单激励超声椭圆振动滚压装置设计及实验研究

发布时间：2020-10-25 02:14

　　机械零部件往往因表面局部疲劳、磨损及腐蚀等造成过早失效。在航空宇航、国防、海洋工程、交通运输工程等高科技领域,对机械零部件性能的要求极高,要求良好的光洁度以增加配合精度,还要求良好的表面耐腐蚀性、耐磨性和抗疲劳强度。滚压加工技术可有效提高机械零部件的表面综合质量、抗疲劳强度、耐磨性及耐腐蚀性,但其存在滚压力过大、刀具使用寿命短、易损坏和加工效率低下等局限性,并且在工件表面形成的硬化层是分层存在的,容易脱落。将高频超声振动引入滚压加工技术中,即超声滚压加工技术,可有效的避免传统滚压加工的局限性以及解决硬化层的分层脱落现象,并能够获得更好的加工效果和加工精度,并且二维超声滚压加工拥有比一维超声滚压更好的加工效果和加工精度。本文设计了单激励超声椭圆振动滚压装置,应用PZFlex有限元软件对单激励超声椭圆振动滚压振子进行瞬态响应分析,使用制作的超声椭圆振动滚压装置搭建了超声滚压加工系统,并用该系统进行超声滚压实验。本文主要完成了如下工作:1、依据换能器和圆锥形变幅杆的设计理论,设计了四分之一波长换能器以及不对称结构的四分之一波长变幅杆,制造及装配超声椭圆振动滚压振子。用频率特性分析仪及多普勒激光测振仪测试了超声振子的谐振频率和振子端面的振幅位移。分析了不对称结构变幅杆产生椭圆振动的机理,利用PZFlex研究分析了不对称结构超声振子横向振幅的影响因素,结果表明:随着键槽间距、键槽深度和键槽半径的增大超声振子的横向振幅随之增大。2、应用PZFlex分析了超声振子的瞬态响应和稳态响应,通过后处理器获得幅频特性曲线和阻抗特性曲线,分析超声椭圆振动滚压振子的谐振频率,通过位移时域结果分析振子的振幅。有限元分析所得的谐振频率为20.226KHz,与设计频率20KHz的误差在合理范围之内,横向振幅和纵向振幅为3um和11.7um。验证了超声椭圆振动振子端面质点的运动轨迹为椭圆轨迹。3、设计了滚压工具头和夹持装置,搭建超声滚压系统,对超声滚压系统进行性能测试,其结果表明该系统满足超声滚压加工的要求。应用超声滚压系统对铝合金棒进行滚压试验,其结果表明:超声椭圆振动滚压加工的滚压效果比普通滚压的效果更好;研究分析了进给量、径向进给量和工件转速对表面粗糙度和表面显微硬度的影响规律。
【学位单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG663;TG305
【部分图文】：

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1-工件 2-超声电源 3-滚压工具头 4-变幅杆 5-换能器图 1-1 超声滚压加工系统示意图加工是反复冲击式滚压加工方式，超声电源提供一定器转化为机械振动，通过变幅杆放大并传递到滚压工生超声机械振动，再对旋转工件进行滚压加工，完成中，滚压工具头施加一定压力在工件表面上，并沿工时把高频机械振动通过滚压工具头施加在工件表面上工具头在高频振动下，间歇性的与工件接触和分离，的处理，高频机械振动能量由表面导入材料内部，导变形[21]。加工后，工件表层发生塑性流动令表面微观使得工件的表面更加光洁，粗糙度值减小；避免了传压在工件表面上，在刀具前方未强化的工件表面有堆具头上，类似积屑瘤，由此产生切刮现象；防止工件避免了传统滚压加工后工件表层容易脱落的问题。

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1-工件 2-超声电源 3-滚压工具头 4-变幅杆 5-换能器图 1-1 超声滚压加工系统示意图超声滚压加工是反复冲击式滚压加工方式，超声电源提供一定功率的高频电振荡，经换能器转化为机械振动，通过变幅杆放大并传递到滚压工具头上，使得滚压工具头产生超声机械振动，再对旋转工件进行滚压加工，完成超声滚压加工过程[20]。滚压过程中，滚压工具头施加一定压力在工件表面上，并沿工件轴向以一定速度进给，同时把高频机械振动通过滚压工具头施加在工件表面上，进行周期性的撞击滚压，工具头在高频振动下，间歇性的与工件接触和分离，强化了对微小原子运动变形的处理，高频机械振动能量由表面导入材料内部，导致工件的表层产生弹、塑性变形[21]。加工后，工件表层发生塑性流动令表面微观上的“凸峰”填入“凹谷”，使得工件的表面更加光洁，粗糙度值减小；避免了传统滚压过程中工具头始终紧压在工件表面上，在刀具前方未强化的工件表面有堆积凸起物产生，部分附着在工具头上，类似积屑瘤，由此产生切刮现象；防止工件表面的硬化层分层的出现，避免了传统滚压加工后工件表层容易脱落的问题。

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