鄧乾發(fā)，周輝，呂冰海，汪楊笑，袁巨龍，樓飛燕,b

（浙江工業(yè)大學 a.超精密加工研究中心 b.教育科學與技術(shù)學院，杭州 310023）

型腔類零件廣泛存在于航空航天、光學器件、模具等眾多領(lǐng)域中，人們對型腔工件內(nèi)壁的表面質(zhì)量要求越來越高，內(nèi)表面質(zhì)量的好壞直接影響零件的性能、使用壽命以及可靠性[1-2]。對于具有一定彎曲弧度的型腔零件內(nèi)表面，傳統(tǒng)的磨粒流拋光雖然可以拋光零件內(nèi)表面，但是加工后的溝槽和死角會殘留有研磨介質(zhì)[3-4]，磨粒流拋光時，拋光壓力過高會導致薄壁件發(fā)生變形，且高拋光壓力會使拋光設備制造復雜。磁場輔助拋光型腔零件內(nèi)表面，加工精度較高，但其成本高且磨粒使用時間短[5-6]。電化學拋光方法只適用于金屬等導電材料的加工，且產(chǎn)生的化學反應過程不易控制，無法保證高效率的拋光[7-9]。因此，開發(fā)一種適用于內(nèi)表面加工的拋光方法尤為重要。

本文首先闡述了泛在學習的內(nèi)涵和特點，然后分析了現(xiàn)有的高職教學資源建設存在著不足。在此基礎上，提出了泛在學習環(huán)境下高職教學資源構(gòu)建的幾點要求，但具體的構(gòu)建模式和標準還有待進一步研究。

流體自激振蕩脈沖特性是一種不依賴于外界的激勵裝置，僅僅依靠流體本身在特定的腔體結(jié)構(gòu)和一定邊界條件約束作用下形成的脈沖特性，其作用是可以將流體的連續(xù)性流動轉(zhuǎn)換為脈沖特性流動，同時具有空化特性[10]。張洪[11]對比研究了自激振蕩脈沖射流與連續(xù)射流沖蝕坑深度的變化，發(fā)現(xiàn)自激振蕩脈沖射流的沖蝕效果強于連續(xù)射流的沖蝕效果，且在特定的腔體結(jié)構(gòu)下，自激振蕩脈沖射流的峰值速度為連續(xù)射流的1.53 倍。唐川林[12]以水聲學和流體動力學為基礎，建立了自激振蕩脈沖射流的頻率模型，研究指出自激振蕩脈沖射流的頻率幅值比連續(xù)射流提高了約20%。郭晨曦等人[13]以流體自激振蕩機理和軟性磨粒流為基礎，提出了自激振蕩脈沖特性磨粒流拋光方法，并用該方法拋光不銹鋼細管件，12 h 后，工件內(nèi)表面的粗糙度Ra 由480 nm 降到50 nm。雖然該自激振蕩脈沖特性磨粒流拋光方法可以有效降低不銹鋼管件內(nèi)壁的粗糙度，但是所需加工的時間較長。為了進一步減少拋光時間，提高自激振蕩脈沖磨粒流拋光效率，本文提出了雙腔室自激振蕩脈沖特性磨粒流拋光方法，在單振蕩腔室的基礎上新增一個二級振蕩腔，對脈沖特性進行二次放大，以進一步增強拋光液流動的湍動能，從而提高拋光效率。

本文首先介紹了流體自激振蕩脈沖特性產(chǎn)生的基本原理，根據(jù)自激振蕩脈沖磨粒流的數(shù)學模型確定了影響拋光的因素，對單雙腔室自激振蕩脈沖特性磨粒流進行數(shù)值仿真，設計并搭建了雙腔室自激振蕩實驗平臺，最后通過實驗證明了雙腔室自激振蕩脈沖特性磨粒流拋光方法的可行性及有效性。

