1、LOGO稀土超磁致伸缩超声强化系统研稀土超磁致伸缩超声强化系统研制及试验研究制及试验研究张勤俭张勤俭 北京交通大学北京交通大学陈陈 爽爽 江西理工大学江西理工大学20152015年年1111月月2 2日日目录超超声声强化强化系系统统总总体框架体框架超超声声强化系强化系统统的的设计设计超超声声强化系强化系统统的的试验研试验研究究结论结论一一二二三三四四稀土超磁致伸缩材料特性磁畴随磁场变化示意图 在在未加磁场未加磁场H时，磁时，磁畴杂乱无章的排列；畴杂乱无章的排列；当加上磁场后，开始当加上磁场后，开始阶段，与磁场方向夹角阶段，与磁场方向夹角较小的磁畴会率先转向较小的磁畴会率先转向与磁场方向一致的方
2、向与磁场方向一致的方向，而随着磁场的逐渐增，而随着磁场的逐渐增加，几乎所有磁畴都会加，几乎所有磁畴都会旋转到外磁场方向，直旋转到外磁场方向，直至饱和，此时再增加外至饱和，此时再增加外磁场强度，磁畴方向也磁场强度，磁畴方向也不会改变。不会改变。Terfenol-D、Ni和PZT三种材料性能对比一、超声强化系统总体框架The overall block diagram of this topi二、超声强化系统的设计 超声强化系统的组成超声强化系统的组成1 12 23 3工具头 电源稀土超磁致换能器设计1、电源的选取 在超声加工过程中，为在超声加工过程中，为 了发挥换能器的最优性能，了发挥换能器的最
3、优性能，获得比较大的振幅，要求获得比较大的振幅，要求 振动系统工作时处于谐振振动系统工作时处于谐振 状态状态。在超声加工进行前，通过调整电源的频率来保证整个系统在超声加工进行前，通过调整电源的频率来保证整个系统处于共振状态。但是，在实际的生产加工过程中，由于一处于共振状态。但是，在实际的生产加工过程中，由于一系列外界因素，如温度变化、静动载荷、系统本身的磨损系列外界因素，如温度变化、静动载荷、系统本身的磨损以及加工件的变化等，会使得超声振动系统的固有频率发以及加工件的变化等，会使得超声振动系统的固有频率发生小范围内的浮动生小范围内的浮动，如上图所示。，如上图所示。1、电源的选取 如果超声电源的
4、频率不能如果超声电源的频率不能 及时调整，振动系统将处及时调整，振动系统将处 于非共振状态，其输出振于非共振状态，其输出振 幅会减小，甚至会失去加幅会减小，甚至会失去加 工效果工效果。为了解决上述问题，换能器的电源必须具备自动频率追踪为了解决上述问题，换能器的电源必须具备自动频率追踪性能。本文中用到的超声电源是通过湖南湘潭大学龙士国性能。本文中用到的超声电源是通过湖南湘潭大学龙士国教授团队定制的。此种驱动电源特点是具有比较宽的可调教授团队定制的。此种驱动电源特点是具有比较宽的可调范围范围500Hz30KHz，而且激励方式也有三角波、正弦，而且激励方式也有三角波、正弦波、方波、锯齿波多种波形可供
5、选择，这对于我们后续试波、方波、锯齿波多种波形可供选择，这对于我们后续试验研究提供很大便利。验研究提供很大便利。2、稀土超磁致换能器设计u为保证换能器的输出主要集中在前盖板，尽量提高振速比，为保证换能器的输出主要集中在前盖板，尽量提高振速比，尽量减小前盖板材料的声阻抗，同时尽量提高后盖板材料尽量减小前盖板材料的声阻抗，同时尽量提高后盖板材料的声阻抗，除此之外，为了保证换能器的磁场封闭，减少的声阻抗，除此之外，为了保证换能器的磁场封闭，减少漏磁，还要考虑前后盖板材料的磁导率。综合考虑，最终漏磁，还要考虑前后盖板材料的磁导率。综合考虑，最终选定前盖板材料为硬铝，后盖板材料为不锈钢。选定前盖板材料为
6、硬铝，后盖板材料为不锈钢。简图如下简图如下2、稀土超磁致换能器设计u涡流损耗及换能器的散热是要重点考虑的问题之一。为了涡流损耗及换能器的散热是要重点考虑的问题之一。为了减少涡流损耗，本文采取两种措施：一是改变减少涡流损耗，本文采取两种措施：一是改变Terfenol-D棒的结构，二是设计一套辅助冷却系统。棒的结构，二是设计一套辅助冷却系统。uTerfenol-D棒处理前为圆柱状，为了减轻棒处理前为圆柱状，为了减轻涡流效应，涡流效应，棒棒料进行中部掏空和切片处理料进行中部掏空和切片处理如下图如下图。考虑到本换能器的功。考虑到本换能器的功率较大，发热量较大，所以采用水冷却方式。率较大，发热量较大，所
