超声表面光整强化加工装置的设计及数值模拟
发布时间：2021-02-03 10:46
随着制造业的蓬勃发展,各种新型装备的研制对零件提出了更高的性能要求。零件的疲劳寿命和耐磨性提升对提高关键零件性能起着至关重要的作用。超声表面光整强化技术将超声振动和表面光整强化工艺相结合,能够大幅提高加工效率和质量,已经成为表面光整强化技术新的发展方向。超声换能器作为该技术的关键部件,其性能的微小改变会很大程度上影响加工质量,加之加工过程参数众多,通过实验的方式优化参数耗费巨大。因此,开展超声换能器的优化设计以及超声表面光整强化加工过程仿真的研究对提高工艺过程稳定性和加工质量尤为关键。本文首先研究了超声表面光整强化加工的原理及加工系统的组成,根据超声表面光整强化加工系统执行机构的功能需求,选择夹心式压电超声换能器作为加工系统的执行器件。首先采用解析模型计算的方法对换能器进行构型规划,确定换能器初步尺寸参数,为超声换能器的优化设计确定参数范围。根据换能器的固定方式及预压力的施加要求,研制小型加工实验台。进一步,采用有限元方法对换能器进行优化设计。首先根据解析模型得出的尺寸参数建立初始有限元模型,利用模态分析的方法开展纵振模态频率及机电耦合系数对尺寸参数灵敏度的研究。选定设计频率为20k ...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1两种超声
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-丸对7075-T651铝合金材料进行加工，观测对比加工后的表面粗糙度值、表面硬化程度和表面残余应力等表面特征参量，如图1-2所示。实验结果表明：经超声喷丸加工后金属材料的表面粗糙度值仅为普通喷丸加工后的35.5%，同时表面硬化程度略高，并且形成的最大残余压应力增大了31.9%。（a）弹丸式超声喷丸（b）冲击针头式超声喷丸图1-1两种超声喷丸原理图[23]（a）两种不同处理方式的铝合金（b）两种不同处理方式的铝合金试件显微硬度试件残余应力图1-2两种不同处理方式的表面特征参量变化[26]南京航空航天大学的闫琳琳[27]设计并制作了一套超声喷丸加工装置，如图1-3，基于此装置对Q235钢板试件开展超声喷丸加工实验，对被加工材料的显微硬度及表面残余应力进行测量，并与原始未加工试件的显微硬度及表面残余应力值作对比，可明显看出超声喷丸加工对试件的强化作用；随后通过观察被加工试件的成形曲率，发现厚度为1.5mm的试件比厚度为2mm的试件成形曲率要大，得出在一定范围内，随着喷丸时间的增加，试件的成形曲率变大。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-图1-3闫琳琳自制超声喷丸装置[27]超声喷丸装置主要由超声换能器、变幅杆、振动工具头、喷丸室和超声波发生器等部分构成，变幅杆的设计是其中较为关键的一环。太原理工大学的王翠英等人[28]通过解析法设计了一种级联式变幅杆，并利用有限元仿真软件ANSYS分析了其动力学特性。王翠英等研制的超声喷丸实验测量系统如图1-4，相较于单一变幅杆，级联式变幅杆的振幅放大比更大，这为超声喷丸技术的发展提供了新的途径。图1-4超声喷丸实验测量系统[28]山东大学的朱立华[29]运用喷丸装置展开实验，研究了喷丸时间、丸粒直径、冲击振幅等喷丸加工参数对纯钛表面粗糙度的影响，总结出随着喷丸时间间隔的减小，试件表面粗糙度值变大，并且到达某一值后不再明显变化；随着冲击振幅变大，表面粗糙度值变大；随着丸粒直径增大，粗糙度的值变大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声加工技术的应用及发展[J]. 纪能健,闫志刚. 科技风. 2019(33)
