陳藝文，李 華，許順杰，許陸昕，周培祥

（蘇州科技大學 機械工程學院，江蘇 蘇州215011）

傳統(tǒng)的磨料水射流是利用高壓水射流帶動磨料粒子加速后從噴嘴噴出，形成磨料水射流達到加工工件的目的，它對工件表面具有較強的沖蝕作用，但在沖蝕過程中不改變其物理、化學性能，而且加工柔性高，因此適用于加工各種結(jié)構(gòu)和功能的材料，與常規(guī)的化學拋光、研磨拋光相比具有環(huán)保、拋光效率高等優(yōu)點[1]。但是，傳統(tǒng)的磨料水射流拋光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及裝置操作比較復雜，包括了增壓系統(tǒng)、磨料供給系統(tǒng)、磨料水射流噴射系統(tǒng)及收集器，要求條件苛刻，系統(tǒng)中的管路和噴嘴因為沖蝕作用磨損較快，而且存在著成本高的問題，因此有必要對傳統(tǒng)的磨料水射流拋光系統(tǒng)進行研究和改善。聚焦超聲振動換能器應用的是球面自聚焦原理，可實現(xiàn)大功率聚焦，目前主要應用于腫瘤的治療[2]（見圖1）。

本文鑒于聚焦超聲振動換能器的使用特點將其應用于磨料水射流拋光中，即將聚焦超聲振動球殼放入含有磨料的拋光液中，在超聲電源的驅(qū)動下產(chǎn)生聚焦超聲振動形成磨料流對工件進行拋光加工。聚焦超聲振動球殼在拋光液中可以產(chǎn)生聚焦磨料流，不僅具有傳統(tǒng)的磨料水射流拋光方法的優(yōu)點，而且超聲振動可以增強光學材料的塑性剪切去除能力，降低表面粗糙度等優(yōu)點[3]。

圖1 球面自聚焦模型

1 聚焦超聲振動換能器的設計及其聲壓場的測量分析

1.1 聚焦超聲振動換能器的設計

在聚焦超聲振動磨料水射流拋光系統(tǒng)中，拋光加工的沖蝕力是由PZT凹面球殼厚度振動產(chǎn)生的（壓電效應），球殼后端裝配反射端進行反射聲波[4]。首先確定凹面球殼的諧振頻率是1 MHz；然后以其諧振頻率為中心頻率設計超聲電源；凹面球殼的曲率半徑是90 mm，開口直徑60 mm。設計圖如圖2所示。

為了確定聚焦超聲振動球殼系統(tǒng)的諧振響應特性和球殼端面的振幅，利用TH2826型高頻LCR數(shù)字電橋（20 Hz~5 MHz，10 MHz步進0.1%）和多普勒激光測振儀對系統(tǒng)進行性能測試和工作參數(shù)優(yōu)化。

圖2 聚焦超聲振動球殼設計圖

1.2 聲壓場的測量分析

為了驗證聚焦超聲振動球殼裝置的聲壓場特性，對其聲壓進行了實際數(shù)據(jù)的測量。測量系統(tǒng)示意圖如圖3所示，主要由三部分組成：聚焦超聲發(fā)射裝置、聲壓數(shù)據(jù)采集裝置、三維精密移動平臺。

聚焦超聲振動球殼裝置固定在三維精密移動平臺上，調(diào)節(jié)聚焦超聲振動球殼的幾何尺寸中心軸和水聽器同軸，通過電腦程序控制聚焦超聲振動球殼的位置移動，同時采用探針式水聽器進行聲壓信號采集，水聽器接收到信號后傳遞至前置放大器，并將系統(tǒng)解調(diào)的電壓信號傳送到示波器來作為聲壓測量信號。采集數(shù)據(jù)時要求聚焦超聲振動球殼每移動一次位置，就需要采集一次水聽器的聲壓值，最后把采集數(shù)據(jù)用計算機進行數(shù)值擬合從而生成聲壓場。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)聲壓場中聲壓的最大值出現(xiàn)在聲壓軸80 mm附近，由于測量基準面是凹球殼開口端面，也就是聲焦距是90 mm，滿足幾何焦距90 mm。根據(jù)圖4和圖5發(fā)現(xiàn)，聚焦超聲振動換能器的聲壓場在聲壓軸方向上，聲束寬度比較小，并且其旁瓣高度也適中，說明聚焦超聲振動換能器具有顯著的聚焦特性以及其聲場是聚焦聲場。

圖3 聚焦超聲振動球殼聲壓測量示意圖

圖4 聚焦換能器在聲壓軸上聲壓分布圖

圖5 聚焦換能器在焦平面內(nèi)徑向聲壓變化圖

2 聚焦超聲振動換能器拋光加工機理分析

聚焦超聲振動磨料水射流拋光加工的基本原理如圖6所示。在水槽容器里裝有一定濃度的拋光液，聚焦超聲振動球殼在超聲電源的驅(qū)動下產(chǎn)生聚焦超聲振動，在拋光液中形成磨料流，并以一定速度噴射到工件表面上，在工件表面的拋光區(qū)域內(nèi)真正實現(xiàn)對工件材料微量去除的是磨料，即通過磨料粒子對工件材料的塑性微切削，達到降低表面粗糙度的目的。

