陳藝文，李 華，許順杰，許陸昕，周培祥

（蘇州科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(dòng)磨料粒子加速后從噴嘴噴出，形成磨料水射流達(dá)到加工工件的目的，它對(duì)工件表面具有較強(qiáng)的沖蝕作用，但在沖蝕過(guò)程中不改變其物理、化學(xué)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(xué)拋光、研磨拋光相比具有環(huán)保、拋光效率高等優(yōu)點(diǎn)[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(fù)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?yàn)闆_蝕作用磨損較快，而且存在著成本高的問(wèn)題，因此有必要對(duì)傳統(tǒng)的磨料水射流拋光系統(tǒng)進(jìn)行研究和改善。聚焦超聲振動(dòng)換能器應(yīng)用的是球面自聚焦原理，可實(shí)現(xiàn)大功率聚焦，目前主要應(yīng)用于腫瘤的治療[2]（見(jiàn)圖1）。

本文鑒于聚焦超聲振動(dòng)換能器的使用特點(diǎn)將其應(yīng)用于磨料水射流拋光中，即將聚焦超聲振動(dòng)球殼放入含有磨料的拋光液中，在超聲電源的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生聚焦超聲振動(dòng)形成磨料流對(duì)工件進(jìn)行拋光加工。聚焦超聲振動(dòng)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(diǎn)，而且超聲振動(dòng)可以增強(qiáng)光學(xué)材料的塑性剪切去除能力，降低表面粗糙度等優(yōu)點(diǎn)[3]。

圖1 球面自聚焦模型

1 聚焦超聲振動(dòng)換能器的設(shè)計(jì)及其聲壓場(chǎng)的測(cè)量分析

1.1 聚焦超聲振動(dòng)換能器的設(shè)計(jì)

在聚焦超聲振動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生的（壓電效應(yīng)），球殼后端裝配反射端進(jìn)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(shè)計(jì)超聲電源；凹面球殼的曲率半徑是90 mm，開(kāi)口直徑60 mm。設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

為了確定聚焦超聲振動(dòng)球殼系統(tǒng)的諧振響應(yīng)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(jìn)0.1%）和多普勒激光測(cè)振儀對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試和工作參數(shù)優(yōu)化。

圖2 聚焦超聲振動(dòng)球殼設(shè)計(jì)圖

1.2 聲壓場(chǎng)的測(cè)量分析

為了驗(yàn)證聚焦超聲振動(dòng)球殼裝置的聲壓場(chǎng)特性，對(duì)其聲壓進(jìn)行了實(shí)際數(shù)據(jù)的測(cè)量。測(cè)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(dòng)平臺(tái)。

聚焦超聲振動(dòng)球殼裝置固定在三維精密移動(dòng)平臺(tái)上，調(diào)節(jié)聚焦超聲振動(dòng)球殼的幾何尺寸中心軸和水聽(tīng)器同軸，通過(guò)電腦程序控制聚焦超聲振動(dòng)球殼的位置移動(dòng)，同時(shí)采用探針式水聽(tīng)器進(jìn)行聲壓信號(hào)采集，水聽(tīng)器接收到信號(hào)后傳遞至前置放大器，并將系統(tǒng)解調(diào)的電壓信號(hào)傳送到示波器來(lái)作為聲壓測(cè)量信號(hào)。采集數(shù)據(jù)時(shí)要求聚焦超聲振動(dòng)球殼每移動(dòng)一次位置，就需要采集一次水聽(tīng)器的聲壓值，最后把采集數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值擬合從而生成聲壓場(chǎng)。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)聲壓場(chǎng)中聲壓的最大值出現(xiàn)在聲壓軸80 mm附近，由于測(cè)量基準(zhǔn)面是凹球殼開(kāi)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(dòng)換能器的聲壓場(chǎng)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(shuō)明聚焦超聲振動(dòng)換能器具有顯著的聚焦特性以及其聲場(chǎng)是聚焦聲場(chǎng)。

圖3 聚焦超聲振動(dòng)球殼聲壓測(cè)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(dòng)換能器拋光加工機(jī)理分析

聚焦超聲振動(dòng)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(dòng)球殼在超聲電源的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生聚焦超聲振動(dòng)，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(shí)現(xiàn)對(duì)工件材料微量去除的是磨料，即通過(guò)磨料粒子對(duì)工件材料的塑性微切削，達(dá)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(chǎng)中受到的f=1 MHz的聚焦聲場(chǎng)輻射力，其方向沿點(diǎn)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(chǎng)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(dòng)換能器對(duì)磨粒的輻射力主要沿磨粒的徑向，對(duì)其分解得到水平方向和豎直方向的兩個(gè)分力，由于聚焦超聲振動(dòng)換能器是對(duì)稱的，根據(jù)輻射力原理可知，最終聚焦超聲振動(dòng)換能器對(duì)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(chǎng)中的受力分析

令λ＝ρ0/ρ，建立下式

式中，F(xiàn)ix為第i個(gè)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(duì)磨粒施加的驅(qū)動(dòng)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(shí)際沖擊動(dòng)能為

式中，η為沖蝕動(dòng)能的效率系數(shù)。

將該動(dòng)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(dòng)能分量；UMD為造成工件材料塑性剪切的動(dòng)能分量。

通過(guò)將UMC與工件材料的臨界脆性斷裂沖蝕動(dòng)能UC比較，判斷材料的去除機(jī)理。材料的臨界脆性斷裂沖蝕動(dòng)能可以表示為[5]

式中，C為與裂紋形式有關(guān)的無(wú)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(dāng)UMC>>UC時(shí)，材料以脆性方式去除；當(dāng)UMC

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證聚焦超聲振動(dòng)磨料水射流拋光加工的效果，本實(shí)驗(yàn)首先設(shè)計(jì)出聚焦超聲振動(dòng)球殼來(lái)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需要的磨料水射流，然后搭建所需要的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用該方法對(duì)一經(jīng)磨削后的碳化硅工件進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件如下：球殼的曲率半徑是90 mm，開(kāi)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(shí)間2 min。圖8為聚焦換能器實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖8 聚焦換能器實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.2 實(shí)驗(yàn)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(duì)加工前后的碳化硅樣件表面進(jìn)行測(cè)量。圖9和圖10是由VHX-5000超景深三維顯微鏡放大200倍測(cè)定的加工前后的表面照片，通過(guò)對(duì)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(cè)定的加工前后的表面3D照片，通過(guò)對(duì)比可以看出：經(jīng)過(guò)聚焦超聲振動(dòng)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(cè)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(cè)量結(jié)果都表明聚焦超聲振動(dòng)磨料流拋光加工技術(shù)確實(shí)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(yǔ)

本文對(duì)新型的凹球面聚焦超聲振動(dòng)磨料流拋光加工技術(shù)進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)聚焦超聲振動(dòng)換能器聲壓場(chǎng)的測(cè)量，證明了聲壓場(chǎng)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(shuō)明聚焦超聲振動(dòng)換能器具有顯著的聚焦特性以及其聲場(chǎng)是聚焦聲場(chǎng)。在聚焦超聲振動(dòng)磨料流拋光實(shí)驗(yàn)中，磨料流中的磨粒對(duì)碳化硅表面進(jìn)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(jiǎn)單，沒(méi)有管路、噴嘴損耗等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種通過(guò)聚焦超聲振動(dòng)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。