7、以采用水冷却方式。切片厚度控制在2.5mm，中部掏空圆柱直径5mm 2、稀土超磁致换能器设计部件名称参数线圈长度L（mm）110线圈内径r1（mm）13.5偏置磁场有效值（KA/m）55驱动磁场值（KA/m）-2525裸导线直径dr（mm）1.33线圈厚度e（mm）11线圈总匝数N(匝)446换能器的磁路设计中各部件参数换能器的磁路设计中各部件参数2、稀土超磁致换能器设计换能器设计的主磁路换能器设计的主磁路采用圆盘型永磁体采用圆盘型永磁体来提供偏置磁场来提供偏置磁场切片厚度控制复合振子的有限元振动模态分析在2.5m 10KHz20KHz范围内对应的模态图 一阶模态图 二阶模态采用分块兰索斯法提
8、取5阶模态复合振子几何模型复合振子的有限元振动模态分析10KHz20KHz范围内对应的模态在10KHz20KHz范围内，复合振子存在五阶固有频率，且都集中在18KHz以下。从模态图中可以看出，除第五阶模型位移量较小约为2.4mm左右，其余四阶位移量较大且比较接近，均在3.3mm以上，其中，第四阶位移量最大为3.7mm。20KHz30KHz范围内对应模态一阶模态 二阶模态图2-21三阶模态 图2-22四阶模态 四阶模态三阶模态 五阶模态从模态图中可以看出，除第三阶模态外，其余四阶模态模型的最大位移基本相同，约为2.5mm左右 稀土超磁致伸缩换能器振幅的测量YB0901B型超声波振幅测量仪本仪器的
9、测量精度2.5%，可测频率范围5KHz100KHz，灵敏度为1m，最大量程可达1000m。不同波形与频率下超声换能器振幅三种波形中，相同频率情况下，方波的振幅要大于三角波和余弦波；同一种波形中，随着频率增大，换能器振幅有不断减小的趋势。最终我们确定，方波在15KHz下产生的振幅最大约为12m，达到设计目标10m以上的设计要求。3、工具头的设计u 1-滚柱滚柱 2-卡槽卡槽 3-调节球调节球 4-紧定螺钉紧定螺钉u 超声超声强化工具头强化工具头本文本文中采用的工具头内径为中采用的工具头内径为21mm，以便与换能器输出杆，以便与换能器输出杆配合配合。滚柱滚柱1安装于卡槽安装于卡槽2内，并通过内，并
10、通过4紧定螺钉进行固定。超声加工时，滚柱紧定螺钉进行固定。超声加工时，滚柱1在在输出杆带动下产生挤压力，与工件接触，进而对工件表面进行强化加工。工具头输出杆带动下产生挤压力，与工件接触，进而对工件表面进行强化加工。工具头的滚柱材料选用硬质合金。其余材料均为的滚柱材料选用硬质合金。其余材料均为45号钢。号钢。超声强化系统的安装调试1-工件 2-工具头 3-刀架 4-换能器 5-超声电源稀土超磁致伸缩超声强化系统示意图 工件1用三爪卡盘和顶尖固定在车床上 换能 器4固定在车床的刀架3上，并由超声电源5供电 工具头2安装在换能器的前端。工作时，工件1随车床旋 转，换能器4振动带动前端的工具头2与工件
11、接触产生挤压，与此同时，换能器随着刀架3左右移动，车床直接装夹三、强化系统的试验研究u2、实验方案、实验方案（1）试验材料选用）试验材料选用 中国车轴选用材料多为中国车轴选用材料多为40钢和钢和30CrMoA，此次试验选用，此次试验选用的材料是的材料是40钢。钢。（2）试验设计）试验设计 超声挤压强化加工参数主要包括挤压量超声挤压强化加工参数主要包括挤压量P、转速、转速v、进给量、进给量f、工具头顶部球面半径、工具头顶部球面半径r、超声频率以及换能器的振幅等、超声频率以及换能器的振幅等等。各个参数对超声强化的结果都有不同程度的影响，而等。各个参数对超声强化的结果都有不同程度的影响，而且它们之间