1 雙腔室自激振蕩脈沖磨粒流拋光原理

1.1 流體自激振蕩脈沖特性原理

當具有一定速度的拋光液流體進入第一個自激振蕩發(fā)生器入口處，部分流體與自激振蕩發(fā)生裝置的進口收縮段壁面碰撞產(chǎn)生反射壓力波，與流體的初始壓力波疊加形成渦量脈動，具有渦量脈動壓力波的流體由上噴嘴射入自激振蕩腔，使得自激振蕩腔室內(nèi)部的流體產(chǎn)生具有一定寬度的不穩(wěn)定射流剪切層，由于剪切層對渦量脈動有放大的作用，就能夠形成軸對稱的渦環(huán)波[13-14]。該形成的渦環(huán)波繼續(xù)運動并和振蕩腔的碰撞壁發(fā)生碰撞，在碰撞壁附近又形成壓力擾動波并以一定的波速向上游反饋，上游處的剪切層分離區(qū)受到激勵，又生成新的渦環(huán)波，當新產(chǎn)生的渦環(huán)波與原渦環(huán)波具備一定的相位關(guān)系時，噴嘴上游就被持續(xù)不斷地周期性激勵，腔體中形成流體自激振蕩的同時在下噴嘴出口生成自激振蕩脈沖特性磨粒流，該形成過程不斷被重復，就能夠產(chǎn)生強烈的自激振蕩脈沖效應[15-16]。隨后產(chǎn)生自激振蕩脈沖特性的流體進入第二個自激振蕩發(fā)生器，將流體的脈沖特性二次放大。其原理如圖1 所示。

圖1 雙腔室自激振蕩脈沖磨粒流拋光原理 Fig.1 Double-cavity self-excited oscillation abrasive flow polishing principle

1.2 自激振蕩脈沖磨粒流拋光的材料去除機理

在自激振蕩磨粒流加工中，拋光液中的流體介質(zhì)夾雜著磨粒在流道中高速運動，因磨粒的體積很小，可認為磨粒和流體介質(zhì)具有相同的速度，又由于初始表面存在大量微小的隆起，在近壁面附近運動的磨粒在拋光液的帶動下與待加工表面產(chǎn)生各種沖擊與摩擦，當沖擊載荷達到材料表面的強度極限時，表面上的一些隆起就會被去除[17-19]。由此可知，拋光液與磨粒的湍動能大小會對材料去除率造成直接影響。其材料去除機理如圖2 所示。

式中：σ為黑體輻射常數(shù)；εeff為腔體有效發(fā)射率；Tcav為吸收腔內(nèi)表面溫度；Ta為周圍環(huán)境溫度；εw為腔體內(nèi)壁材料的熱發(fā)射率。

圖2 單顆磨粒材料去除機理[19] Fig.2 Removal mechanism of single abrasive material[19]: a) impact erosion, b) friction wear

2 自激振蕩脈沖磨粒流數(shù)學模型

2.1 流體湍流模型

將振蕩腔下游流道處的壓力變送器Ⅰ所測得的實時數(shù)據(jù)壓力值變化的電流信號輸入PLC 模擬量模塊中，并采樣轉(zhuǎn)化為實時壓力值。在單個腔室的情況下，壓力變送器Ⅰ處的實時壓力值數(shù)據(jù)導出后如圖10a 所示。然后裝入第二個振蕩腔體，同樣導出壓力變送器Ⅰ測得的實時壓力值，如圖10b 所示。

Realizable K-ε 模型在求解過程中能夠有效防止負應力的生成，同時在模擬邊界層流動時能夠得到良好的效果，得到的結(jié)果較為貼近實際情況。在自激振蕩磨粒流拋光中，湍動能K 是影響拋光效率的決定因素。湍動能K 的表達式為[20-22]：

作為曹家第三代的領(lǐng)軍人物，曹爽本人能力一般，缺乏實務經(jīng)驗，也沒有靠譜的團隊，他能登上輔政大臣的位子，與老謀深算的司馬懿平分秋色，全憑宗室背景，曹叡甚至都擔心曹爽鎮(zhèn)不住場子，臨終前特地安排老資歷的官員幫襯幫襯。

為進一步驗證該拋光方法的可行性及有效性，搭建了雙腔室自激振蕩磨粒流加工的實驗平臺，其實驗裝置如圖7 所示。該拋光系統(tǒng)主要由磨料桶、渣漿泵、兩個自激振蕩腔體、管件、拋光約束管道等組成。在渣漿泵的作用下，桶中的拋光液經(jīng)管道先后進入兩個自激振蕩腔體，產(chǎn)生流體脈沖特性的拋光液不斷沖刷著待加工表面，隨后重新流入磨料桶中，反復利用拋光液的沖蝕作用及磨粒的微切削作用來完成不銹鋼內(nèi)表面的拋光。實驗中的拋光液主要由質(zhì)量分數(shù)為10%的SiC 磨粒（粒徑約為5 μm）、水、一定量的分散劑混合配制而成。