[2]TC4钛合金超声喷丸强化残余应力数值模拟分析[J]. 王业辉. 航空发动机. 2019(03)
[3]滚压强化技术及在航空领域研究应用进展[J]. 王燕礼,朱有利,杨嘉勤. 航空制造技术. 2018(05)
[4]基于表面工程技术制备农机刃具的研究现状[J]. 宋月鹏,王伟,高东升,李法德,许令峰,高雪. 中国农机化学报. 2018(01)
[5]42CrMo钢超声喷丸强化模拟与实验研究[J]. 罗鹏,汪舟,甘进,杨莹,伍刚. 武汉理工大学学报. 2017(04)
[6]典型表面工程技术在农机耕作部件上的应用现状[J]. 葛宜元,庄明辉,张金波,焦仁宝,王俊发. 农机使用与维修. 2015(09)
[7]汽车零部件表面强化技术研究现状及展望[J]. 答建成,周细应,周涛,张有为,杨涛. 表面技术. 2015(07)
[8]超声波滚压光整加工技术机理研究[J]. 于泽旭,宋锦春,王琰,倪克. 机械设计与制造. 2014(12)
[9]表面超声滚压处理工艺对高速列车车轴钢表面状态的影响[J]. 陈利钦,项彬,任学冲,刘鑫贵,林国标. 中国表面工程. 2014(05)
[10]高强钢大直径内螺纹超声滚压强化技术[J]. 李瑞锋,张德远,程明龙. 中国表面工程. 2014(02)
博士论文
[1]表面形变强化残余应力场对Inconel718高温合金高周疲劳性能的影响规律研究[D]. 钟丽琼.贵州大学 2019
[2]纯钛板材超声喷丸表面处理实验与建模研究[D]. 朱立华.山东大学 2019
[3]钛合金表面陶瓷强化金属基复合激光熔覆层的微观组织与耐磨性能研究[D]. 翁飞.山东大学 2017
[4]金属表面超声滚压加工理论及表层力学性能研究[D]. 刘宇.天津大学 2012
硕士论文
[1]深孔滚压光整强化机理及残余应力分析研究[D]. 李卫国.中北大学 2019
[2]梯度纳米化镁合金表面强化机制及疲劳失效机理研究[D]. 张艳君.吉林大学 2018
[3]氮碳复合化学热处理表面硬化层的时效工艺及强化机理研究[D]. 熊志高.江苏大学 2017
[4]面向控制力矩陀螺框架的谐振式压电驱动器的研究[D]. 高岳鑫.哈尔滨工业大学 2015
[5]双金属带锯条热处理及表面强化技术研究[D]. 王赛赛.大连理工大学 2014
[6]超声喷丸技术的理论与实验研究[D]. 闫林林.南京航空航天大学 2010
本文编号：3016376
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1两种超声
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-丸对7075-T651铝合金材料进行加工，观测对比加工后的表面粗糙度值、表面硬化程度和表面残余应力等表面特征参量，如图1-2所示。实验结果表明：经超声喷丸加工后金属材料的表面粗糙度值仅为普通喷丸加工后的35.5%，同时表面硬化程度略高，并且形成的最大残余压应力增大了31.9%。（a）弹丸式超声喷丸（b）冲击针头式超声喷丸图1-1两种超声喷丸原理图[23]（a）两种不同处理方式的铝合金（b）两种不同处理方式的铝合金试件显微硬度试件残余应力图1-2两种不同处理方式的表面特征参量变化[26]南京航空航天大学的闫琳琳[27]设计并制作了一套超声喷丸加工装置，如图1-3，基于此装置对Q235钢板试件开展超声喷丸加工实验，对被加工材料的显微硬度及表面残余应力进行测量，并与原始未加工试件的显微硬度及表面残余应力值作对比，可明显看出超声喷丸加工对试件的强化作用；随后通过观察被加工试件的成形曲率，发现厚度为1.5mm的试件比厚度为2mm的试件成形曲率要大，得出在一定范围内，随着喷丸时间的增加，试件的成形曲率变大。