纵扭超声滚压6061铝合金的表面粗糙度与微观形貌_吴豪琼.pdf
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1、书书书纵扭超声滚压 铝合金的表面粗糙度与微观形貌吴豪琼,高志强,张智源(河南工学院 机械工程学院,河南 新乡 )摘要:为探索提高铝合金表面加工质量的方法,将二维纵、扭超声引入常规滚压中,形成一种新的加工技术。首先使用理论和仿真结合的方法设计制造纵、扭超声变幅杆并验证;然后将换能器、变幅杆、工具头和超声波发生器集成得到二维超声滚压加工装置。以棒料铝合金 为毛坯进行正交超声滚压试验,结果表明:超声滚压得到的工件表面粗糙度值相比较常规滚压最高减小了 ,并且其表面微观形貌更好;随着静压力增大表面粗糙度值呈现增大趋势,随着转速增大表面粗糙度值呈现总体增加趋势,随着进给量增大表面粗糙度值呈现总体减小趋势。
2、关键词:纵扭谐振;超声;正交;滚压试验中图分类号:;文献标识码:文章编号:()铝合金 具有中等强度、抗腐蚀性好、加工性能和焊接氧化效果好等特点,在对强度和抗蚀性有要 求 的 制 造 领 域 有 着 广 泛 的 应 用。但 铝 合 金 在加工过程中,由于其表面容易局部疲劳磨损,从而常导致过早失效,影响使用性能。在常规表面强化技术中引入高频超声振动已经成为表面改善技术研究的新方向,如超声挤压、超声喷丸和超声滚压等一维超声表面强化技术,都具有细化表面晶粒、降低表面粗糙度和提高表面显微硬度的效果,且加工效果都优于常规表面加工技术,但在表面加工技术领域引入二维超声振动的研究还相对较少,所以本文将二维纵、
3、扭超声振动引入常规滚压加工技术并进行相关的试验研究。纵、扭二维超声滚压加工技术(以下简称超声滚压)是在常规滚压过程中对工具头滚轮(如图所示)施加纵向和扭转两个方向的超声振动,以获取更好的表面加工质量。纵向高频振动不仅可以修复错乱的晶格实现金属纳米化,而且还可以对工件表面产生残余压应力以提高工件表面的显微硬度;扭转振动使工具头反复挤压工件表面以实现光整加工,从而降低工件表面的粗糙度值,同时改善工件表面的微观形貌。图纵扭超声滚压加工原理纵扭超声声学系统设计 半波长阶梯形变幅杆设计根据一维波动理论,忽略横向振动,在简谐振动情况下变截面变幅杆纵向振动的波动方程为:()式中,为变截面杆质点位移函数,()
4、;为杆的横截面积函数,();为圆波数,;为圆频率;为纵波在细棒中的传播速度,();为弹性模量;为变截面杆材料的密度。图为阶梯形变幅杆尺寸,设大端直径为、长度为、截面积为,小端直径为、长度为、截第 卷第期 年月河南工学院学报 收稿日期:基金项目:河南省科技攻关项目(,);河南省高校重点科研项目计划项目()第一作者简介:吴豪琼(),男,河南新乡人,讲师,硕士,主要从事超声加工研究。面积为,变幅杆总长,根据式()可确定阶梯形变幅杆纵向振动的频率方程、放大系数和位移节点分别如式()()()所示 :()()()()()假设(为波长)时,则可以推出 ,(),。根据一维纵向振动理论设计半波长圆截面阶梯形变幅
5、杆,材料选择 钢,密度 ,杨氏模量 ,泊松比为 ,由大端 ,小端 均匀杆组成,设定工作频率 ,可以计算得到 。图阶梯形变幅杆 变幅杆圆环带斜槽传振杆设计在圆环传振杆中以角入射纵波,将会分别以反射角射出纵波和以反射角射出横波,反射纵波和反射横波都与变幅杆的轴线成夹角,在轴向与径向都可分解出两个分量:轴向的分量之和可实现纵向振动,径向的分量之和可实现扭转振动(如图所示)。综上所述,在阶梯变幅杆输出端增加一段传振杆就能实现纵、扭超声振动,根据理论计算和仿真分析最终得到变幅杆尺寸如图所示:变幅杆大端 ,;小 端 ,;传振杆 ,壁厚;斜槽数目,倾角 ,斜槽长 、宽;斜槽中心距小端 。变幅杆最终尺寸的模态
6、仿真阵型如图所示:在 时变幅杆输出端纵向和扭向同时发生振动且振型较好。图传振杆扭振原理图图斜槽圆环传振杆的阶梯形变幅杆结构图变幅杆纵扭复合振动振型图 变幅杆阻抗与振幅测试根据仿真结果加工变幅杆,如图()所示,使用 阻抗分析仪对变幅杆和 换能器集成的声学系统进行阻抗分析,其谐振频率为 ,与仿真结果相近。()阻抗测试现场()阻抗测试结果图变幅杆阻抗测试使用 传感器、电荷放大器、数据采集卡和计算机集成制作超声振幅测试系统(如图所示),对变幅杆小端进行多点振幅测量:将传感器对准变幅杆小端的端面圆周方向,每隔 设置河南工学院学报 年第期个焊点,进行扭向振幅测量,求平均值获得扭向振动的振幅为 ;将传感器对
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