商映舉 鄭建新 郭永磊 鄧瀚林 賈留銀

(河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 焦作 454003)

0 引言

超聲空化是指超聲波在流場(chǎng)中傳播時(shí)，水中氣核在正負(fù)壓相的作用下，不斷生長(zhǎng)、膨脹、壓縮和潰滅的一系列非線性過(guò)程?？栈轁缢查g產(chǎn)生高溫高壓，并伴隨著微射流和沖擊波的產(chǎn)生。空泡潰滅引起的空蝕對(duì)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(huì)導(dǎo)致材料表面發(fā)生塑性變形，在部分領(lǐng)域也得到積極應(yīng)用[1]。

近年來(lái)，研究人員將空化效應(yīng)引起的強(qiáng)大沖擊應(yīng)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(lǐng)域，使之起到積極有利的作用。祝錫晶團(tuán)隊(duì)[6-7]深入研究了超聲珩磨中的空化效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在控制一定的加工條件下，空化效應(yīng)有助于改善加工過(guò)程中工件的表面質(zhì)量。梁志強(qiáng)等[8]對(duì)超聲空化輔助鉆削微孔進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)液體中的超聲空化效應(yīng)可以改善切屑的黏滯和堵塞現(xiàn)象，從而提高微孔鉆削的加工質(zhì)量。Beaucamp等[9]對(duì)超聲空化輔助流體噴射拋光工藝進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)在噴嘴出口處引入超聲空化效應(yīng)時(shí)，流體噴射拋光中的材料去除率顯著提高。Li等[10]對(duì)超聲滾壓處理后的304 不銹鋼試樣進(jìn)行超聲空化侵蝕處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲滾壓處理后試件表層引入殘余壓應(yīng)力、晶粒細(xì)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(yàn)結(jié)果表明，隨著空化強(qiáng)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(zhì)量的表面。

超聲滾壓是一種表面強(qiáng)化加工技術(shù)，通過(guò)滾珠的動(dòng)態(tài)高頻沖擊和靜態(tài)碾壓，使工件表面發(fā)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(dòng)能使切削液發(fā)生空化效應(yīng)，可以推測(cè)空化效應(yīng)所產(chǎn)生的微射流和沖擊波對(duì)超聲滾壓表面強(qiáng)化將有積極作用。本課題組[12]對(duì)二維超聲滾壓流場(chǎng)空化效應(yīng)進(jìn)行了仿真研究，并以氣含率作為空化強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)研究了二維超聲滾壓環(huán)境下不同管型和入口壓力的流場(chǎng)空化情況。由于在超聲滾壓加工過(guò)程中，空化效應(yīng)不便直接測(cè)量，課題組前期僅通過(guò)仿真方法來(lái)分析在二維超聲滾壓過(guò)程中不同流場(chǎng)結(jié)構(gòu)下空化情況，尚未通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證超聲滾壓中空化現(xiàn)象的存在。

為此，本文將通過(guò)理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法證實(shí)超聲滾壓加工過(guò)程中空化現(xiàn)象的發(fā)生。首先通過(guò)分析超聲滾壓中的空化閾值，來(lái)驗(yàn)證空化存在的必要條件；然后通過(guò)染色法和超聲滾壓后材料表面氧元素能譜分析，進(jìn)一步證實(shí)超聲滾壓加工過(guò)程中空化現(xiàn)象的發(fā)生；最后，通過(guò)是否引入切削液的超聲滾壓對(duì)比試驗(yàn)分析空化效應(yīng)對(duì)材料表面粗糙度和顯微硬度的影響，研究空化現(xiàn)象在超聲滾壓加工中的積極效應(yīng)。

1 超聲滾壓流場(chǎng)空化閾值

1.1 超聲滾壓加工原理

超聲滾壓加工系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)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(dòng)(頻率為f、振幅為AL)共同作用下，以進(jìn)給速度f(wàn)r對(duì)轉(zhuǎn)速為n的工件表面進(jìn)行高頻沖擊和碾壓，以達(dá)到表面強(qiáng)化的目的。同時(shí)在滾壓程中，開啟外接液壓系統(tǒng)，使變幅桿輸出端內(nèi)腔及滾壓區(qū)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(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象。