2.2 多相流模型

自激振蕩磨粒流拋光方法使用的磨粒流為固液二相流，因固液兩相之間不存在相對滑移速度且磨粒均勻分布于拋光液中，故宜選用Mixture 混合模型。

如圖10 所示，為避免剛開機時系統(tǒng)內(nèi)液體未充滿造成的影響，文中數(shù)據(jù)取開機10 s 到30 s 的數(shù)據(jù)進行比較。如圖10b 所示，在雙腔室自激振蕩腔的情況下，流道內(nèi)壓力波動相當劇烈，壓力波動峰值可達到0.55 MPa，且壓力的波動呈現(xiàn)一定的周期性。相比之下，圖10a 中在單個自激振蕩腔的情況下，流道內(nèi)的壓力波動幅度明顯不如雙腔室的。雙腔室自激振蕩的壓力波動情況要比單腔室明顯得多，意味著雙腔室情況下流道中拋光液具有更好的脈沖特性，并且由于腔內(nèi)壓力越大，流場中的流體速度也越大，速度波動也就越大，與前文的仿真結(jié)果具有一致性，驗證了仿真的準確性。圖10 中兩圖的壓力波動對比，驗證了本文提出的雙腔室自激振蕩磨粒流拋光相對于單腔室具有更好的振蕩特性，提高了射流的瞬時壓力峰值，有助于拋光。

3 雙腔室自激振蕩磨粒流的流體脈沖特性仿真

3.1 雙自激振蕩腔室的物理模型

流體的脈沖特性由腔體的固有頻率決定，而腔體的固有頻率又與腔體結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)有的研究，當來流頻率一定時，固有頻率與腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系為[23]：

圖3 雙腔室自激振蕩腔示意圖 Fig.3 Schematic diagram of double self-excited oscillation cavity

本文采用ICEM CFD 軟件完成對流體區(qū)域的網(wǎng)格劃分，因自激振蕩腔室為對稱圓柱形結(jié)構(gòu)，為便于分析計算，采用二維模型。由于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有網(wǎng)格生成速度較快、生產(chǎn)質(zhì)量相對較好、更接近實際物理模型等優(yōu)點，本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格?？紤]到磨粒對壁面的影響以及湍流模型對于壁面湍流效應的問題，需要對腔體的內(nèi)壁邊界進行網(wǎng)格加密處理。在本文中，將流體區(qū)域邊界劃分成5 個過渡層，平滑過渡，生長率為1.2。為了避免仿真時網(wǎng)格質(zhì)量出現(xiàn)問題，將網(wǎng)格質(zhì)量提升到0.95 以上。雙腔室腔體的網(wǎng)格劃分示意圖如圖4 所示。單腔室的網(wǎng)格劃分類似。

圖4 雙腔室自激振蕩網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格質(zhì)量 Fig.4 Mesh generation and quality of double-cavity self-excited oscillation: a) mesh quality, b) mesh generation

3.2 自激振蕩腔室邊界條件設置

干線公路項目施工過程中的質(zhì)量安全風險管理問題探析………………………………………………………… 李梅（4-229）

式中：U 為平均速度，I 為湍流強度。

活動前，公司通過對以往大量的科技成果進行評估，以市場為導向，遴選出123項與公司主要產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)且具備產(chǎn)業(yè)化前景的重大科技成果進行現(xiàn)場展示。

3.3 流體脈沖特性仿真分析

自激振蕩脈沖磨粒流中，材料去除主要來自于磨粒無序的高速運動對流道內(nèi)表面微凸的碰撞。因此，拋光液流束的湍動能大小會直接影響自激振蕩脈沖特性的強度，也就是說腔體中瞬時速度峰值會對拋光產(chǎn)生影響。設距上噴嘴20 mm 處為第1 個檢測點，分別對單雙腔室情況下的峰值速度進行仿真，其結(jié)果如圖5 所示。并以第1 個點為起始點，往后依次取10 個等距的檢測點，不同位置處的峰值速度如圖6所示。

