微磨粒对超声空化冲击波衰减作用研究

作     者：宫台 祝锡晶 傅迎泽 李婧 GONG Tai;ZHU Xijing;FU Yingze;LI Jing

作者机构：中北大学机械工程学院太原030051 

出 版 物：《表面技术》 (Surface Technology)

年 卷 期：2024年第53卷第3期

页      面：47-52,87页

核心收录：

学科分类：0806[工学-冶金工程] 08[工学] 1010[医学-医学技术（可授医学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 1009[医学-特种医学] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

基　　金：国家自然科学基金(51975540) 中北大学先进制造技术山西省重点实验室2022年度开放基金(XJZZ202202) 山西省研究生教育创新项目(2022Y577) 中北大学第18届研究生科技立项(20221818) 

主　　题：微磨粒 冲击波 SiO_(2) 超声空化 空泡动力学 Runge-Kutta 

摘      要：目的研究超声加工过程中微磨粒对冲击波的影响。方法建立功率超声振动加工下的空化泡动力学方程,以及空化泡溃灭产生冲击波的数学模型,进而建立冲击波在微磨粒与水混合介质中的传播模型。使用六阶Runge-Kutta方法对数学模型进行求解,得到空化泡半径随时间的变化规律,以及空泡内部压强随空化泡半径变化的规律。结果当空泡半径被压缩至1μm左右时,空泡内部压强可达1000 MPa。通过对距离空泡壁1.5R_(0)处的冲击波压力进行求解发现,冲击波的压力仅需0.07μs就可从初始的1000 MPa迅速衰减至80 MPa。通过比较纯水介质与混合介质(SiO_(2)微磨粒与水)中冲击波传播速度的结果发现,加入SiO_(2)微磨粒会使冲击波的最大速度由2976 m/s降至2681 m/s,降低率约为10%。通过钛钽合金的功率超声振动加工实验验证了数值结果。对比分析了加入SiO_(2)微磨粒前后钛钽合金表面结构和三维表面形貌,发现微磨粒的加入导致材料表面空化坑的投影面积下降了12.5%。结论证实微磨粒对冲击波的传播起到了明显的衰减作用,是对材料表面产生作用的主要因素。该研究在超声加工领域具有理论意义和工程价值。