压电振子阵列型超声喷丸强化*

为了提高超声喷丸强化加工的面积、效率及加工质量,对传统单振子超声喷丸强化技术进行了改进,提出了压电振子阵列型超声喷丸强化加工方法。分析了超声喷丸强化的机理,进行了压电振子的优化设计,分析了激振片的谐振响应,实验测试了系统样机在不同超声电源功率下弹丸撞击工件的区域分布;探究了超声电源功率、喷丸距离、弹丸直径和喷丸时间对加工样件显微硬度的影响,结果表明：以超声电源功率作为唯一变量,弹丸冲击工件表面的区域面积随超声电源功率增大而增大;7075铝合金样件的表面显微硬度及其提高率,随超声电源功率的增大、喷丸时间的增加、喷丸距离的减小及弹丸直径的增大而增大;超声电源功率为50W、喷丸时间为20min、喷丸距离为5mm、弹丸直径为1.5mm时喷丸效果最好,此时工件表面显微硬度增加量为65.1HV,表面显微硬度提高率为36.7%。压电振子阵列型超声喷丸强化技术可以有效增加喷丸冲击工件的面积,提高工件的表面显微硬度和加工效率。     

超声辅助滚压系统的设计与研究*

鉴于风力发电机组主轴的复杂工作情况和疲劳断裂失效形式,提出一种基于表面强化技术的超声辅助滚压加工系统;首先基于运动合成原理,获得了滚轮接触线的运动轨迹特征,并应用ANSYS/LS-DYNA软件分析了加工过程的特点;之后,基于一维振动理论、等效波长理论与牛顿迭代理论,推导了并求解了复合变幅杆的频率方程,实现了该复合变幅杆的纵向振动。通过对该变幅杆进行有限元仿真分析与振动特性测试,结果表明二者相对设计频率的偏差仅在0.817％以内。最后,通过对40Cr主轴进行超声辅助滚压测试,结果获得了粗糙度Ra 0.085μm和表面硬度32.2HRC的加工表面,较普通滚压加工粗糙度降低了69.1％,显微硬度提高了60％。     

超声辅助滚压系统研究

鉴于风力发电机组主轴的复杂工作情况和疲劳断裂失效形式,提出一种基于表面强化技术的超声辅助滚压加工系统。首先基于运动合成原理,获得了滚轮接触线的运动轨迹特征,并应用ANSYS/LS-DYNA软件分析了加工过程的特点。之后,基于一维振动理论、等效波长理论与牛顿迭代理论,推导并求解了复合变幅杆的频率方程,实现了该复合变幅杆的纵向振动。通过对该变幅杆进行有限元仿真分析与振动特性测试,结果表明二者相对设计频率的偏差仅在0.817%以内。最后,通过对40Cr主轴进行超声辅助滚压测试,获得了粗糙度Ra 0.085μm和表面硬度32.2 HRC的加工表面,较普通滚压加工粗糙度降低了69.1%,显微硬度提高了60%。     

超声滚压中的空化现象*

在超声滚压加工中引入切削液后可能会产生空化现象,由此产生的微射流和冲击波对超声表面强化将有积极作用。为研究超声滚压加工中空化现象是否存在及空化效应在超声滚压中的作用,本文首先分析了超声滚压中的空化阈值,然后进行了染色法试验和超声滚压后试样氧元素能谱分析,最后通过超声滚压加工对比试验研究了空化效应对加工后材料表面粗糙度和显微硬度的影响。研究发现,超声滚压加工中的声压幅值远大于空化阈值,满足空化存在的必要条件;超声滚压中发生了明显的卡纸染色现象,引入切削液后工件超声滚压加工表面氧元素含量显著提高,表明超声滚压中发生了空化现象。超声滚压加工中的空化效应能进一步降低工件表面粗糙度和提高表面显微硬度,有利于提高工件表面强化质量。本研究为空化效应在超声滚压中的积极利用提供了依据。     

超声辅助搅拌摩擦焊仿真分析及实验

为解决传统的搅拌摩擦焊工艺存在的轴向压力过大、搅拌头易磨损、焊接表面存在缺陷等问题,设计了一种集搅拌头与夹心式纵扭超声振动换能器为一体的超声辅助搅拌摩擦焊工具头。对超声辅助搅拌摩擦焊工具头进行了模态分析与谐响应分析,确保换能器结构满足要求。应用仿真软件对超声辅助搅拌摩擦焊进行了流体场、温度场和声场仿真分析,验证了在搅拌摩擦焊过程中加入纵扭超声振动能够增强材料的软化率,提高焊接材料的塑性流动。搭建实验平台,进行了6061铝合金的超声辅助搅拌摩擦焊焊接实验。结果表明,纵扭超声的引入能够提高焊接过程中材料流动性,减小搅拌头的前进阻力和轴向压力,改善焊接表面质量。在焊头转速900 r/min、焊接速度1.4 mm/s、轴向压力2.6 kN、超声功率100 W时,焊接效果最好,能较好地应在铝合金、镁合金等焊接熔点比较低的轻金属焊接之中。     