圖5 起始點處的峰值速度 Fig.5 Peak velocity at the first point

圖6 不同位置的峰值速度 Fig.6 Peak velocity at different locations

圖5 為腔內(nèi)一點的瞬時速度峰值。從圖5 可以發(fā)現(xiàn)，自激振蕩腔體中的瞬時速度是隨時間呈周期性變化的，且雙腔室的自激振蕩腔中一點的瞬時速度要明顯高于單腔室的。雙腔室情況下，流體的速度峰值達到了76.8 m/s，而單腔室的速度峰值只有66.8 m/s，流體的速度約提高了15%，證明雙腔室自激振蕩有二次放大的效果，能夠有效增強流體的峰值速度，以此提高拋光液的湍流動能。因此，雙腔室自激振蕩脈沖磨粒流拋光的效果要好于單腔室自激振蕩脈沖磨粒流拋光的效果。圖6 為流動方向上不同位置的速度峰值，相對于單腔室的速度峰值，雙腔室條件下的同一點不同位置處的速度峰值明顯較高。但是從圖6 中也可以發(fā)現(xiàn)，不管是單腔室的情況還是雙腔室的情況，流道中的速度存在衰減，證明了自激振蕩脈沖效應在流道中確實存在衰減現(xiàn)象。

4 實驗和討論

由公式（1）可知，流體的速度越大，其湍動能也就越大。故流體的速度越大，材料去除率越高，拋光效率也就越高。

Dentsply Sirona公司項目經(jīng)理Francois Mottier認為，牙齒鉆頭磨床IM4P與其上代機器相比有很明顯的技術(shù)革新：“隨著Twincat CNC的投入可以簡化機器的使用，優(yōu)化其加工質(zhì)量。除此之外機器的靈活度也得到了提升，在更換不同的鉆頭型號時操作更簡便。更換零件現(xiàn)在全部由軟件控制，不用再需要機械拆裝零件了?！?Francois Aeby補充說到：“這項技術(shù)也適用于其他運用領(lǐng)域。同樣的CNC功能在將來也可以用作生產(chǎn)銑齒上。只需準備相應的工具就可以?！?/p>

圖7 雙自激振蕩腔室磨粒流拋光實驗裝置 Fig.7 Experimental device diagram of abrasive flow polishing of double self-excited oscillation cavity

本文以直徑為6 mm、長度為100 mm 的不銹鋼細管件為實驗對象，對其進行加工分析。為了充分利用流體的自激振蕩脈沖特性，需將不銹鋼細管安裝在靠近自激振蕩發(fā)生器下噴嘴位置。為便于細管的裝夾，直接將細管件安裝在一個外徑為流體管道內(nèi)徑、內(nèi)徑為加工工件外徑的不銹鋼限流管內(nèi)，再將限流管固定在流道中，以達到磨粒流只通過管件內(nèi)表面的目的。不銹鋼限流管以及工件分別如圖8a和圖8b 所示。

圖8 不銹鋼細管及其夾具 Fig.8 Stainless steel thin tube and its fixture: a) stainless steel restrictor tube; b) workpiece

4.1 壓力波動檢測實驗

為了驗證雙腔室自激振蕩拋光較單腔室的有效性，先對自激振蕩下游出口處的瞬時壓力峰值進行比較。流道中的壓力越大，流體的速度也越大，且變化的趨勢具有一致性，同時流體測速傳感器價格昂貴，為此本文通過壓力的波動來體現(xiàn)流體速度的變化情況。為了便于壓力波動實驗的檢測及后續(xù)衰減實驗的展開，直接在流道的垂直方向上間隔100 mm處安裝兩個壓力傳感器，來監(jiān)測流道中流體對壁面的壓力波動情況及其衰減情況。本次實驗先對單個腔室的自激振蕩特性進行監(jiān)測，待單腔室的監(jiān)測實驗結(jié)束，再在流道中裝入二級振蕩腔體，研究雙腔室的壓力波動情況。壓力變送器的布置如圖9 所示，其量程為0～1.0 MPa，反應時間為5 ms。

