超声波振动钻深孔的研究

在难加工的非金属材料和金属材料(耐蚀钢、钛合金和热强合金)上加工小径孔(Ｄ=2～8ｍｍ),甚为困难。超声波振动加工配备的是小尺寸超声波振动头和压电陶瓷换能器,以及能自动微调频率和调幅的晶体三极管发生器。图1为在铣床和钻床上利用ｆ=20～22ｋＨｚ、功率250Ｗ的超声波振动发生器钻孔的示意图。图1　超声波振动发生器钻孔示意图1.固定壳体的夹紧部件　2.机床主轴3.压电陶瓷换能器　4.工具采用超声波振动钻孔时,效果最好的是在非金属材料———石英玻璃、花岗岩、硅微晶玻璃、陶瓷、碳-碳复合材料上用管形金刚石钻头加工小径深孔(长度ｈ≤…     

旋转超声磨削氧化锆陶瓷孔的质量控制研究

目的 确定在旋转超声磨削加工下使氧化锆陶瓷出孔端面崩边面积最小时的最优磨削参数,并证明在工件底部加辅助支撑抑制崩边策略的合理性,为实际生产提供理论指导.方法 以出孔端面崩边面积与加工后理想孔面积之比Hd值作为出孔质量评价指标.首先对氧化锆陶瓷进行孔磨削正交实验,实验设置为三因素四水平,因素分别为主轴转速、进给速度及超声波振幅,得到各因素对Hd值的影响趋势及初步预测最优磨削参数组合;其次利用单因素实验,进一步分析各因素对Hd值的影响及确定最优的磨削参数范围;最后通过在工件底部加辅助支撑来进一步降低Hd值.结果 通过实验得到最优的加工参数范围,主轴转速为15000～17000 r/min,进给速度为0.5～0.6 mm/min,超声波振幅为6～8μm时,可将Hd值控制在3.308×10-3以内.采用辅助支撑后,Hd值最多可再降低11.83％.结论 旋转超声磨削加工下,氧化锆陶瓷出孔Hd值随主轴转速、进给速度和超声波振幅的增加呈先减小、后增大的趋势,在保证进给速度最优时,适当提高主轴转速及超声波振幅有助于提高出孔表面质量,并可提高加工效率.采用在工件下方加辅助支撑的策略,能有效降低出孔端面崩边面积,并从理论和实验上证明其可行性.     

基于KRG代理模型的超声悬浮夹具设计

在超精密制造领域,如晶圆、硅片的制造与运输,需要在非接触、超净化条件下进行。为提高非接触式夹具的夹持稳定性,分析了无侧向约束力的超声悬浮夹具存在的不足,设计了一种有侧向约束力的新型超声悬浮夹具。基于KRG代理模型技术,建立了新型超声悬浮夹具的设计模型,并用遗传算法优化了新型超声悬浮夹具的结构参数。为验证新型超声悬浮夹具非接触夹持效果,运用工业视觉测量技术,搭建了试验平台。试验结果表明,新型超声悬浮夹具能够稳定夹持工件。     

超声红外热像技术仿真模拟的电-力类比激励方法

针对超声换能器与含裂纹平板试件的有限元建模过程中,使用位移激励代替超声换能器时,模型中因缺少接触碰撞过程而造成较大误差的问题,采用电-力类比的激励方法,建立了超声换能器与含裂纹平板的系统有限元模型,同时对比位移激励下含裂纹平板模型,系统深入地分析了不同激励下裂纹生热和平板振动的特性。仿真与试验结果不仅表明了换能器与含裂纹平板模型更加接近真实模型,而且验证了电-力类比激励方法的有效性和可行性。超声激励方式的探索将有助于建立更加接近实际的有限元模型,为裂纹生热机理分析提供理论支撑。     

热辅助超声波增材制造设备设计与分析

超声波增材制造技术在功能、复合材料的快速制备领域应用广泛,为克服现有超声波增材制造设备功率的限制,提出了一种大功率热辅助超声波增量制造设备,并采用COMSOL5.0有限元模拟软件对超声波振动系统进行辅助设计.该设备由超声波振动系统、压力机构、支撑行走机构、加热模块构成,焊接压头采用两侧对称结构,采用双换能器串联推-挽技术,显著增加超声焊接功率.并通过辅助加热模块提供额外的热量输入,提高被焊金属温度.并进行多层铜箔的超声波增量滚压焊接试验测试.结果表明,该热辅助超声波增材制造设备的焊接性能和焊接质量良好.     

