基于大振幅级联式变幅杆超声喷丸的实验研究

论文摘要

许多高应力的零部件比如火车轮轴、齿轮、航空以及汽车发动机用轴类零件等等,它们在工作时往往受到循环载荷的作用,在这种情况下,裂纹扩展速度非常快,迅速缩短了零件的寿命。其后果不仅造成财产损失还会导致人员伤亡,因此提高机械零部件的疲劳强度和寿命具有重要的意义。喷丸作为一种金属表面冷加工技术,主要用于提高金属零部件的疲劳强度,已被广泛应用于航空航天、汽车、电力、核工业等可靠性、安全性要求高的行业。喷丸强化工艺过程是通过小直径高硬度的球形丸粒高速撞击金属材料表面,使金属表面发生塑性变形,同时产生表面晶粒细化、表层局部向外延展和表面材料冷作硬化等现象,通常会在金属零件表层产生120~1000μm的残余压应力层。喷丸所产生的形变强化和组织强化可使零件维氏硬度提高,裂纹扩展阻力增加,使得裂纹扩展的速度大大减慢;此外,喷丸的强化作用以及所引入的高残余压应力,可使表面微观裂纹止裂,并能改善和消除加工工艺过程中零件表层所产生的缺陷,使其可靠性和寿命提高,减缓或防止受循环载荷作用的金属零件的过早失效。超声喷丸可以获得比传统喷丸更深的残余压应力层,同时表面粗糙度也优于传统喷丸强化技术,超声喷丸强化已经被证明能有效地提高零件的疲劳极限。对于目前的超声喷丸强化工艺过程,弹丸的速度还远没有达到能够破坏受喷件安定性的程度,而变幅杆的振幅是影响丸粒喷射速度的重要因素。因此,设计一新型的大振幅变幅杆来提高丸粒的冲击速度成为目前超声喷丸系统研究工作的首要任务。目前,常见的变幅杆类型有:指数形、阶梯形、圆锥形等,各种传统形状的变幅杆各有优点,但都不是最理想的。本文以提高变幅杆的振幅为出发点,应用解析法设计一种新型的级联式变幅杆,并通过有限元ANSYS软件对其进行动力学分析,验证设计所得变幅杆的可靠性;同时对其放大性能进行实验验证。此外,为验证超声喷丸强化能力,设计喷丸装置并进行喷丸强化能力实验。主要研究内容有:1、对级联式变幅杆进行理论探讨,获得级联式变幅杆的放大性能。其振幅放大比为两单节变幅杆的放大比乘积。根据级联式变幅杆的设计理论和单节变幅杆的性能特点,选定级联式变幅杆的推动节和输出节。2、首先,根据传统设计单一变幅杆的理论依据和实际的实验条件,设计符合喷丸实验用的级联式变幅杆,对其性能参数进行分析和理论计算。其次,根据振动理论和有限元方法,借助于有限元软件分别对级联式变幅杆和构成其的两单节变幅杆进行动力学分析,将所获得的变幅杆各性能模态参数与理论计算结果比较,两种方法所得结果很一致。3、加工制造所设计的级联式变幅杆并对其进行振幅放大比的验证实验。在变幅杆输入端和输出端分别安装加速度传感器测量加速度的振幅信号,经电荷放大器将信号放大,由数字示波器采集和记录加速度信号,根据位移与加速度的关系可以计算出位移的大小,从而求得变幅杆的放大比。将其与理论和模拟结果进行比较,所得结论十分接近。4、选购各种不同材质和型号的试验用钢丸。设计超声喷丸强化能力的实验装置,同时建立一套超声喷丸冲击力测量实验系统。钢丸在超声波发生器的激励下进行冲击试验,在喷丸室顶端安装压电式力传感器,测量弹丸的冲击力信号,之后进行冲击力数据处理。结果显示:钢丸的材质对冲击力的影响最大;就不同钢丸材质而言,钢丸直径及其距传感器的距离对冲击力影响最大,其次是超声波发生器的输出功率;而弹丸粒数对冲击力力影响不是很大。5、对不同工艺参数下弹丸冲击力所产生的冲击应力进行计算,分析各工艺参数对弹丸冲击应力的影响,进而分析各工艺参数对喷丸强化能力的影响。所得结论为:随着高度的增加,弹丸的冲击应力降低;而在同一高度时,同直径的铸钢丸产生的冲击应力比不锈钢钢丸要大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 国内外喷丸强化机械及技术的发展概述