圖9 兩壓力變送器安裝示意圖 Fig.9 Two pressure transmitter installation diagram

本文提出的自激振蕩磨粒流拋光方法中用到的拋光液是磨粒質(zhì)量分數(shù)為10%左右的固液混合懸液，且腔體內(nèi)部流場為湍流流場，同時這種湍流運動是小尺度、高頻率的，其瞬時特性也較為明顯，因此，選用Realizable K-ε 湍流模型對腔體內(nèi)部的流場進行仿真。

Mixture 模型的連續(xù)方程為[22]：

本文選用Fluent 軟件對腔內(nèi)流場區(qū)域進行仿真分析。求解器選用壓力基隱式求解器，設置動量的離散格式為QUICK，壓力的離散格式為PRESTO!，其他項用二階迎風格式。首相為水，第二相為SiC。進口位置的邊界條件設置為速度入口，設置速度大小為50 m/s，靜壓設置為0.8 MPa。出口位置的邊界條件設置為壓力出口，壓力大小為0 MPa。計算步長取0.0001 s，時間步取10 000 步。因本文主要研究單級振蕩腔與二級振蕩腔情況下的流體脈沖特性，以腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)為變量，在其他仿真參數(shù)相同的條件下進行仿真。

4.2 不銹鋼管內(nèi)表面加工實驗

圖10 壓力變送器Ⅰ處的壓力變化情況 Fig.10 Pressure change at pressure transmitter Ⅰ: a) single-cavity, b) double-cavity

圖11 測量位置示意圖 Fig.11 Location of the measurement points

對拋光后的管件內(nèi)壁上處于不同位置的表面粗糙度進行測量分析。測量過程中，以管件兩端邊緣處及管道的中間位置為研究對象，測量點位置如圖11 所示。本文將沿流動方向的3 處分別命名為A 處、B處、C 處，每處取3 個點，并分別求取每處3 個點處的表面粗糙度Ra 的平均值。實驗共進行3 次，實驗數(shù)據(jù)取3 次的平均值。在每組實驗結(jié)束后，使用Form Talysurf I60 粗糙度儀對管件上的9 個點進行測量，每個點的數(shù)據(jù)測3 次。加工實驗的工件是直徑為6 mm、長度為100 mm 的不銹鋼細管件，初始條件如表1 所示。

其他條件不變，本文先后用單雙腔室自激振蕩噴嘴對不銹鋼毛細管的內(nèi)壁進行拋光。每隔2 h 記錄A、B、C 3 處位置的表面粗糙度。拋光結(jié)束后，位置A、位置B 和位置C 處不銹鋼內(nèi)表面的粗糙度的變化情況如圖12 所示。

如圖12 所示，不管是在單腔室的情況下還是在雙腔室的情況下，位置A 處的粗糙度下降最快，而位置C 最慢，驗證了壓力波動衰減實驗，這說明自激振蕩特性在流道中會衰減。如圖12a 所示，在雙腔室拋光的情況下，位置A 處的管件內(nèi)表面的表面粗糙度在拋光10 h 后可到42 nm，而在只有單個自激振蕩腔的情況下，同樣拋光10 h，位置A 的粗糙度才降到100 nm，還需要拋光2 h 才能達到42 nm。同樣，在位置B 處，在單腔室的情況下要拋光16 h 才能拋光到45 nm，而有雙腔室自激振蕩的情況下，拋光14 h 就能達到45 nm 左右。隨著自激振蕩在流道中的衰減，位置C處的表面粗糙度降到42 nm所用的加工時間最長，單腔室的情況下為20 h，雙腔室則為16 h，驗證了脈沖特性在流道中確實有衰減。

圖13 為在單腔室和雙腔室的情況下，不銹鋼內(nèi)表面不同位置處粗糙度的變化情況。如圖13 所示，在拋光參數(shù)條件一樣的情況下，不銹鋼細管內(nèi)表面拋光到相同的表面粗糙度，雙腔室較單腔室快了2 h 左右，驗證了雙腔室的拋光效率要明顯高于單腔室拋光，同時也驗證了不管是單腔室的情況下還是雙腔室的情況下，流道中的自激振蕩脈沖特性存在衰減。因此，為了盡可能地利用自激振蕩脈沖特性，需將待加工工件安置在最后一級腔體下噴嘴的后面流道，以提高拋光效率。

