稀土超磁致伸縮超聲強(qiáng)化系統(tǒng)研制及試驗(yàn)研究課件

1、稀土超磁致伸縮超聲強(qiáng)化系統(tǒng)研制及試驗(yàn)研究張勤儉 北京交通大學(xué)陳 爽 江西理工大學(xué)2015年11月2日目錄超聲強(qiáng)化系統(tǒng)總體框架超聲強(qiáng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)超聲強(qiáng)化系統(tǒng)的試驗(yàn)研究結(jié)論一二三四稀土超磁致伸縮材料特性磁疇隨磁場(chǎng)變化示意圖 在未加磁場(chǎng)H時(shí)，磁疇雜亂無(wú)章的排列； 當(dāng)加上磁場(chǎng)后，開(kāi)始階段，與磁場(chǎng)方向夾角較小的磁疇會(huì)率先轉(zhuǎn)向與磁場(chǎng)方向一致的方向，而隨著磁場(chǎng)的逐漸增加，幾乎所有磁疇都會(huì)旋轉(zhuǎn)到外磁場(chǎng)方向，直至飽和，此時(shí)再增加外磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁疇方向也不會(huì)改變。 Terfenol-D、Ni和PZT三種材料性能對(duì)比一、超聲強(qiáng)化系統(tǒng)總體框架The overall block diagram of this topi二

2、、超聲強(qiáng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 超聲強(qiáng)化系統(tǒng)的組成123強(qiáng)化系統(tǒng)工具頭 電源稀土超磁致?lián)Q能器設(shè)計(jì)1、電源的選取 在超聲加工過(guò)程中，為 了發(fā)揮換能器的最優(yōu)性能， 獲得比較大的振幅，要求 振動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)處于諧振 狀態(tài)。 在超聲加工進(jìn)行前，通過(guò)調(diào)整電源的頻率來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)處于共振狀態(tài)。但是，在實(shí)際的生產(chǎn)加工過(guò)程中，由于一系列外界因素，如溫度變化、靜動(dòng)載荷、系統(tǒng)本身的磨損以及加工件的變化等，會(huì)使得超聲振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生小范圍內(nèi)的浮動(dòng)，如上圖所示。1、電源的選取 如果超聲電源的頻率不能 及時(shí)調(diào)整，振動(dòng)系統(tǒng)將處 于非共振狀態(tài)，其輸出振 幅會(huì)減小，甚至?xí)ゼ?工效果。 為了解決上述問(wèn)題，換能器的電源必須具備自動(dòng)

3、頻率追蹤性能。本文中用到的超聲電源是通過(guò)湖南湘潭大學(xué)龍士國(guó)教授團(tuán)隊(duì)定制的。此種驅(qū)動(dòng)電源特點(diǎn)是具有比較寬的可調(diào)范圍500Hz30KHz，而且激勵(lì)方式也有三角波、正弦波、方波、鋸齒波多種波形可供選擇，這對(duì)于我們后續(xù)試驗(yàn)研究提供很大便利。2、稀土超磁致?lián)Q能器設(shè)計(jì)為保證換能器的輸出主要集中在前蓋板，盡量提高振速比，盡量減小前蓋板材料的聲阻抗，同時(shí)盡量提高后蓋板材料的聲阻抗，除此之外，為了保證換能器的磁場(chǎng)封閉，減少漏磁，還要考慮前后蓋板材料的磁導(dǎo)率。綜合考慮，最終選定前蓋板材料為硬鋁，后蓋板材料為不銹鋼。簡(jiǎn)圖如下2、稀土超磁致?lián)Q能器設(shè)計(jì)渦流損耗及換能器的散熱是要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一。為了減少渦流損耗，本文

