功率超声珩磨磨削区空泡溃灭微射流冲击特性及试验研究

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1、分类号：ＴＧ６６３、Ｏ４２７．４单位代码：１０１１０学号１５０２００６：Ｂｍｎ＾ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔＯｆＣ中北大学ｙ博士学位论文功率超声珩磨磨削区空泡溃灭微射流冲击特性及试验研究博士研究生叶林征指导教师祝晶学科专业机械设计及理论０年１纖＿２８６月１日图书分类号TG663、O427.4密级非密注1UDC_______________________________________________________________博士学位论文功率超声珩

2、磨磨削区空泡溃灭微射流冲击特性及试验研究(题名和副题名)叶林征（作者姓名）指导教师（姓名、职称）祝锡晶教授申请学位级别工学博士专业名称机械设计及理论论文提交日期2018年06月05日论文答辩日期2018年05月28日学位授予日期年月日论文评阅人朱永伟张相炎寇子明权龙马立峰沈兴全李瑞琴答辩委员会主席寇子明2018年06月01日注1：注明《国际十进分类法UDC》的分类Ph.D.DissertationStudyontheImpactCharacteristicsandTestsofCavitationBub

3、bleCollapseMicro-jetintheGrindingZoneofPowerUltrasonicHoningBy:LinzhengYeSupervisor:ProfessorXijingZhuNorthUniversityofChina日期(英文)June1,2018中北大学学位论文功率超声珩磨磨削区空泡溃灭微射流冲击特性及试验研究摘要功率超声珩磨是一种超声辅助精密加工方法，依靠油石的运动达到去除材料及改变表面微观形貌的效果，加工过程中，由于超声波的传入磨削液中会产生空化效应，大量的空化泡产

4、生并溃灭，空泡溃灭过程中会产生微射流、冲击波、声致发光等复杂的次级效应，会对材料表面产生不容忽视的影响，尤其是空泡溃灭微射流的冲击作用。目前为止国内外学者对空化观测、空泡动力学分析及空蚀试验分析等方面进行了大量的工作，相关理论体系已初步建立，但空化效应产生的次级效应还需深入的机理研究，并且功率超声珩磨等超声辅助加工中的空化研究还明显不足。因此，本文提出超声珩磨环境中空泡溃灭微射流冲击特性的研究，首先探究了超声珩磨微观磨削机理及磨削区内的空化效应，然后利用超声空化理论、流体力学、冲击动力学、材料力学、超声

5、学等多学科的基本理论，重点探究了空泡溃灭微射流对材料的冲击作用以及此过程中液、固区域的行为变化，最后进行相关的试验分析及论证，主要工作包含以下几方面：(1)研究了超声珩磨微观磨削机理。考虑了超声珩磨微观加工过程中材料的尺度效应并采用了基于细观机制的应变梯度塑性理论，建立了单油石磨削力模型及比磨削能模型，发现考虑尺度效应时磨削力明显增大且珩磨深度对磨削力的影响最大；珩磨深度低至某一阈值(约1.4μm)后，随珩磨深度的继续减小，磨削力呈现非线性增大的趋势；当珩磨深度低于4.4μm继续降低时，比磨削能也会非线

6、性增大。(2)探究了考虑热效应情况下磨削区单空泡特性的变化及珩磨因素对空泡特性的影响。结合空泡动力学理论，分别考虑了煤油蒸气的冷凝与蒸发、超声珩磨压力及珩磨头速度，构建了超声珩磨磨削区单空化泡的动力学模型，并利用Matlab软件仿真了空泡半径、泡内温度、泡内压强及泡内煤油蒸气分子数的动态演变规律；结果表明，在超声振动珩磨条件下，空化泡泡径受到较大抑制，但运动变化频率却加快，泡内压强与泡内温度的最小值较大，同时泡内煤油蒸气分子数较少；通过研究超声珩磨因素对空化泡运动过程的作用，发现珩磨压力有较大影响，而珩

7、磨头的回转速度具有较小影响，往复速中北大学学位论文度几乎没有影响。(3)建立了空泡溃灭微射流冲击壁面的三维流固耦合模型。针对空泡溃灭微射流冲击壁面这一物理现象，分别对水锤压力和滞止压力进行了简单数学计算，结果表明声压及珩磨压力对微射流冲击壁面过程的影响很小，可以忽略；微射流的冲击会使材料壁面产生高达104-106s-1量级的应变率，所以选用了考虑应变率效应的J-C本构模型；随后依据流体力学、固体力学及冲击动力学，分别建立了微射流冲击壁面的一维和三维流固耦合数学模型。(4)探讨了微射流冲击过程中固体区域及

8、液体区域的行为变化。通过耦合欧拉拉格朗日方法分析了不同微射流冲击条件下的壁面行为变化：空泡溃灭微射流垂直冲击时，壁面出现微型凹坑，壁面的峰值压力、最大变形深度及最大等效应变均出现在射流冲击的边缘，壁面塑性变形主要发生在冲击前期，等效应变呈环形分布；壁面压强随微射流冲击速度的增大而增大，凹坑深度由微射流速度和微射流直径共同决定且随其增大而增大，凹坑直径主要与微射流直径正相关且dp/dj≈0.95-1.2，而凹坑径深比则主要与微射流速度负相关且