基于大振幅級(jí)聯(lián)式變幅桿超聲噴丸的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、許多高應(yīng)力的零部件比如火車(chē)輪軸、齒輪、航空以及汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用軸類零件等等，它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)往往受到循環(huán)載荷的作用，在這種情況下，裂紋擴(kuò)展速度非?？欤杆倏s短了零件的壽命。其后果不僅造成財(cái)產(chǎn)損失還會(huì)導(dǎo)致人員傷亡，因此提高機(jī)械零部件的疲勞強(qiáng)度和壽命具有重要的意義。噴丸作為一種金屬表面冷加工技術(shù)，主要用于提高金屬零部件的疲勞強(qiáng)度，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、電力、核工業(yè)等可靠性、安全性要求高的行業(yè)。噴丸強(qiáng)化工藝過(guò)程是通過(guò)小直徑高硬度的球形丸粒高速

2、撞擊金屬材料表面，使金屬表面發(fā)生塑性變形，同時(shí)產(chǎn)生表面晶粒細(xì)化、表層局部向外延展和表面材料冷作硬化等現(xiàn)象，通常會(huì)在金屬零件表層產(chǎn)生120～1000μm的殘余壓應(yīng)力層。噴丸所產(chǎn)生的形變強(qiáng)化和組織強(qiáng)化可使零件維氏硬度提高，裂紋擴(kuò)展阻力增加，使得裂紋擴(kuò)展的速度大大減慢；此外，噴丸的強(qiáng)化作用以及所引入的高殘余壓應(yīng)力，可使表面微觀裂紋止裂，并能改善和消除加工工藝過(guò)程中零件表層所產(chǎn)生的缺陷，使其可靠性和壽命提高，減緩或防止受循環(huán)載荷作用的金屬零件的

3、過(guò)早失效。
　　 超聲噴丸可以獲得比傳統(tǒng)噴丸更深的殘余壓應(yīng)力層，同時(shí)表面粗糙度也優(yōu)于傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化技術(shù)，超聲噴丸強(qiáng)化已經(jīng)被證明能有效地提高零件的疲勞極限。對(duì)于目前的超聲噴丸強(qiáng)化工藝過(guò)程，彈丸的速度還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到能夠破壞受?chē)娂捕ㄐ缘某潭?，而變幅桿的振幅是影響丸粒噴射速度的重要因素。因此，設(shè)計(jì)一新型的大振幅變幅桿來(lái)提高丸粒的沖擊速度成為目前超聲噴丸系統(tǒng)研究工作的首要任務(wù)。目前，常見(jiàn)的變幅桿類型有：指數(shù)形、階梯形、圓錐形等，各種傳統(tǒng)形狀

4、的變幅桿各有優(yōu)點(diǎn)，但都不是最理想的。
　　 本文以提高變幅桿的振幅為出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)用解析法設(shè)計(jì)一種新型的級(jí)聯(lián)式變幅桿，并通過(guò)有限元ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)所得變幅桿的可靠性；同時(shí)對(duì)其放大性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此外，為驗(yàn)證超聲噴丸強(qiáng)化能力，設(shè)計(jì)噴丸裝置并進(jìn)行噴丸強(qiáng)化能力實(shí)驗(yàn)。主要研究?jī)?nèi)容有：
　　 1.對(duì)級(jí)聯(lián)式變幅桿進(jìn)行理論探討，獲得級(jí)聯(lián)式變幅桿的放大性能。其振幅放大比為兩單節(jié)變幅桿的放大比乘積。根據(jù)級(jí)聯(lián)式變幅桿

5、的設(shè)計(jì)理論和單節(jié)變幅桿的性能特點(diǎn)，選定級(jí)聯(lián)式變幅桿的推動(dòng)節(jié)和輸出節(jié)。
　　 2.首先，根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)單一變幅桿的理論依據(jù)和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)符合噴丸實(shí)驗(yàn)用的級(jí)聯(lián)式變幅桿，對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行分析和理論計(jì)算。其次，根據(jù)振動(dòng)理論和有限元方法，借助于有限元軟件分別對(duì)級(jí)聯(lián)式變幅桿和構(gòu)成其的兩單節(jié)變幅桿進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，將所獲得的變幅桿各性能模態(tài)參數(shù)與理論計(jì)算結(jié)果比較，兩種方法所得結(jié)果很一致。
　　 3.加工制造所設(shè)計(jì)的級(jí)聯(lián)式變幅桿并對(duì)

6、其進(jìn)行振幅放大比的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在變幅桿輸入端和輸出端分別安裝加速度傳感器測(cè)量加速度的振幅信號(hào)，經(jīng)電荷放大器將信號(hào)放大，由數(shù)字示波器采集和記錄加速度信號(hào)，根據(jù)位移與加速度的關(guān)系可以計(jì)算出位移的大小，從而求得變幅桿的放大比。將其與理論和模擬結(jié)果進(jìn)行比較，所得結(jié)論十分接近。
　　 4.選購(gòu)各種不同材質(zhì)和型號(hào)的試驗(yàn)用鋼丸。設(shè)計(jì)超聲噴丸強(qiáng)化能力的實(shí)驗(yàn)裝置，同時(shí)建立一套超聲噴丸沖擊力測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。鋼丸在超聲波發(fā)生器的激勵(lì)下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，在噴丸

7、室頂端安裝壓電式力傳感器，測(cè)量彈丸的沖擊力信號(hào)，之后進(jìn)行沖擊力數(shù)據(jù)處理。結(jié)果顯示：鋼丸的材質(zhì)對(duì)沖擊力的影響最大；就不同鋼丸材質(zhì)而言，鋼丸直徑及其距傳感器的距離對(duì)沖擊力影響最大，其次是超聲波發(fā)生器的輸出功率；而彈丸粒數(shù)對(duì)沖擊力力影響不是很大。
　　 5.對(duì)不同工藝參數(shù)下彈丸沖擊力所產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，分析各工藝參數(shù)對(duì)彈丸沖擊應(yīng)力的影響，進(jìn)而分析各工藝參數(shù)對(duì)噴丸強(qiáng)化能力的影響。
　　 所得結(jié)論為：隨著高度的增加，彈丸的沖