基于大振幅級聯(lián)式變幅桿超聲噴丸的實驗研究.pdf

1、許多高應(yīng)力的零部件比如火車輪軸、齒輪、航空以及汽車發(fā)動機用軸類零件等等，它們在工作時往往受到循環(huán)載荷的作用，在這種情況下，裂紋擴展速度非常快，迅速縮短了零件的壽命。其后果不僅造成財產(chǎn)損失還會導致人員傷亡，因此提高機械零部件的疲勞強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度，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電力、核工業(yè)等可靠性、安全性要求高的行業(yè)。噴丸強化工藝過程是通過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，同時產(chǎn)生表面晶粒細化、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)生的形變強化和組織強化可使零件維氏硬度提高，裂紋擴展阻力增加，使得裂紋擴展的速度大大減慢；此外，噴丸的強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，同時表面粗糙度也優(yōu)于傳統(tǒng)噴丸強化技術(shù)，超聲噴丸強化已經(jīng)被證明能有效地提高零件的疲勞極限。對于目前的超聲噴丸強化工藝過程，彈丸的速度還遠沒有達到能夠破壞受噴件安定性的程度，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)計一新型的大振幅變幅桿來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，但都不是最理想的。
　　 本文以提高變幅桿的振幅為出發(fā)點，應(yīng)用解析法設(shè)計一種新型的級聯(lián)式變幅桿，并通過有限元ANSYS軟件對其進行動力學分析，驗證設(shè)計所得變幅桿的可靠性；同時對其放大性能進行實驗驗證。此外，為驗證超聲噴丸強化能力，設(shè)計噴丸裝置并進行噴丸強化能力實驗。主要研究內(nèi)容有：
　　 1.對級聯(lián)式變幅桿進行理論探討，獲得級聯(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)級聯(lián)式變幅桿

5、的設(shè)計理論和單節(jié)變幅桿的性能特點，選定級聯(lián)式變幅桿的推動節(jié)和輸出節(jié)。
　　 2.首先，根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計單一變幅桿的理論依據(jù)和實際的實驗條件，設(shè)計符合噴丸實驗用的級聯(lián)式變幅桿，對其性能參數(shù)進行分析和理論計算。其次，根據(jù)振動理論和有限元方法，借助于有限元軟件分別對級聯(lián)式變幅桿和構(gòu)成其的兩單節(jié)變幅桿進行動力學分析，將所獲得的變幅桿各性能模態(tài)參數(shù)與理論計算結(jié)果比較，兩種方法所得結(jié)果很一致。
　　 3.加工制造所設(shè)計的級聯(lián)式變幅桿并對

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

7、室頂端安裝壓電式力傳感器，測量彈丸的沖擊力信號，之后進行沖擊力數(shù)據(jù)處理。結(jié)果顯示：鋼丸的材質(zhì)對沖擊力的影響最大；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)對沖擊力力影響不是很大。
　　 5.對不同工藝參數(shù)下彈丸沖擊力所產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力進行計算，分析各工藝參數(shù)對彈丸沖擊應(yīng)力的影響，進而分析各工藝參數(shù)對噴丸強化能力的影響。
　　 所得結(jié)論為：隨著高度的增加，彈丸的沖