圖6 加工基本原理圖

根據(jù)球面波的性質(zhì)，磨料粒子在聲場中受到的f=1 MHz的聚焦聲場輻射力，其方向沿點聲源與磨料粒子徑向方向。根據(jù)聲波的疊加理論，磨料粒子所受到的力即為聲場中各輻射力的矢量和[5]。

首先建立磨粒的受力分析，磨粒的半徑為R，根據(jù)圖7中的受力分析可知，聚焦超聲振動換能器對磨粒的輻射力主要沿磨粒的徑向，對其分解得到水平方向和豎直方向的兩個分力，由于聚焦超聲振動換能器是對稱的，根據(jù)輻射力原理可知，最終聚焦超聲振動換能器對磨粒的合力沿水平方向，且大小為各水平方向的分力之和[5]。

圖7 磨粒在聲壓場中的受力分析

令λ＝ρ0/ρ，建立下式

式中，F(xiàn)ix為第i個磨粒在x方向上的受力；A為聲波幅值；ρ0為水密度；ρ為磨粒密度。

可得聚焦換能器對磨粒施加的驅(qū)動力為

磨料粒子的沖蝕速度為

其中，L為靶距；m為磨粒質(zhì)量。

則磨料粒子的等效實際沖擊動能為

式中，η為沖蝕動能的效率系數(shù)。

將該動能分為兩部分[6]：

式中，α為沖擊角；UMC為造成工件材料脆性斷裂的動能分量；UMD為造成工件材料塑性剪切的動能分量。

通過將UMC與工件材料的臨界脆性斷裂沖蝕動能UC比較，判斷材料的去除機理。材料的臨界脆性斷裂沖蝕動能可以表示為[5]

式中，C為與裂紋形式有關的無量綱系數(shù)；E為工件材料的彈性模量，GPa；KIC為工件材料的斷裂韌度，MPa·m1/2；H為工件材料的硬度，GPa。

當UMC>>UC時，材料以脆性方式去除；當UMC

3 實驗研究

3.1 實驗驗證

為驗證聚焦超聲振動磨料水射流拋光加工的效果，本實驗首先設計出聚焦超聲振動球殼來產(chǎn)生實驗所需要的磨料水射流，然后搭建所需要的實驗系統(tǒng)，用該方法對一經(jīng)磨削后的碳化硅工件進行拋光實驗。實驗條件如下：球殼的曲率半徑是90 mm，開口直徑60 mm；諧振頻率是1 MHz；磨料為SiC、粒徑120目；磨料濃度20 g/L；靶距90 mm；加工時間2 min。圖8為聚焦換能器實驗裝置圖。

圖8 聚焦換能器實驗裝置圖

3.2 實驗結(jié)果

分別采用VHX-5000超景深三維顯微鏡和Contour GT-K0白光干涉儀對加工前后的碳化硅樣件表面進行測量。圖9和圖10是由VHX-5000超景深三維顯微鏡放大200倍測定的加工前后的表面照片，通過對比可以看出：加工前可以看出表面粗糙不光滑，有明顯的磨削痕跡；而加工后其表面磨削痕跡明顯變淺，表面更光潔。圖11和圖12是由Contour GT-K0白光干涉儀測定的加工前后的表面3D照片，通過對比可以看出：經(jīng)過聚焦超聲振動磨料水射流拋光后碳化硅工件表面的凸凹程度已經(jīng)減小了，經(jīng)測定，加工前的表面粗糙度值Ra=6.948μm，加工后為Ra=0.488μm，這表明表面粗糙度值明顯減小。因此，這兩種測量結(jié)果都表明聚焦超聲振動磨料流拋光加工技術確實可以改善工件的表面質(zhì)量，降低其粗糙度。

圖9 聚焦換能器磨料水射流拋光前的表面200倍放大

圖10 聚焦換能器磨料水射流拋光后的表面200倍放大

圖11 聚焦換能器磨料水射流拋光前的表面3D圖

圖12 聚焦換能器磨料水射流拋光后的表面3D圖

4 結(jié)語

本文對新型的凹球面聚焦超聲振動磨料流拋光加工技術進行了理論分析和實驗研究。通過對聚焦超聲振動換能器聲壓場的測量，證明了聲壓場中聲壓的最大值出現(xiàn)在幾何焦距90 mm處；且在聲壓軸方向上，聲束寬度比較小，并且其旁瓣高度也適中，說明聚焦超聲振動換能器具有顯著的聚焦特性以及其聲場是聚焦聲場。在聚焦超聲振動磨料流拋光實驗中，磨料流中的磨粒對碳化硅表面進行高頻沖擊，產(chǎn)生大量微破碎，使得工件表面形貌得到改善，不僅降低了表面粗糙度，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的磨料水射流拋光系統(tǒng)更加簡單，沒有管路、噴嘴損耗等優(yōu)點。因此，這種通過聚焦超聲振動換能器產(chǎn)生的磨料流去拋光加工碳化硅工件的方法是可行的。