1.2 空化閾值

一定狀態(tài)下，只有液體負(fù)壓達(dá)到某臨界值時(shí)才開始出現(xiàn)空化現(xiàn)象，該臨界負(fù)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(chǎn)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(shù)。

在超聲滾壓過(guò)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(shù)為0.0728 N/m，密度為1000 kg/m3，水中聲速為1480 m/s。當(dāng)P0為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、空化泡初始半徑(一般為微米級(jí)) 1～100 μm時(shí)[14]，對(duì)應(yīng)的空化閾值為1.01×105～1.57×105Pa。在超聲滾壓加工中，當(dāng)超聲振動(dòng)頻率f為24.6 kHz、振幅AL為5 μm時(shí)，水中的聲壓幅值為1.14×106Pa。顯然，選用水作為切削液時(shí)，超聲滾壓的聲壓值至少高于空化閾值一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此會(huì)產(chǎn)生超聲空化。此外，在超聲滾壓加工過(guò)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(shí)際臨界負(fù)壓值遠(yuǎn)低于理論計(jì)算出的空化閾值。

2 空化現(xiàn)象試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 染色法

目前常用的空化測(cè)量方法有染色法[15]、聲致發(fā)光法[16]、水聽器法[17]等。在超聲滾壓加工過(guò)程中，采用染色法可以簡(jiǎn)單觀測(cè)空化效應(yīng)分布情況。需要指出的是，染色法可以證實(shí)空化現(xiàn)象存在與否，但難以對(duì)空化強(qiáng)度進(jìn)行量化分析。

在染色試驗(yàn)前，對(duì)安裝滾珠和不安裝滾珠的試驗(yàn)裝置進(jìn)行了超聲霧化試驗(yàn)。霧化試驗(yàn)結(jié)果表明安裝滾珠與否都能產(chǎn)生強(qiáng)烈霧化現(xiàn)象，可以說(shuō)明不同負(fù)載下試驗(yàn)裝置超聲振動(dòng)效果都較為顯著。染色法試驗(yàn)裝置如圖1所示。采用溶液濃度為5 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液和175 g/m2的國(guó)產(chǎn)白卡紙，進(jìn)行超聲滾壓染色試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，超聲振動(dòng)頻率24.6 kHz，振幅AL=5 μm，染色時(shí)間20 s。

染色結(jié)果如圖2 所示。圖2(a)為未安裝滾珠的染色結(jié)果，此時(shí)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(jié)果，此時(shí)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(jié)果Fig.2 Staining results

從圖2可以看出，白卡紙染色明顯，這是因?yàn)樵诔暆L壓過(guò)程空化泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的微區(qū)域高壓，同時(shí)伴有微射流與沖擊波的產(chǎn)生使染料沉淀附著從而出現(xiàn)染色現(xiàn)象。這說(shuō)明在超聲滾壓過(guò)程中產(chǎn)生空化現(xiàn)象。

如圖2(a)所示，沒有安裝滾珠時(shí)，卡紙染色區(qū)域?yàn)榕c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(lái)安裝滾珠)，卡紙顏色越淺。這說(shuō)明超聲振動(dòng)輸出端端面距離工件越近，空化現(xiàn)象越顯著。這一結(jié)果與Ye等[2]的試驗(yàn)觀察結(jié)果一致，即空化效應(yīng)強(qiáng)度與距離有關(guān)，距離越近，空化效應(yīng)越強(qiáng)。

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

可以推測(cè)，在超聲滾壓加工過(guò)程中，當(dāng)滾珠在靜壓力作用下與工件保持緊密接觸時(shí)，滾壓區(qū)域不會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，而鄰近區(qū)域有較強(qiáng)的空化效應(yīng)發(fā)生。因此，可以將引入空化效應(yīng)的超聲滾壓加工過(guò)程分為超聲空化-超聲滾壓-超聲空化3 個(gè)階段。滾壓接觸前滾壓區(qū)域周圍產(chǎn)生的空化射流沖擊效應(yīng)(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(jìn)行的超聲滾壓加工，增強(qiáng)塑性變形過(guò)程。超聲滾壓后的空化射流拋光效應(yīng)將有利于提高表面光潔度。

