超声振动系统性能分析及铝合金超声铸造试验研究

论文摘要

超声外场处理金属熔体是改善铸锭凝固组织,提高材料力学性能的一种有效方法,是当前国际研究的热点和未来铸造技术的一个新的发展方向。本文以铝合金超声铸造为切入点,主要研究了以下几方面内容:1、对整个超声振动装置进行了系统分析。首先,根据电-力-声类比原理,采用高精度的阻抗分析仪,测量超声振动系统在不同工况下的导纳圆。基于导纳圆,研究了振动系统谐振频率Fs与机械品质因数Qm的具体变化规律。结果表明:Fs和Qm均随负载温度的升高,负载粘度的增大以及工具杆工作深度的增加而降低;随负载横截面积的增大,一阶Fs提高,二阶Fs略有降低,而对Qm的影响相对较小。以此为基础,确定振动系统与超声波发生器的最佳电端匹配。其次,基于对振动装置失谐现象的探讨,分析现有发生器的电路工作原理,并提出了适合超声铸造的电源改进思路。2、针对现有工具杆的端面为平面,超声波辐射范围小,作用区域小,不利于超声铸造的问题,根据Snell定律,并综合考虑半连铸时的金属液穴形状,声强度分布与声能利用率,对其端面进行了优化设计。利用有限元软件Marc对工具杆进行了模态分析验证,发现优化前后的工具杆纵向振动频率基本相同,可保证优化后的工具杆与原有振动系统匹配使用。3、详细描述了超声波处理金属熔体时的能量传递特性,超声细晶的两种主要作用机制（空化与声流）和超声波对晶体形核、成长过程的影响,为试验的开展及其结果的分析提供理论基础。4、探讨了在超声处理过程中,不同的超声功率、施振温度、冷却方式、施振深度和方式对铸锭凝固组织细化规律,并对超声作用距离及铸锭的力学性能进行了分析。试验结果表明:超声细晶存在一最佳超声功率170W和施振温度区间800～660℃;适当降低熔体的冷却强度有利于晶粒细化;施振深度不宜过大,否则振动强度降低,细晶效果减弱;当选取合理的施振时间与温度时,间歇施振能取得优于连续时的细化效果;超声作用距离与不同的铸造工况密切相关;经超声处理后,铸锭的力学性能获得了提高,组织成分也趋于均匀,有利于后续加工。通过上述研究,初步获得了一些振动系统振动性能的变化规律及超声铸造工艺参数匹配规律,这对功率超声应用于工业领域,有效处理金属熔体具有一定的指导价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 凝固组织的调控手段
• 1.3 物理外场调控组织技术的研究状况
• 1.4 功率超声的优势及发展前景
• 1.5 超声振动处理金属熔体技术的发展状况
• 1.5.1 超声波的产生及引入技术
• 1.5.2 超声振动对结晶金属的作用效果
• 1.5.3 超声细晶机理的研究
• 1.6 课题来源、研究意义及论文内容
• 1.6.1 课题背景与来源
• 1.6.2 研究内容与意义
• 第二章 超声振动装置及其振动性能的试验研究
• 2.1 超声振动装置
• 2.1.1 超声振动系统一换能器
• 2.1.2 超声振动系统一变幅杆
• 2.1.3 超声振动系统一工具杆
• 2.2 超声振动系统性能测试
• 2.2.1 电-力-声类比原理
• 2.2.2 试验装置原理与试验方案
• 2.2.3 试验测量结果与分析
• 2.2.4 超声振动系统失谐现象与分析
• 2.3 超声波发生器
• 2.3.1 超声波发生器分类
• 2.3.2 超声波发生器原理分析与改进
• 2.4 本章小结
• 第三章 超声铸造工具杆端面优化设计及模态分析
• 3.1 超声波传播理论
• 3.1.1 超声场与声学特征量
• 3.1.2 超声波在介质分界面处的传播原理
• 3.1.3 干涉与驻波的形成
• 3.1.4 超声波的衰减
• 3.2 端面改进及工具杆优化设计
• 3.2.1 超声铸造中声波的传播特性
• 3.2.2 端面改进方案
• 3.2.3 工具杆优化设计
• 3.3 工具杆模态分析与验证
• 3.3.1 模态求解有限元理论
• 3.3.2 仿真结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 超声振动处理金属熔体的作用机制分析
• 4.1 低频与超声频振动
• 4.2 超声波在熔体中的能量传递特性
• 4.3 超声空化与声流现象
• 4.3.1 空化现象
• 4.3.2 声流现象
• 4.4 超声振动对金属结晶过程的影响
• 4.4.1 超声振动对晶体形核的影响
• 4.4.2 超声振动对晶体生长的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于不同工艺参数的铝合金超声铸造试验研究
• 5.1 超声波功率测量试验
• 5.2 超声铸造试验
• 5.2.1 试验材料及装置
• 5.2.2 试验方案
• 5.3 铸锭凝固组织分析与结论
• 5.3.1 超声功率对凝固组织的影响
• 5.3.2 施振温度对凝固组织的影响
• 5.3.3 冷却方式对凝固组织的影响
• 5.3.4 施振深度对凝固组织的影响
• 5.3.5 施振方式对凝固组织的影响
• 5.3.6 超声作用距离研究
• 5.3.7 超声铸锭的力学性能分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结及展望
• 6.1 主要研究工作及结论
• 6.2 研究中存在的问题及展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 硕士期间参与的科研项目及发表的论文