12、的关系比较复杂，这里我们只对其中的挤压量且它们之间的关系比较复杂，这里我们只对其中的挤压量P、转速、转速v、进给量、进给量f进行试验研究，其余的均取定值。工进行试验研究，其余的均取定值。工具头选用半径具头选用半径R=5mm的超硬合金的超硬合金材料材料三、强化系统的试验研究试试件件不不变变量量变变量量试件1保持转速n及进给量f不变挤压量P改变/mn=570r/min,f=0.2mm/r80130180230试件2保持转速n及挤压量P不变进给量f改变/mm/rn=570r/min,P=130m0.10.20.30.5试件3保持进给量f及挤压量P不变转速n改变/r/minf=0.2mm/r,P=13
13、0m290410570820超声挤压强化加工参数超声挤压强化加工参数三、强化系统的试验研究u3、实验结果、实验结果40钢超声强化样件钢超声强化样件的的加工后加工后粗糙度测量及结果分析 针触法测量表面粗糙度及轮廓形状。针尖曲率半径为2m左右的天然金刚石触针沿被测表面缓慢滑行，测出工件表面的粗糙度值。评定长度为2.5mm 4，探头压入深度为16m+0.05时代时代TR300高精度表面粗糙度形状测量仪高精度表面粗糙度形状测量仪挤压量对工件粗糙度的影响(转速570r/min，进给量0.2mm/r)-500501001502002500.51.01.52.02.53.03.5-5005010015020
14、02500.51.01.52.02.53.03.5表面 粗糙度/m挤压量/m1.5340.8621.2241.1213.256 未经超声强化处理的工件表面粗糙度为3.256m，是由工件表面的峰谷高度差较大引起，粗糙的工件表面易造成应力集中，影响工件的疲劳强度。经过超声强化处理后，所实验的4个不同挤压量获取的表面粗糙度都在1m左右，粗糙度明显降低，有效改善了工件的表面特征。进给量对工件粗糙度的影响(转速570r/min，挤压量130m)0.00.10.20.30.40.50.60.51.01.52.02.53.03.50.00.10.20.30.40.50.60.51.01.52.02.53.0
15、3.5表面 粗糙度/m进 给量/mm/r1.3710.7760.9821.2983.256 超声挤压强化前工件表面粗糙度为3.256m，超声强化处理后，取值不同的进给量获取的表面粗糙度都在1m左右，特别当进给量为0.3mm/r时，粗糙度最小Ra=0.776m。转速对工件粗糙度的影响(挤压量130m，进给量0.2mm/r)02004006008000.51.01.52.02.53.03.502004006008000.51.01.52.02.53.03.51.5430.9561.0360.882表面 粗糙度/m转速/r/min3.256 强化处理后的表面粗糙度明显降低，实验下取值不同的转速所得到
16、的表面粗糙度都在1m左右。粗糙度随着转速的增大先减小后增大，当转速为570r/min时，粗糙度最小0.882m。硬度测量及结果分析转速以及进给量相同，挤压量不同试件段处的里氏硬度值使用时代THL120里氏硬度计，对每一段测试五次，取其平均值转速以及挤压量相同，进给量不同试件段处的里氏硬度值硬度测量及结果分析u挤压量以及进给量相同，转速不同试件段处的里氏硬度值硬度变化趋势图050100150200250440460480500520540050100150200250硬度HL挤压量/m0.00.10.20.30.40.50.64404454504554604654704754800.00.10.20.30.40.50.6440445450455460465470475480硬度HL进 给 量/mm/r02004006008004404504604704804905000200400600800440450460470480490500硬度HL转速/r/min进给量变化图挤压量变化进给量变化经超声强化后的硬度值比未超声处的硬度值提高了很多，在2.16%至21.10%之间。当保持转速与进给量不变时，随着挤压量的增大，硬度值先增大后减小，当挤压量为180m时，硬度值最大。LOGO
