鑄造用超聲換能系統(tǒng)阻抗模型研究及超聲波電源的設計.pdf

1、目前國外在高性能鋁合金上對我國進行技術封鎖,為了不受制于人,我國必須具有自主制備大規(guī)格、高性能鋁合金材料的能力。在鋁合金的鑄造過程中施加超聲外場技術是改善其性能的一種重要手段。目前,由于換能系統(tǒng)受高溫鋁合金熔體的影響比較大,國內常規(guī)超聲波電源不能正常工作,因此有必要自行設計超聲波電源。為了給電源的設計提供諧振頻率、阻抗等設計參數(shù),本文研究以下幾方面內容:
　　 1、通過基本的導熱理論,基于Ansys仿真軟件,建立了鑄造過程中的超

2、聲換能系統(tǒng)導熱模型,采用APDL語言對該模型施加載荷,獲得了該系統(tǒng)的溫度場分布情況。結果表明,換能系統(tǒng)工具頭浸入720℃的鋁合金熔體25mm后的20分鐘內,工具桿前、后端的溫升對材料的彈性模量的影響是需要重點考慮的。在與仿真條件相同的鋁合金熔體中做了溫度測量實驗,實驗結果與仿真結果較為接近。
　　 2、通過壓電學的基本概念,利用壓電陶瓷堆和等截面細桿的等效電路,結合已計算出的溫度場,推導并建立了該系統(tǒng)在常溫和上述工作條件下10分

3、鐘后的阻抗模型,將系統(tǒng)各部分的物性、尺寸等參數(shù)同其阻抗聯(lián)系了起來。利用Matlab編寫了阻抗分析程序,分析系統(tǒng)在上述兩種不同條件下15～28KHz內的阻抗。結果表明,在兩種條件下系統(tǒng)分別存在二階、三階縱向諧振頻率。而且高溫鋁合金熔體使工具桿前端彈性模量降低較為明顯,導致一階縱向諧振頻率顯著降低,該諧振頻率對應阻抗|Z|增加較為明顯。應用Agilent4294A阻抗分析儀對系統(tǒng)做了阻抗分析實驗和諧振頻率測量實驗,實驗結果與仿真結果較為接近

4、,獲取了系統(tǒng)諧振頻率隨時間的變化范圍。
　　 3、結合阻抗模型以及諧振頻率測量實驗,設計出了鑄造用超聲波電源,該超聲波電源采用TMS320F2808作為控制核心,并采用交-直-交變頻原理,通過匹配電路輸出頻率范圍為10～22KHZ的高頻電壓來驅動換能系統(tǒng)。
　　 4、用新設計出的這臺超聲波電源做鑄造試驗,經(jīng)過長時間的考驗都穩(wěn)定地工作,而且它具有頻率調節(jié)范圍寬,能適應多種規(guī)格換能器的優(yōu)點。與原有的超聲波電源相比,換能系統(tǒng)諧