铸造用超声换能系统阻抗模型研究及超声波电源的设计

摘要

目前国外在高性能铝合金上对我国进行技术封锁,为了不受制于人,我国必须具有自主制备大规格、高性能铝合金材料的能力。在铝合金的铸造过程中施加超声外场技术是改善其性能的一种重要手段。目前,由于换能系统受高温铝合金熔体的影响比较大,国内常规超声波电源不能正常工作,因此有必要自行设计超声波电源。为了给电源的设计提供谐振频率、阻抗等设计参数,本文研究以下几方面内容:
　　 1、通过基本的导热理论,基于Ansys仿真软件,建立了铸造过程中的超声换能系统导热模型,采用APDL语言对该模型施加载荷,获得了该系统的温度场分布情况。结果表明,换能系统工具头浸入720℃的铝合金熔体25mm后的20分钟内,工具杆前、后端的温升对材料的弹性模量的影响是需要重点考虑的。在与仿真条件相同的铝合金熔体中做了温度测量实验,实验结果与仿真结果较为接近。
　　 2、通过压电学的基本概念,利用压电陶瓷堆和等截面细杆的等效电路,结合已计算出的温度场,推导并建立了该系统在常温和上述工作条件下10分钟后的阻抗模型,将系统各部分的物性、尺寸等参数同其阻抗联系了起来。利用Matlab编写了阻抗分析程序,分析系统在上述两种不同条件下15～28KHz内的阻抗。结果表明,在两种条件下系统分别存在二阶、三阶纵向谐振频率。而且高温铝合金熔体使工具杆前端弹性模量降低较为明显,导致一阶纵向谐振频率显著降低,该谐振频率对应阻抗|Z|增加较为明显。应用Agilent4294A阻抗分析仪对系统做了阻抗分析实验和谐振频率测量实验,实验结果与仿真结果较为接近,获取了系统谐振频率随时间的变化范围。
　　 3、结合阻抗模型以及谐振频率测量实验,设计出了铸造用超声波电源,该超声波电源采用TMS320F2808作为控制核心,并采用交-直-交变频原理,通过匹配电路输出频率范围为10～22KHZ的高频电压来驱动换能系统。
　　 4、用新设计出的这台超声波电源做铸造试验,经过长时间的考验都稳定地工作,而且它具有频率调节范围宽,能适应多种规格换能器的优点。与原有的超声波电源相比,换能系统谐振工作时间大大延长,进而保证了铸造过程的顺利进行。