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稀土超磁致伸缩超声振动强化系统的研制与试验研究

初永臣  
【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。


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