有人說，什么自焚？是報應！一家飽暖千家怨，李駟峋何止是飽暖？是暴富。財富太多，且來路不正，因此仇家太多。常在河邊走，哪有不濕鞋？

分別在單腔室和雙腔室拋光后的工件，通過Super View W1 白光干涉表面輪廓儀測量不銹鋼管件位置A 處的表面輪廓，校平并去除形狀后如圖14所示。

根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速計算結(jié)果，該變頻電動機的機座長度比常規(guī)H630-4電動機有所縮短，由2 770 mm縮短到2 650 mm。根據(jù)變頻電動機頻繁變速運行的特點，機座壁也比常規(guī)電動機厚，鋼板由32 mm加厚到45 mm。

由圖14a 和圖14b 可知，拋光前工件表面均有許多縱橫交錯的無規(guī)則凸起和溝壑。加工10 h 以后，如圖14c 和圖14d 所示，在單個自激振蕩腔的加工情況下，表面凹凸不平，而雙腔室的情況下表面已基本平整。

圖15 為加工前后工件的內(nèi)壁形貌，在單個自激振蕩腔體的情況下，磨粒流拋光后工件表面未被完全拋亮；而在雙腔室自激振蕩磨粒流拋光下，不銹鋼細管內(nèi)表面有明顯的鏡面效果，表面較單腔室光滑許多，驗證了雙腔室自激振蕩磨粒流拋光加工方法的有效性。

圖12 流道內(nèi)不同位置的粗糙度Ra 變化情況 Fig.12 Variation of roughness Ra at different locations in the flow channel

圖13 不同位置處的粗糙度變化 Fig.13 Variation of roughness Ra at different locations: a) single-cavity, b) double-cavity

圖14 在加工過程中位置A 處的表面形貌 Fig.14 Surface topography at position A during processing: a) initial surface (single-cavity); b) initial surface (double-cavity); c) after 10 hours (single-cavity); d) after 10 hours (double-cavity)

圖15 拋光前后管壁內(nèi)表面 Fig.15 Inner surface of the pipe wall before and after polishing

5 結(jié)論

1）按照流體自激振蕩脈沖特性產(chǎn)生的機理，搭建了雙腔室自激振蕩磨粒流拋光的實驗平臺，驗證了在單個腔體的基礎上新增1 個二級腔體確實可以提高自激振蕩脈沖特性的強度，以提高拋光效率。

2）通過對單雙腔室自激振蕩脈沖特性的仿真，確定了雙腔室情況下出口流體速度較高，同一條件下，入口處的速度峰值由66.8 m/s 增加到了76.8 m/s，提高了流體的湍動能。

3）對不銹鋼管內(nèi)表面進行了對比實驗，結(jié)果表明，位置A 處的表面粗造度下降最快且在雙腔室的情況下，加工10 h，粗糙度從452 nm 降低到了42 nm；而在只有單個自激振蕩腔的情況下，同樣拋光10 h，粗糙度才降到100 nm，還需要拋光2 h 才能達到42 nm左右。

李萍不愿意去，但她怕什么，清者自清。她最終一賭氣，和主任一起去了醫(yī)院。陳建偉憔悴了不少，整個人像塌了架，連腰都好像彎了下來?？吹嚼钇寄軄?，他倒是感到挺意外。病號睡了，他們只在病房站了站便走了。李萍躲在主任后面，甚至連陳建偉老婆的臉都沒能看清楚。送他們出來時，主任安慰了陳建偉幾句。陳建偉挺看得開：“誰也不知道人在哪里栽跟頭，不是想躲就能躲得掉的。誰也不想生病，誰都想過好日子。所以，”他突然看著李萍說，“凡事不能往心里裝，誰都不比誰矮半頭。”李萍的心咯噔一下，她的自卑從來沒有能逃過他的眼。

4）自激振蕩脈沖特性在流道中存在衰減，因此，為了盡可能地利用自激振蕩脈沖特性，需將待加工工件安置在靠近最后一級腔體下噴嘴后面流道，以充分利用流體的自激振蕩脈沖特性來提高拋光效率。