形容腔内各物理场的影响规律,最后通过三种不同工艺的对照实验验证了磁场有利于提高空化泡的利用率,提高材料去除率。主要研究内容如下:(1)基于空化气泡的动力学方程,分析空化气泡在声场和磁场复合作用下的运动变化,对超声磁场空化射流束进行力学分析,探究超声磁场空化射流束的抛光机理。(2)以超声磁场空化抛光机理为基本依据,设计并搭建了一套超声磁场空化辅助液体喷射抛光装置。通过对换能器进行选型,确定了使用螺旋线圈磁场发生装置的方案,并基于磁场设计理论确定了螺旋线圈的基本参数,最后以换能器的尺寸大小为依据,以超声波经过锥形容腔壁面反射后能够聚焦到喷嘴位置为准则,确定了锥形容腔的基本尺寸和锥度角。(3)基于多物理场耦合数值模拟方法建立超声磁场空化辅助液体喷射抛光锥形容腔的三维模型,系统分析了不同超声频率、超声功率、电流大小、抛光液浓度对声场、磁场和流场的影响规律。结果表明:超声波引发的声流现象改变了锥形容腔内流场的运动状态,随着超声频率的增加,由低频率的回旋型声流逐渐转变射流型声流,频率为50kHz时射流流速达到最高值。(4)使用搭建的超声磁场空化辅助液体喷射装置,针对1060铝合金完成了机理性验证实验,针对磨砂玻璃完成了抛光工艺验证性实验,同时采用正交实验法确定了此工艺的最优工艺参数范围。结果表明:相比超声辅助液体喷射抛光,1060铝合金的材料去除量提高了 11.7%,磨砂玻璃的表面粗糙度下降了48.1%,施加外部磁场一定程度上提高了空化泡的利用率。
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