Al-Ti熔体中C粉末的超声悬浮与TiC反应

设计了一种电致伸缩式单轴超声悬浮反应系统，在Al-Ti熔体中形成超声驻波，使C粉末悬浮在合金熔体中进行TiC合成反应，以制备Al-3Ti-0．15C晶粒细化剂。通过组织观察和声压分析，研究了C粉末的悬浮情况、合金的组织形态及其形成机制。结果表明：只有在声辐射功率较小的时候，超声波在辐射块与反射板间的熔体中形成声压节点，在声压梯度作用下，使C和TiAl3能稳定地悬浮在声压节点处，而声功率较大时，驻波的二次谐波增加，声压节点消失，C粉末的稳定性破坏；C粉末的反应过程为：超声的空化效应使TiAl3溶解形成活性Ti，并通过Ti、C发生合成反应形成TiC相，同时，对TiC粒子具有热激活作用。     

超声波探伤换能器及其性能要求

本刊1995年第1期刊出了“超声波探伤换能器的重要性”一文,目的是想唤起超声波换能器生产厂商及超声波探伤人员的重视,以促进国产超声波探伤换能器质量的提高。文章发表后,引起了不少从事超声探伤工作者的注意,但由于条件的限制,国内不少生产厂对如何改进和提高换能器的性能指标,缺少必要的措施,为此,想再就探伤用换能器性能指标要求提出具体意见,以引起生产者和使用者的重视。 1 超声波的发射和接收 目前用于超声波探伤的换能器,大都利用压电材料所具有的压电效应,以产生和接收超声波,通称为压电超声换能器。 压电材料具有外部加机械压力,使之变形,其表面即产生电荷的效应,这是1880年居里兄弟所发现,随后于1881年又发现了在压电材料两极间加以电压就产生变形的现象。前者称为压电效应,后者称     

电磁声换能器的设计与应用

常规超声波检测所用的换能器是通过电能与机械能相互转化的压电换能器。介绍几种从产生不同形式波型的角度出发设计出的电磁声换能器，它是一种通过电磁耦合方式产生和接收超声波的挟能器。     

采用标准棒扣除换能器t0产生误差的成因

混凝土超声波换能器的t0读数通常采用标准棒的方式测量和扣除。揭示了按照检测规范要求,取超声首波波幅为＂等幅读数＂时,由于检测人员思维的习惯性,机械教条地运用该操作方法,产生了t0读数误差的原因,这将造成混凝土声速计算错误的不良结果。提出了运用标准棒扣除换能器t0读数时的正确操作方法。     

确定电磁超声换能器钢管检测最佳磁化强度的试验研究

由于电磁超声换能器检测钢管缺陷时,其磁场强度影响超声波幅值,进而影响检测灵敏度。为此设计了确定最佳磁化强度的试验方案,通过试验得到超声波幅值随电磁场激励电流的变化曲线。确定了最佳磁化强度时的激励电流。     

热超声键合压电换能器的动力学特性

基于有限元方法和试验测试,研究了芯片封装用压电超声换能器的动力学特忡。借助ANSYS压电耦合和非线性接触分析功能,对换能器自由和约束状态下的振动特性进行了分析。探讨了超声能量在空间域、时域和频域的传递规律。由模态分析得到换能器的振动形式,通过谐响应分析提取其在正弦电压激励下的振动信息,经瞬态分析获得换能器的瞬态响应。结果表明,螺栓径向尺寸和预紧力影响换能器的模态分布和动态特性,压电晶堆加载电压的频率影响超声能量传递特性。通过键合试验考察了焊点质量与螺栓径向尺寸的关系。分析和试验结果为换能器设计和键合工艺优化提供了指导。     

45钢超声振动钻削加工机理及其试验研究

通过超声振动加工技术对45钢进行钻削加工试验,研究超声振动加工技术的钻削机理、加工孔的表面微观形貌、切屑形态,以及超声振幅和主轴转速对加工孔表面粗糙度的影响规律。结果表明:在普通车床CA6140上利用超声振动发生器、换能器、变幅杆连接钻头对45钢进行钻削,可实现传统钻削加工与超声振动钻削加工的良好结合,有效改善孔内表面的形貌,降低表面粗糙度值,且切屑形态规整;同时,超声振幅控制在20μm最佳,主轴转速在320~400 r/min范围内的加工效果较好。     

小型方柱压电陶瓷电机的设计及性能

设计了一种小型方柱弯曲旋转压电超声电机,即摇头式压电陶瓷超声电机.该电机采用带圆孔的金属方柱作为电机的定子部分,并在方柱的4个垂直表面分别粘贴沿厚度方向极化的压电陶瓷片,其外形尺寸小于6 mm×6 mm×10 mm.利用有限元分析软件ANSYS对电机的工作模态进行了模拟计算,得到金属方柱定子的一阶弯曲振动频率为125.5 kHz;并对其工作状态进行了谐响应分析,得到X(Y)向、Z向振幅,由此计算得到定、转子之间的最优接触角,约为24.5°.采用激光多普勒测振仪(Polytec 300-F)测量了电机的振动谱特性,测得一阶弯曲振动发生在129.6 kHz处,并观察到两个节面位于全长的1/4及3/4处,实验与有限元仿真结果基本一致.讨论了不同厚度陶瓷片及金属方柱圆孔孔径大小对电机输出特性的影响,确立了小型方柱电机的尺寸设计标准.     