4、采取兩種措施：一是改變Terfenol-D棒的結(jié)構(gòu)，二是設(shè)計(jì)一套輔助冷卻系統(tǒng)。Terfenol-D棒處理前為圓柱狀，為了減輕渦流效應(yīng)，棒料進(jìn)行中部掏空和切片處理如下圖?？紤]到本換能器的功率較大，發(fā)熱量較大，所以采用水冷卻方式。切片厚度控制在2.5mm，中部掏空?qǐng)A柱直徑5mm 2、稀土超磁致?lián)Q能器設(shè)計(jì)部件名稱(chēng)參數(shù)線(xiàn)圈長(zhǎng)度L（mm）110線(xiàn)圈內(nèi)徑r1（mm）13.5偏置磁場(chǎng)有效值（KA/m）55驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)值（KA/m）-2525裸導(dǎo)線(xiàn)直徑dr（mm）1.33線(xiàn)圈厚度e（mm）11線(xiàn)圈總匝數(shù)N(匝)446換能器的磁路設(shè)計(jì)中各部件參數(shù)2、稀土超磁致?lián)Q能器設(shè)計(jì)換能器設(shè)計(jì)的主磁路采用圓盤(pán)型永磁體來(lái)提供偏置磁

5、場(chǎng)切片厚度控制復(fù)合振子的有限元振動(dòng)模態(tài)分析在2.5m 10KHz20KHz范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的模態(tài)圖 一階模態(tài)圖 二階模態(tài)采用分塊蘭索斯法提取5階模態(tài)復(fù)合振子幾何模型復(fù)合振子的有限元振動(dòng)模態(tài)分析10KHz20KHz范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的模態(tài)在10KHz20KHz范圍內(nèi)，復(fù)合振子存在五階固有頻率，且都集中在18KHz以下。從模態(tài)圖中可以看出，除第五階模型位移量較小約為2.4mm左右，其余四階位移量較大且比較接近，均在3.3mm以上，其中，第四階位移量最大為3.7mm。20KHz30KHz范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)模態(tài)一階模態(tài) 二階模態(tài)圖2-21三階模態(tài) 圖2-22四階模態(tài) 四階模態(tài)三階模態(tài) 五階模態(tài)從模態(tài)圖中可以看出，除第三階模

6、態(tài)外，其余四階模態(tài)模型的最大位移基本相同，約為2.5mm左右 稀土超磁致伸縮換能器振幅的測(cè)量YB0901B型超聲波振幅測(cè)量?jī)x本儀器的測(cè)量精度2.5%，可測(cè)頻率范圍5KHz100KHz，靈敏度為1m，最大量程可達(dá)1000m。不同波形與頻率下超聲換能器振幅三種波形中，相同頻率情況下，方波的振幅要大于三角波和余弦波；同一種波形中，隨著頻率增大，換能器振幅有不斷減小的趨勢(shì)。最終我們確定，方波在15KHz下產(chǎn)生的振幅最大約為12m，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)10m以上的設(shè)計(jì)要求。3、工具頭的設(shè)計(jì) 1-滾柱 2-卡槽 3-調(diào)節(jié)球 4-緊定螺釘超聲強(qiáng)化工具頭本文中采用的工具頭內(nèi)徑為21mm，以便與換能器輸出桿配合。 滾柱

7、1安裝于卡槽2內(nèi)，并通過(guò)4緊定螺釘進(jìn)行固定。超聲加工時(shí)，滾柱1在輸出桿帶動(dòng)下產(chǎn)生擠壓力，與工件接觸，進(jìn)而對(duì)工件表面進(jìn)行強(qiáng)化加工。工具頭的滾柱材料選用硬質(zhì)合金。其余材料均為45號(hào)鋼。超聲強(qiáng)化系統(tǒng)的安裝調(diào)試1-工件 2-工具頭 3-刀架 4-換能器 5-超聲電源稀土超磁致伸縮超聲強(qiáng)化系統(tǒng)示意圖 工件1用三爪卡盤(pán)和頂尖固定在車(chē)床上 換能 器4固定在車(chē)床的刀架3上，并由超聲電源5供電 工具頭2安裝在換能器的前端。工作時(shí)，工件1隨車(chē)床旋 轉(zhuǎn)， 換能器4振動(dòng)帶動(dòng)前端的工具頭2與工件接觸產(chǎn)生擠壓，與此同時(shí)，換能器隨著刀架3左右移動(dòng)，車(chē)床直接裝夾三、強(qiáng)化系統(tǒng)的試驗(yàn)研究2、實(shí)驗(yàn)方案（1）試驗(yàn)材料選用 中國(guó)車(chē)軸選

