旋转辅助超声冲击强化AZ31B镁合金试验研究

发布时间：2020-03-22 20:22

【摘要】：金属材料的主要失效形式为应力疲劳和表面腐蚀,超声冲击是以超声振动作为动力源,驱动撞针冲击金属材料表面以消除有害拉应力,引入较高压应力,相比传统喷丸工艺,能够显著提高金属表面疲劳极限与耐腐蚀能力,而且设备小巧,具有使用灵活、节能高效和易于控制等优点,广泛应用于工业场合。但现有超声冲击设备采用单一撞针或多撞针阵列进行加工,为达到高覆盖率,耗费时间较长。AZ31B变形镁合金作为最轻的金属结构材料之一,具有比强度、比刚度高和切削性优良等特点,可满足多样化工程结构件的应用需求。但其氧化膜疏松多孔、结构不稳定,容易发生腐蚀问题,因而限制其在大多数腐蚀性环境中应用。本文通过附加旋转系统和伺服系统,数字化控制超声冲击工艺,并对AZ31B镁合金强化处理,实现高覆盖率超声冲击加工,以提高镁合金表面的表面疲劳极限和耐腐蚀性能。主要工作如下:(1)根据塑性动力学、弹塑性力学和接触力学,分析单撞针冲击板材的过程,求解单撞针冲击凹坑处的应力分布以及凹坑参数,所得理论值与仿真结果相接近。利用MATLAB软件设计冲击覆盖率函数,所得理论值与仿真结果误差在10%以内。理论冲击力与冲击距离为1mm时的实测数值和仿真结果三者相接近。(2)基于波动方程和传统复合变幅杆设计理论,设计了较大放大系数、较好形状因数的圆锥过渡阶梯形复合变幅杆;借助ANSYS平台对变幅杆进行模态分析和谐响应分析,并对其结构进行优化分析,优化结果:变幅杆的放大系数较原来增大70%。通过阻抗分析和激光测振分析,结果表明:优化后的变幅杆机械振动性能较好,谐振频率与输出振幅相较仿真结果,误差范围在3%以内,符合超声冲击试验要求。(3)设计并制造旋转辅助超声冲击试验装置,通过测力仪测量单撞针超声冲击在不同冲击距离时的冲击力,结果发现:冲击距离越小,冲击力越大。对AZ31B镁合金进行旋转辅助超声冲击试验,通过表面硬度测试、表面残余应力测试以及电化学腐蚀试验对镁合金强化效果进行评价。结果发现:随着工件移动速度和阵列旋转速度的减小,表面压应力值和表面硬度增大,表面耐蚀性稍有增强。表面最大应力值为-76.01 MPa,表面硬度相对于基体,最大提高了约25.1%。(4)通过ABAQUS/Explicit动力学模块对不同冲击模型进行动力学仿真。通过单撞针冲击模型,分析不同直径撞针单次和多次冲击镁板所引入的残余应力分布情况和冲击凹坑参数的变化情况;对单撞针设置不同的水平速度以模拟不同旋转速度下的冲击效果。通过多撞针进行旋转辅助冲击镁合金仿真分析,并通过残余应力和冲击覆盖率对仿真强化效果进行评价。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22;TG663

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