稀土超磁致伸缩超声振动强化系统的研制与试验研究

摘要

零件的表面质量对其疲劳寿命有极其重要的影响，生产中通常采用滚压、喷丸强化等光整工艺来提高工件表面质量。但由于其各自的工艺缺陷，常规光整方法对工件表面质量提高有限。采用超声挤压强化技术对高速列车车轴等零件进行表面强化具有较好的加工效果。但由于通常采用的压电换能器振幅小、功率低以及存在过热失效等问题，限制了该方法的进一步推广应用。
　　稀土超磁致伸缩材料(Terfenol-D)作为一种新型功能材料，具有能量密度高、输出振幅大、居里温度点高等特点，已经被应用到声呐及部分换能器的制造中。本文针对超声强化技术要求，设计了稀土超磁致伸缩换能器结构，并利用有限元法对换能器复合振子进行模态分析，得到其固有频率和模态图;对换能器的整体结构进行了有限元磁场分析，确认所设计结构与选材的合理性和有效性。随后，完成了稀土超磁致伸缩换能器的样机制造，选配了超声电源，并对其输出振幅进行测量分析，结果显示:激励波形为方波时，当工作频率为15KHz时输出振幅最大，可达12μm，比常用的压电换能器振幅2μm提高了五倍。
　　在上述工作的基础上，为所研制的稀土换能器选配了超声电源，设计并加工出用于超声强化的工具头，搭建了整套超声强化系统。基于此系统，对40钢进行超声强化试验研究，对比分析了超声振动挤压强化前后工件的表面粗糙度和硬度的变化。结果显示:超声强化后试件表面达到了镜面效果;在本文的试验条件下，粗糙度较前道工序下降了65％左右，表面硬度提高了20％左右。

目录

声明

致谢

摘要

1．引言

1．1 课题研究背景和意义

1．2 表面强化技术国内外研究现状

1．2．1 传统强化技术

1．2．2 超声强化技术

1．3 超声换能器国内外研究现状

1．4 本课题选题依据

1．5 本文的研究内容和总体框架

1．5．1 研究内容

1．5．2 总体框架

2．稀土超磁致伸缩换能器的设计

2．1 稀土超磁致伸缩材料特性

2．2 稀土超磁致伸缩换能器结构设计

2．2．1 设计要求

2．2．2 复合振子设计

2．2．3 磁路设计

2．2．4 冷却系统设计

2．2．5 预应力的设计

2．3 稀土换能器结构与选材

2．4 稀土超磁致伸缩换能器有限元分析

2．4．1 有限元软件介绍

2．4．2 复合振子的有限元振动模态分析

2．4．3 换能器的有限元磁场分析

2．5 本章小结

3．稀土超磁致伸缩换能器的实现与测试

3．1 稀土超磁致伸缩换能器的实现

3．1．1 换能器的组装

3．1．2 稀土超磁致伸缩振动强化系统电源选配

3．2 稀土超磁致伸缩换能器振幅的测量

3．3 本章小结

4．稀土超磁致伸缩强化系统的试验研究

4．1 稀土超磁致伸缩振动强化系统工具头的设计

4．2 超声强化系统的安装调试

4．3 稀土超磁致伸缩强化系统强化试验研究

4．3．1 试验材料选择及强化参数设定

4．3．2 粗糙度测量及结果分析

4．3．3 硬度测量及结果分析

4．4 本章小结

5．总结与展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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