微细超声辅助高速微槽铣削加工工艺研究

为了提高6061铝合金板微铣削槽加工质量,搭建一种轴向超声振动辅助高速微槽铣削实验装置。设计单因素实验探究主轴转速、超声功率、进给率三个因素对微槽顺铣侧毛刺长度和底面粗糙度的影响规律。制定正交实验寻求主轴转速、超声功率、进给率三个因素的共同作用对微槽底面粗糙度的影响效应,做显著性检验,寻找最优水平组合。实验结果表明:单因素实验中,相对高的主轴转速、适中的进给率、适中的超声功率铣削出的微槽顺铣侧毛刺较少、毛刺长度较短,相对低的转速、相对小的进给率、适中的超声功率铣削出的微槽底面粗糙度较小。正交实验中,主轴转速和超声功率值的变化对微槽底面粗糙度影响显著,通过正交分析与方差分析,最终确定出最优水平组合。     

永磁同步电主轴电机电磁与控制策略仿真分析

以一种新型卧式永磁同步动静压电主轴为研究对象,对电主轴电机进行电磁及控制策略设计与分析。对电机的主要尺寸和转子、定子等结构的电磁参数进行数值计算,利用ANSYS Maxwell软件对电机进行有限元仿真。针对电机结构特点,设计滑模转速控制/前馈解耦内模-PI电流控制的控制策略。利用MATLAB/Simulink软件搭建永磁同步电机控制系统仿真模型,并进行仿真分析。仿真结果验证了该设计方案的可行性,为电主轴电机及其控制系统的研制提供参考。     

夹心式换能器设计中节面位置的选择与分析

夹心式压电换能器是功率超声加工系统的重要组成部分,在其设计过程中,不同的节面位置选择会对换能器的尺寸和性能参数产生不同的影响,同时,对整个功率加工系统也产生影响.针对3种节面位置进行分析,得出其在换能器尺寸、前后振速比和有效机电耦合系数方面的3种特殊位置公式,并进行对比分析,为换能器设计初期进行节面位置选择提供了一定的依据.     

超声焊接压电换能器的研制

基于变截面杆作一维纵向振动运动方程,在理论分析的基础上,根据四端网络传递方程和端面运动状态推导出了常用截面形状细杆在各种运动状态下边界条件和四端网络传递矩阵参数以及频率方程.研究了适用于超声焊接的压电换能器的设计方法.为说明设计方法,利用四端网络法对压电换能器和变幅杆进行了设计.利用阻抗分析仪测量和分析了超声换能系统的谐振特性,并进行了系统的振动测试.分析和测试结果验证了设计的正确性.     

基于模态解耦-状态反馈控制的磁悬浮铣削系统稳定性研究

铣削加工效率和加工精度的提高,必然要求铣床加工速度的提高。随着磁悬浮技术的发展,高速磁悬浮电主轴已成为铣床的关键部件。然而磁悬浮电主轴转子系统在高速运行时存在较强的陀螺耦合效应,其过强的耦合效应使得高速铣削的稳定性区域变窄,甚至使铣削系统失稳。为此,提出基于PD控制器的模态解耦-状态反馈的控制方法。通过该方法对转子系统的平动模态和转动模态之间的耦合以及2个方向上转动模态之间的耦合进行解耦,独立调节各个模态控制器的比例和阻尼系数来降低陀螺耦合效应对磁悬浮铣削系统稳定性区域的影响,从而增大铣削的稳定性区域。通过仿真研究基于PD控制器的模态解耦-状态反馈控制前后陀螺耦合效应对铣削稳定性区域的影响。结果表明:通过基于PD控制器的模态解耦-状态反馈控制技术,不仅能够降低陀螺效应对铣削稳定型的影响,也能够改善铣削的稳定性区域。     

开关磁阻调速式车床主轴及其数控方法

介绍了开关磁阻调速式车床主轴的结构、机理及其数控方法.在分析目前车床主轴驱动情况的基础上,提出了用开关磁阻调速驱动车床主轴的机理,并进行了驱动系统结构设计和控制系统设计,同时设计了其数控方法.利用开关磁阻数字无级调速代替齿轮调速,用电机的制动反转功能代替离合器、制动器和机械换向机构.应用结果证明,开关磁阻调速式车床主轴具有无级调速范围宽、稳速精度高、加速减速时间短等优点,是一种简单易行、节能高效的车床主轴驱动方法,在机床领域有广阔的应用前景.     

在役石油平台用压力容器超声导波检测

超声换能器发射波在容器壁形成的超声导波可在涂层或其他覆盖物下沿容器壁传播,可以检测出容器腐蚀形成的缺陷及其内部缺陷,实现在役容器的快速检测。采用ISONIC2005超声检测系统,针对海洋石油钻井平台压力容器,利用模拟仿真和试验测试相结合方法,采用自行研制的超声导波换能器,制定相应的导波检测规范进行检测。检测结果表明,导波频率1.5 MHz,压电陶瓷晶片尺寸23 mm×28 mm,入射角为53°时,有效检测距探头1 000 mm处的6 mm×1.25 mm的平底孔信号,在实际在役石油平台容器检测中,探测距离长度不大于500 mm时,可以有效检测出带表面漆层和内部液体压力容器内外壁腐蚀类缺陷,超声导波检测结果与实际腐蚀减薄量相一致。