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-图1-3闫琳琳自制超声喷丸装置[27]超声喷丸装置主要由超声换能器、变幅杆、振动工具头、喷丸室和超声波发生器等部分构成，变幅杆的设计是其中较为关键的一环。太原理工大学的王翠英等人[28]通过解析法设计了一种级联式变幅杆，并利用有限元仿真软件ANSYS分析了其动力学特性。王翠英等研制的超声喷丸实验测量系统如图1-4，相较于单一变幅杆，级联式变幅杆的振幅放大比更大，这为超声喷丸技术的发展提供了新的途径。图1-4超声喷丸实验测量系统[28]山东大学的朱立华[29]运用喷丸装置展开实验，研究了喷丸时间、丸粒直径、冲击振幅等喷丸加工参数对纯钛表面粗糙度的影响，总结出随着喷丸时间间隔的减小，试件表面粗糙度值变大，并且到达某一值后不再明显变化；随着冲击振幅变大，表面粗糙度值变大；随着丸粒直径增大，粗糙度的值变大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声加工技术的应用及发展[J]. 纪能健,闫志刚. 科技风. 2019(33)
[2]TC4钛合金超声喷丸强化残余应力数值模拟分析[J]. 王业辉. 航空发动机. 2019(03)
[3]滚压强化技术及在航空领域研究应用进展[J]. 王燕礼,朱有利,杨嘉勤. 航空制造技术. 2018(05)
[4]基于表面工程技术制备农机刃具的研究现状[J]. 宋月鹏,王伟,高东升,李法德,许令峰,高雪. 中国农机化学报. 2018(01)
[5]42CrMo钢超声喷丸强化模拟与实验研究[J]. 罗鹏,汪舟,甘进,杨莹,伍刚. 武汉理工大学学报. 2017(04)
[6]典型表面工程技术在农机耕作部件上的应用现状[J]. 葛宜元,庄明辉,张金波,焦仁宝,王俊发. 农机使用与维修. 2015(09)
[7]汽车零部件表面强化技术研究现状及展望[J]. 答建成,周细应,周涛,张有为,杨涛. 表面技术. 2015(07)
[8]超声波滚压光整加工技术机理研究[J]. 于泽旭,宋锦春,王琰,倪克. 机械设计与制造. 2014(12)
[9]表面超声滚压处理工艺对高速列车车轴钢表面状态的影响[J]. 陈利钦,项彬,任学冲,刘鑫贵,林国标. 中国表面工程. 2014(05)
[10]高强钢大直径内螺纹超声滚压强化技术[J]. 李瑞锋,张德远,程明龙. 中国表面工程. 2014(02)
博士论文
[1]表面形变强化残余应力场对Inconel718高温合金高周疲劳性能的影响规律研究[D]. 钟丽琼.贵州大学 2019
[2]纯钛板材超声喷丸表面处理实验与建模研究[D]. 朱立华.山东大学 2019
[3]钛合金表面陶瓷强化金属基复合激光熔覆层的微观组织与耐磨性能研究[D]. 翁飞.山东大学 2017
[4]金属表面超声滚压加工理论及表层力学性能研究[D]. 刘宇.天津大学 2012
硕士论文
[1]深孔滚压光整强化机理及残余应力分析研究[D]. 李卫国.中北大学 2019
[2]梯度纳米化镁合金表面强化机制及疲劳失效机理研究[D]. 张艳君.吉林大学 2018
[3]氮碳复合化学热处理表面硬化层的时效工艺及强化机理研究[D]. 熊志高.江苏大学 2017
[4]面向控制力矩陀螺框架的谐振式压电驱动器的研究[D]. 高岳鑫.哈尔滨工业大学 2015
[5]双金属带锯条热处理及表面强化技术研究[D]. 王赛赛.大连理工大学 2014
[6]超声喷丸技术的理论与实验研究[D]. 闫林林.南京航空航天大学 2010
本文编号：3016376
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