超声振动时效机理分析及实验研究

摘要

经过冷热加工的金属零件中很容易产生残余应力和残余变形。为了消除零件中的残余应力，目前主要利用自然时效、热时效来处理零件。但是，自然时效的处理周期长、零件的存放等也需要占用较大的面积并且这种方法不适应对零件进行大批量处理；而热时效则有能量消耗大、零件处理费用高、容易使零件氧化及因受热不均匀而产生裂纹，并且在冷却时易因温度控制不当而使零件产生新的应力，所以目前很多的机构都在研究振动时效。目前研究的振动时效主要是频率低于200Hz的低频振动，对于一些小型的结构件而言，其固有频率很高，当构件共振频率超出低频激振器的激振频率范围时，就无法对构件进行有效的振动时效处理。因此，本文致力于使用超声振动对小型结构件进行应力消除。
　　 本文共六章，主要内容如下：
　　 第一章介绍了振动时效的目的和意义以及国内外的研究状况，并针对现有的振动时效多是在低频范围内的振动，不能对固有频率较高的小型结构件进行处理的情况，提出使用超声振动时效的方法，并提出本课题的研究内容和方法。
　　 第二章介绍了残余应力的分类和产生原因，阐述了残余应力的影响和本质，对振动时效过程中材料内部的位错运动进行分析并由此解释其消除残余应力的原理，进行了实验可行性分析。
　　 第三章介绍了激振应力、激振频率、激振时间对振动效果的影响，分析了其参数值的选择原则，并介绍了超声振动时效效果的判定依据。
　　 第四章介绍了残余应力的基本测量原理及方法，并根据本课题所用的实验杆件对具体的测量方法作了相应改动，针对实验中的待测信号是很小的直流信号，而载波信号为一较高频率的交流信号的实际情况，提出并设计一个巴特沃斯有源低通滤波器以滤去这一载波信号、提高信噪比，对测量系统进行优化。
　　 第五章搭建了超声振动系统，并对杆件进行预处理及不同时间的超声振动时效处理，并用切缝法测量了应力释放时与应变对应的电压信号，对所得数据进行了分析。并在前述章节的基础上，对超声振动时效消除变长度杆件中的应力的可能性进行了理论分析。
　　 第六章对本课题在实验中所遇到的问题进行了总结，并根据遇到的问题给出了一些建议。