斜槽式单激励纵扭超声变幅杆设计*

为实现在纵向单激励超声振动输入条件下获得纵扭谐振输出,提出一种基于声波传播理论为基础设计阶梯型变幅杆,并在其小端增加沿中心轴均布6斜槽的圆环传振杆的方案：首先数值计算进行理论设计,然后使用有限元进行分析修正,最后确定变幅杆尺寸。结果表明：理论设计谐振频率20kHz,仿真分析在19457Hz时变幅杆能够实现纵扭谐振;根据仿真结果制作变幅杆,阻抗测试结果谐振频率为19884Hz,与理论值、仿真值误差较小;在输入端加载幅值为5μm的纵向单激励超声振动,测试输出端截面圆周上任意一点,其切向和纵向振幅分别为12.7μm和8.5μm,表明变幅杆实现了纵扭谐振且振幅增强。     

阵列式压电振子超声复合喷丸强化*

为了进一步改善超声喷丸强化质量,提升工件表面残余应力和显微硬度的均匀性,对压电振子阵列型超声喷丸强化加工系统进行了改进,提出了在强化加工过程中辅助工件往复运动的方法。对改进后的压电振子阵列型超声喷丸强化加工原理进行了阐述,分析了激振片的振动特性并进行了结构尺寸优化,应用Abaqus对工件往复运动下超声喷丸强化过程进行了仿真研究,分析了在不同的工件往复运动频率下,工件表面残余应力分布情况。实验测试了在不同喷丸强化时间及工件往复运动频率下超声喷丸强化加工质量,探究了喷丸时间和工件往复运动频率对工件表面显微硬度的影响。结果表明：在压电振子阵列型超声喷丸强化过程中辅助工件往返运动,可以有效提高工件表面残余应力和显微硬度分布的均匀性,工件表面强化质量得到提升。     

微织构超声振动铣削系统的研究

为了在金属切削过程中在7075铝合金表面形成稳定的微织构以提高其服役性能，提出一种微织构超声铣削加工工艺。为此，该文 首先基于运动合成原理获得了刀尖的运动轨迹特征和工件表面的织构形貌特征。然后，基于等效电路原理和传输矩阵法建立了超声铣削系统的频率方程，并应用牛顿迭代法获得了准确的数值解，通过ANSYS软件对建立的超声振动系统分别进行模态分析和谐响应分析，获得了具有微织构特征的纵扭复合超声铣削系统。最后，对加工制造出的微织构纵扭复合超声铣削系统进行振动测试、切削力测试和加工测试，结果表明：工件表面形成的“鱼鳞网纹”微观织构能够改变其润湿性能。     

新型柱孔式模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统*

为了改善基于螺旋槽结构和斜槽结构的模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统存在的结构复杂、扭转分量较小等问题,论文提出了基于新型柱孔式复合变幅杆的模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统,并利用有限元法和数据分析对其进行了仿真分析,结果表明,引入新型柱孔式复合变幅杆的系统的输出端面的剪切应力、旋转角度得到了大幅提升,能够有效地提高纵、扭振动的转换效率。     

液体材料超声处理过程中声场和流场的分布规律研究

针对合金熔体等液体材料的超声处理过程,选取水作为透明模型材料,采用数值模拟计算和示踪粒子实验方法,研究了20和490 kHz两种频率超声作用下水中的声场和流场分布.结果表明,增大变幅杆半径能够提高水中声压水平,扩大空化效应的发生区域.当超声频率为20 kHz时,水中声压最大值出现在超声变幅杆下端面处,且声压沿传播距离的增大而显著减小.如果超声频率增加至490 kHz,水中的声压级相比于20 kHz时明显提高,且声压沿着超声传播方向呈现出周期性振荡特征.两种频率超声作用下水中的流场呈现相似的分布特征,且平均流速均随着变幅杆半径增大表现出先升高后降低的趋势.变幅杆半径相同时,20 kHz频率超声作用下水中的平均流速高于490 kHz频率超声.采用示踪粒子图像测速技术实时观察和测定了水中的流速分布,发现其与计算结果基本一致.