8、用材料多為40鋼和30CrMoA，此次試驗(yàn)選用的材料是40鋼。（2）試驗(yàn)設(shè)計(jì) 超聲擠壓強(qiáng)化加工參數(shù)主要包括擠壓量P、轉(zhuǎn)速v、進(jìn)給量f、工具頭頂部球面半徑r、超聲頻率以及換能器的振幅等等。各個(gè)參數(shù)對(duì)超聲強(qiáng)化的結(jié)果都有不同程度的影響，而且它們之間的關(guān)系比較復(fù)雜，這里我們只對(duì)其中的擠壓量P、轉(zhuǎn)速v、進(jìn)給量f進(jìn)行試驗(yàn)研究，其余的均取定值。工具頭選用半徑R=5mm的超硬合金材料三、強(qiáng)化系統(tǒng)的試驗(yàn)研究試件不變量變量試件1保持轉(zhuǎn)速n及進(jìn)給量f不變擠壓量P改變/mn=570r/min,f=0.2mm/r80130180230試件2保持轉(zhuǎn)速n及擠壓量P不變進(jìn)給量f改變/mm/rn=570r/min, P=130

9、m0.10.20.30.5試件3保持進(jìn)給量f及擠壓量P不變轉(zhuǎn)速n改變/r/minf=0.2mm/r,P=130m290410570820超聲擠壓強(qiáng)化加工參數(shù)三、強(qiáng)化系統(tǒng)的試驗(yàn)研究3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果40鋼超聲強(qiáng)化樣件的加工后粗糙度測(cè)量及結(jié)果分析 針觸法測(cè)量表面粗糙度及輪廓形狀。 針尖曲率半徑為2m左右的天然金剛石觸針沿被測(cè)表面緩慢滑行，測(cè)出工件表面的粗糙度值。 評(píng)定長(zhǎng)度為2.5mm 4，探頭壓入深度為16m+0.05時(shí)代TR300高精度表面粗糙度形狀測(cè)量?jī)x擠壓量對(duì)工件粗糙度的影響(轉(zhuǎn)速570r/min，進(jìn)給量0.2mm/r) 未經(jīng)超聲強(qiáng)化處理的工件表面粗糙度為3.256m，是由工件表面的峰谷高度差較大

10、引起，粗糙的工件表面易造成應(yīng)力集中，影響工件的疲勞強(qiáng)度。 經(jīng)過(guò)超聲強(qiáng)化處理后，所實(shí)驗(yàn)的4個(gè)不同擠壓量獲取的表面粗糙度都在1m左右，粗糙度明顯降低，有效改善了工件的表面特征。進(jìn)給量對(duì)工件粗糙度的影響(轉(zhuǎn)速570r/min，擠壓量130m) 超聲擠壓強(qiáng)化前工件表面粗糙度為3.256m， 超聲強(qiáng)化處理后，取值不同的進(jìn)給量獲取的表面粗糙度都在1m左右，特別當(dāng)進(jìn)給量為0.3mm/r時(shí)，粗糙度最小Ra=0.776m。 轉(zhuǎn)速對(duì)工件粗糙度的影響(擠壓量130m，進(jìn)給量0.2mm/r) 強(qiáng)化處理后的表面粗糙度明顯降低，實(shí)驗(yàn)下取值不同的轉(zhuǎn)速所得到的表面粗糙度都在1m左右。 粗糙度隨著轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為570r/min時(shí)，粗糙度最小0.882m。硬度測(cè)量及結(jié)果分析轉(zhuǎn)速以及進(jìn)給量相同，擠壓量不同試件段處的里氏硬度值使用時(shí)代THL120里氏硬度計(jì)，對(duì)每一段測(cè)試五次，取其平均值轉(zhuǎn)速以及擠壓量相同，進(jìn)給量不同試件段處