• 1.2.2 喷丸强化技术的研究概况
• 1.2.3 新型喷丸强化技术
• 1.2.3.1 激光喷丸强化技术
• 1.2.3.2 高压水喷丸强化技术
• 1.2.3.3 超声喷丸强化技术
• 1.3 本课题的研究意义和主要工作
• 第二章 超声喷丸强化技术与设备
• 2.1 喷丸强化工艺原理
• 2.2 喷丸强化工艺参数
• 2.3 喷丸强化效果及质量的表征指标
• 2.3.1 喷丸强度
• 2.3.2 被喷表面的覆盖率和粗糙度值
• 2.3.2.1 表面覆盖率的影响因素
• 2.3.2.2 表面粗糙度值的影响因素
• 2.4 超声喷丸强化技术
• 2.4.1 超声波及其特性
• 2.4.2 超声喷丸基本原理
• 2.4.3 超声喷丸强化系统
• 2.4.3.1 超声波发生器
• 2.4.3.2 超声波换能器
• 2.4.3.3 变幅杆
• 2.4.4 超声喷丸强化技术的特点
• 第三章 超声喷丸中的关键部件——变幅杆的研究
• 3.1 超声变幅杆
• 3.1.1 超声变幅杆概述
• 3.1.2 纵向振动变幅杆的波动方程
• 3.1.3 单一变幅杆的特性参数
• 3.2 级联式变幅杆概述
• 3.3 级联式变幅杆的设计
• 3.3.1 变幅杆类型的选择
• 3.3.2 变幅杆材料的选择
• 3.3.3 变幅杆的设计计算
• 3.3.3.1 推动节阶梯形变幅杆的设计
• 3.3.3.2 输出节圆锥形变幅杆的设计
• 3.3.3.3 级联式变幅杆
• 3.4 超声级联式变幅杆的动力学分析
• 3.4.1 模态分析理论
• 3.4.2 级联式变幅杆的模态分析
• 3.4.2.1 推动节阶梯形变幅杆模态分析结果
• 3.4.4.2 输出节圆锥形变幅杆模态分析结果
• 3.4.2.3 级联式变幅杆模态分析结果
• 第四章 级联式变幅杆放大性能的测量
• 4.1 超声级联式变幅杆的制造与频率测量
• 4.1.1 阻抗分析仪
• 4.1.2 级联式变幅杆频率测量
• 4.2 级联式变幅杆放大比性能试验
• 4.2.1 实验目的
• 4.2.2 实验设备
• 4.2.2.1 压电式加速度传感器
• 4.2.2.2 电荷放大器
• 4.2.2.3 示波器
• 4.2.3 实验测量系统
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 实验结果
• 4.3.2 理论计算、有限元分析结果及实验结果的比较与分析
• 第五章 超声喷丸实验测量
• 5.1 实验目的
• 5.2 实验测量系统
• 5.3 实验工艺参数
• 5.4 各工艺参数对丸粒冲击力的影响
• 5.4.1 丸粒距测力传感器的距离对冲击力的影响
• 5.4.2 超声振幅对冲击力的影响
• 5.4.3 弹丸材质对冲击力的影响
• 5.4.4 弹丸直径对冲击力的影响
• 5.4.5 弹丸粒数对冲击力的影响
• 5.5 各工艺参数条件下冲击应力的计算
• 5.5.1 喷丸撞击的理论基础
• 5.5.1.1 弹性固体非协调表面的法向接触
• 5.5.1.2 弹性接触的Hertz 理论
• 5.5.2 冲击应力的计算
• 5.5.2.1 不同丸粒距测力传感器距离的冲击应力
• 5.5.2.2 不同弹丸直径的冲击应力
• 5.6 实验结果与理论结果的分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文