2.2 氧元素能譜分析

發(fā)生在水中的空化效應(yīng)在空化泡潰滅時(shí)會(huì)瞬間產(chǎn)生高溫高壓和微射流，能夠?qū)⑺退写嬖诘难鯕夥纸猓D(zhuǎn)變成大量的羥基自由基等一系列的高氧化性的自由基團(tuán)[18-19]。這些自由基團(tuán)與較為活潑的鋁反應(yīng)會(huì)生成氧化膜。利用Merlin Compact場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)超聲滾壓處理后的試樣進(jìn)行能譜分析，確定材料微區(qū)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(yàn)證空化效應(yīng)。

選用7075-T6 的實(shí)心鋁合金棒進(jìn)行試驗(yàn)。工件進(jìn)行滾壓加工前，先對(duì)其進(jìn)行車削預(yù)處理。然后，進(jìn)行超聲滾壓加工試驗(yàn)，采用水作為切削液的超聲滾壓加工(空化超聲滾壓)和無(wú)水超聲滾壓加工(普通超聲滾壓)兩種方式。超聲振動(dòng)參數(shù)與染色試驗(yàn)相同；滾壓加工參數(shù)為靜壓力120 N，轉(zhuǎn)速500 r/min，進(jìn)給量0.05 mm/r。

如圖3所示，在進(jìn)行能譜分析時(shí)，任意在工件某個(gè)平整表面處選取相同大小區(qū)域進(jìn)行分析，提取各化學(xué)成分含量。多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)在相同滾壓方式下不同區(qū)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(jié)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生空化作用，空泡潰滅時(shí)的瞬時(shí)高溫會(huì)使工件表面產(chǎn)生相對(duì)更大的氧化現(xiàn)象。

3 超聲滾壓加工試驗(yàn)

為研究空化效應(yīng)對(duì)超聲滾壓加工后工件表面質(zhì)量的影響，進(jìn)行不同靜壓力下的超聲滾壓對(duì)比試驗(yàn)。除靜壓力外，超聲滾壓加工參數(shù)與能譜分析制備樣件時(shí)的加工參數(shù)相同，即超聲振動(dòng)頻率24.6 kHz，振幅AL=5 μm，轉(zhuǎn)速500 r/min，進(jìn)給量0.05 mm/r。加工后采用TIME@3221 表面粗糙度儀測(cè)量工件表面粗糙度，采用HV-1000 型顯微硬度計(jì)測(cè)量工件表面顯微硬度。

7075-T6 鋁合金棒料進(jìn)行滾壓加工前進(jìn)行車削預(yù)處理。經(jīng)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(jīng)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(duì)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(jīng)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(shì)，而顯微硬度呈增加趨勢(shì)。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(yīng)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(guò)程中，滾珠周邊的切削液不僅可以減小摩擦系數(shù)，還可以產(chǎn)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(shí)，空泡潰滅釋放的微射流和沖擊波對(duì)工件表面有一定沖擊作用，可進(jìn)一步提高工件表面顯微硬度。

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)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?yàn)殡S著靜壓力增大，滾珠與工件保持緊密接觸，超聲振動(dòng)被抑制。此時(shí)，滾珠向流場(chǎng)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(shí)間內(nèi)(一個(gè)超聲振動(dòng)周期)最大半徑減小，空化強(qiáng)度變?nèi)?，空泡潰滅時(shí)產(chǎn)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(zhì)量的提升也進(jìn)一步說(shuō)明超聲滾壓加工中引入切削液可以發(fā)生空化效應(yīng)，空化效應(yīng)的輔助加工有助于超聲滾壓加工的進(jìn)行，其空化泡潰滅產(chǎn)生的微射流與沖擊波效應(yīng)可以增強(qiáng)塑性變形過(guò)程，提升加工后工件的表面質(zhì)量。

4 結(jié)論

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

(2) 利用染色法試驗(yàn)驗(yàn)證了超聲滾壓加工過(guò)程中產(chǎn)生了空化現(xiàn)象，引入空化效應(yīng)的超聲滾壓過(guò)程可分為超聲空化-超聲滾壓-超聲空化3個(gè)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生空化作用，工件表面產(chǎn)生相對(duì)更大的氧化現(xiàn)象。

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