稀土超磁致伸縮超聲強化系統(tǒng)研制及試驗研究課件

1、稀土超磁致伸縮超聲強化系統(tǒng)研制及試驗研究張勤儉 北京交通大學陳 爽 江西理工大學2015年11月2日目錄超聲強化系統(tǒng)總體框架超聲強化系統(tǒng)的設計超聲強化系統(tǒng)的試驗研究結論一二三四稀土超磁致伸縮材料特性磁疇隨磁場變化示意圖 在未加磁場H時，磁疇雜亂無章的排列； 當加上磁場后，開始階段，與磁場方向夾角較小的磁疇會率先轉向與磁場方向一致的方向，而隨著磁場的逐漸增加，幾乎所有磁疇都會旋轉到外磁場方向，直至飽和，此時再增加外磁場強度，磁疇方向也不會改變。 Terfenol-D、Ni和PZT三種材料性能對比一、超聲強化系統(tǒng)總體框架The overall block diagram of this topi二

2、、超聲強化系統(tǒng)的設計 超聲強化系統(tǒng)的組成123強化系統(tǒng)工具頭 電源稀土超磁致?lián)Q能器設計1、電源的選取 在超聲加工過程中，為 了發(fā)揮換能器的最優(yōu)性能， 獲得比較大的振幅，要求 振動系統(tǒng)工作時處于諧振 狀態(tài)。 在超聲加工進行前，通過調整電源的頻率來保證整個系統(tǒng)處于共振狀態(tài)。但是，在實際的生產加工過程中，由于一系列外界因素，如溫度變化、靜動載荷、系統(tǒng)本身的磨損以及加工件的變化等，會使得超聲振動系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生小范圍內的浮動，如上圖所示。1、電源的選取 如果超聲電源的頻率不能 及時調整，振動系統(tǒng)將處 于非共振狀態(tài)，其輸出振 幅會減小，甚至會失去加 工效果。 為了解決上述問題，換能器的電源必須具備自動

3、頻率追蹤性能。本文中用到的超聲電源是通過湖南湘潭大學龍士國教授團隊定制的。此種驅動電源特點是具有比較寬的可調范圍500Hz30KHz，而且激勵方式也有三角波、正弦波、方波、鋸齒波多種波形可供選擇，這對于我們后續(xù)試驗研究提供很大便利。2、稀土超磁致?lián)Q能器設計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封閉，減少漏磁，還要考慮前后蓋板材料的磁導率。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。簡圖如下2、稀土超磁致?lián)Q能器設計渦流損耗及換能器的散熱是要重點考慮的問題之一。為了減少渦流損耗，本文

4、采取兩種措施：一是改變Terfenol-D棒的結構，二是設計一套輔助冷卻系統(tǒng)。Terfenol-D棒處理前為圓柱狀，為了減輕渦流效應，棒料進行中部掏空和切片處理如下圖。考慮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，中部掏空圓柱直徑5mm 2、稀土超磁致?lián)Q能器設計部件名稱參數(shù)線圈長度L（mm）110線圈內徑r1（mm）13.5偏置磁場有效值（KA/m）55驅動磁場值（KA/m）-2525裸導線直徑dr（mm）1.33線圈厚度e（mm）11線圈總匝數(shù)N(匝)446換能器的磁路設計中各部件參數(shù)2、稀土超磁致?lián)Q能器設計換能器設計的主磁路采用圓盤型永磁體來提供偏置磁

5、場切片厚度控制復合振子的有限元振動模態(tài)分析在2.5m 10KHz20KHz范圍內對應的模態(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)復合振子幾何模型復合振子的有限元振動模態(tài)分析10KHz20KHz范圍內對應的模態(tài)在10KHz20KHz范圍內，復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范圍內對應模態(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量YB0901B型超聲波振幅測量儀本儀器的測量精度2.5%，可測頻率范圍5KHz100KHz，靈敏度為1m，最大量程可達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。最終我們確定，方波在15KHz下產生的振幅最大約為12m，達到設計目標10m以上的設計要求。3、工具頭的設計 1-滾柱 2-卡槽 3-調節(jié)球 4-緊定螺釘超聲強化工具頭本文中采用的工具頭內徑為21mm，以便與換能器輸出桿配合。 滾柱

7、1安裝于卡槽2內，并通過4緊定螺釘進行固定。超聲加工時，滾柱1在輸出桿帶動下產生擠壓力，與工件接觸，進而對工件表面進行強化加工。工具頭的滾柱材料選用硬質合金。其余材料均為45號鋼。超聲強化系統(tǒng)的安裝調試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化系統(tǒng)示意圖 工件1用三爪卡盤和頂尖固定在車床上 換能 器4固定在車床的刀架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，工件1隨車床旋 轉， 換能器4振動帶動前端的工具頭2與工件接觸產生擠壓，與此同時，換能器隨著刀架3左右移動，車床直接裝夾三、強化系統(tǒng)的試驗研究2、實驗方案（1）試驗材料選用 中國車軸選

8、用材料多為40鋼和30CrMoA，此次試驗選用的材料是40鋼。（2）試驗設計 超聲擠壓強化加工參數(shù)主要包括擠壓量P、轉速v、進給量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。各個參數(shù)對超聲強化的結果都有不同程度的影響，而且它們之間的關系比較復雜，這里我們只對其中的擠壓量P、轉速v、進給量f進行試驗研究，其余的均取定值。工具頭選用半徑R=5mm的超硬合金材料三、強化系統(tǒng)的試驗研究試件不變量變量試件1保持轉速n及進給量f不變擠壓量P改變/mn=570r/min,f=0.2mm/r80130180230試件2保持轉速n及擠壓量P不變進給量f改變/mm/rn=570r/min, P=130

9、m0.10.20.30.5試件3保持進給量f及擠壓量P不變轉速n改變/r/minf=0.2mm/r,P=130m290410570820超聲擠壓強化加工參數(shù)三、強化系統(tǒng)的試驗研究3、實驗結果40鋼超聲強化樣件的加工后粗糙度測量及結果分析 針觸法測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表面緩慢滑行，測出工件表面的粗糙度值。 評定長度為2.5mm 4，探頭壓入深度為16m+0.05時代TR300高精度表面粗糙度形狀測量儀擠壓量對工件粗糙度的影響(轉速570r/min，進給量0.2mm/r) 未經(jīng)超聲強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力集中，影響工件的疲勞強度。 經(jīng)過超聲強化處理后，所實驗的4個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。進給量對工件粗糙度的影響(轉速570r/min，擠壓量130m) 超聲擠壓強化前工件表面粗糙度為3.256m， 超聲強化處理后，取值不同的進給量獲取的表面粗糙度都在1m左右，特別當進給量為0.3mm/r時，粗糙度最小Ra=0.776m。 轉速對工件粗糙度的影響(擠壓量130m，進給量0.2mm/r) 強化處理后的表面粗糙度明顯降低，實驗下取值不同的轉速所得到的表面粗糙度都在1m左右。 粗糙度隨著轉速的增大先減小后增大，當轉速為570r/min時，粗糙度最小0.882m。硬度測量及結果分析轉速以及進給量相同，擠壓量不同試件段處的里氏硬度值使用時代THL120里氏硬度計，對每一段測試五次，取其平均值轉速以及擠壓量相同，進給量不同試件段處