超声空化气泡对磁流变抛光液分散作用机理与实验研究

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针对磁流变抛光液制备和存储过程中存在颗粒的沉降问题,本文概述了磁流变抛光液和超声空化气泡的国内外研究动态,基于能量守恒原理和数值仿真方法对超声分散磁流变抛光液中的气泡和颗粒进行动力学模拟仿真,对超声参数和磁流变抛光液特性进行研究。同时借鉴传统磁流变抛光液的制备工艺,提出超声辅助机械制备工艺,进行观测实验和加工实验研究,分析和讨论不同参数对磁流变抛光液沉降和加工效果的影响。具体如下:(1)所选磁流变抛光液的平均密度ρ=2238.37 kg?m3,粘度系数μ=2.238kg/(m·s)。流变仪测得液体粘度为3.5271Pa?s,与计算所得零场粘度μ=2.238kg/(m·s)是一个数量级。得到磁流变抛光液中空化气泡振动特性,给出了不同初始半径的空化气泡半径随时间的变化,空化气泡经历了较大的膨胀和压缩之后继续进行较小的循环多次的膨胀和压缩,并不断重复此振动过程;随着空化气泡初始半径的增加,空化气泡膨胀的幅值变小,膨胀压缩的周期逐渐变大;随着超声频率的增大,空化气泡半径与其初始半径之比反而减小,且初始半径为5μm的空化气泡的振动频率高于初始半径为10μm的空化气泡;随着超声幅值的增大,空化气泡半径的变化明显增大,且初始半径越小的空化气泡运动随超声幅值的变化越明显;声速对空化气泡半径变化的影响微小,可以忽略声速的影响。(2)得到磁流变抛光液中单个颗粒对单个空化气泡的次级Bjerknes作用力模型,通过数值模拟分析气泡作用于颗粒的次级Bjerknes力随时间的变化情况,随着时间变化,磁流变抛光液中单个空化气泡对单个颗粒的作用力先是稍微吸引,然后迅速发生了较强的排斥、吸引,并进行着作用力大小越来越小的排斥吸引的循环交替作用。不同参数对次级Bjerknes力的影响如下:单个空化气泡对颗粒2(R2=100μm时,ρp=3120kg?m3)的作用力明显大于颗粒1(R2=5μm时,ρp=3500kg?m3);随着空化气泡初始半径的增大,作用力的周期时间逐渐增大;超声频率对作用力的大小影响并不大,但是随着超声频率的增大,作用力的周期逐渐增大;超声幅值对作用力周期的大小影响并不大,但是随着超声幅值的增大,作用力的大小明显增大。随后改进了磁流变抛光液中颗粒的动力学模型,得到颗粒速度首先迅速变大,之后稳定并周期循环,这说明颗粒速度首先以较快的速度变大,然后一直在以变化不大的速度远离气泡。(3)根据数值模拟结果和试验要求对传统机械搅拌制备磁流变抛光液进行了改进,使用超声分散来制备磁流变抛光液,选择变量为超声功率、变幅杆入液深度和超声时间。基于中心复合设计和响应曲面法进行了沉降率试验和数据分析,影响磁流变抛光液沉降率的单因素显著性从强到弱依次为:超声功率>超声时间>变幅杆入液深度;影响磁流变抛光液沉降率的交互因素显著性从强到弱依次为:超声功率+超声时间>超声功率+变幅杆入液深度>超声时间+变幅杆入液深度;沉降率随着超声功率和超声时间的增加而增大,而随着变幅杆入液深度的增加,沉降率先减小再增大。并且发现,在800W超声功率作用下,磁流变抛光液温度从初始的16.3℃上升至41.2℃,对磁流变抛光液的稳定性有一定影响。与传统机械分散工艺相比,在超声功率为500W、变幅杆入液深度为30mm、超声时间为0.5min参数下制备的磁流变抛光液,不仅可以大幅缩短制备时间,而且能够降低液体沉降率。分别用超声分散和机械制备的磁流变抛光液对铝管外圆和液压阀芯表面进行加工试验,对比工件外圆表面粗糙度去除率,初步验证超声分散磁流变抛光液的加工效果和可行性。
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