大输出端面复合型变幅杆在超声喷丸中的实验研究

摘要

机械零件在预定的时间内和规定的条件下，不能完成正常的功能，称为失效。机械零件的失效形式主要有断裂、过大的残余应变、表面磨损、腐蚀、零件表面的接触疲劳和共振等。喷丸强化技术是提高机械零部件的疲劳强度的一种重要方法，这种方法近几年来在航空、造船、常规兵器等部门得到了迅速的推广和使用。
　　 喷丸强化不仅能显著地提高零件的疲劳强度，而且还能提高零件的抗应力腐蚀能力。喷丸强化除了显著提高零件的上述性能之外，对其抗拉强度(σb)、屈服强度(σs)、冲击强度(αk)、塑性(δ)等基本上无明显的影响。此外，喷丸强化工艺还有其成本低廉和生产率高的优点。
　　 超声喷丸作为一种新的表面强化方法，具有比传统喷丸更加显著的优势，它可以获得比传统喷丸更大的硬化层深度和更大的压应力值，同时表面粗糙度良好，具有潜在的应用前景。
　　 对于目前的超声喷丸加工过程，级联式变幅杆的应用极大地提高了弹丸的喷射速度，满足了破坏受喷件安定性的要求；然而此时输出端的端面面积又成为制约喷丸效率的主要因素。因此，在满足大振幅的前提下，为了增加输出端的端面面积，提高喷丸效率，本文设计出一种新型大输出端面级联式变幅杆，得到了它的各项性能参数，并用ANSYS软件对其进行了有限元模拟仿真分析。此外，为了验证超声喷丸强化能力，根据设计参数加工出实验用复合型变幅杆，并进行了喷丸强化实验。主要研究内容有：
　　 1、通过对超声变幅杆的原理和设计进行深入的分析研究，根据实际要求，在满足大输出端面面积和较大放大比的前提下，选定变幅杆输入端和输出端的面积，设计出了一种新型大输出端面级联式复合型变幅杆。
　　 2、运用大型通用有限元分析软件ANSYS进行设计参数的修正，并对最终设计好的变幅杆进行模拟仿真分析，得出复合型变幅杆的各项性能参数，与理论计算结果进行对比分析，得出结论十分相近。
　　 3、根据修正后的设计参数，加工制造出实验设备用矩形截面复合型变幅杆，并用PV70A型号阻抗分析仪对其进行固有频率的测量。由于实验条件的限制，仅在理论分析的基础上对矩形截面复合型变幅杆的放大比进行了探讨；将理论值与模拟仿真结果进行比较，得出设计的变幅杆能满足工程实际要求。
　　 4、选用不同种类的弹丸进行超声喷丸实验。在超声喷丸强化过程中，弹丸在振动工具头的带动下不断冲击安装在支架顶部螺杆上的压电式力传感器，随后，冲击力信号通过电荷放大器放大后传给示波器，在示波器上读出弹丸冲击力所对应的电压的峰值。
　　 5、计算喷丸工艺在不同工艺参数下得到的冲击力所对应的冲击应力的大小。通过对比分析冲击应力的变化情况，得出喷丸工艺参数对喷丸效果的影响。