基于STM32的频率和功率可调非接触供电超声电源设计

为解决接触式供电中漏电、磨损、电能传输不良以及超声电源在加工中谐振频率漂移、跟踪速度慢、输出功率不稳定等问题,文章以STM32单片机作为主控系统,设计了一种频率和功率可调的非接触供电超声电源。根据采样反馈电路采集的电压电流相位差和有效值信号,采用锁相环和模糊比例积分(Proportional Integral,PI)控制相结合的方法对频率进行跟踪,并用传统PI控制法控制输出功率。在Matlab软件中搭建电源仿真模型,利用附加电阻、附加电感和附加电容模拟加工过程中负载参数的突变,对有频率调节和功率控制子系统以及没有子系统的电源模型分别进行仿真。仿真结果表明,电源输出功率稳定在248 W。当负载参数发生改变时,电源的谐振频率发生漂移,经过频率自动跟踪子系统的调节后,电源在0.01 s后重新回到谐振状态。此控制算法实现了频率快速跟踪和功率控制。

超声振动辅助研磨SiCp/Al材料去除特性的研究

SiCp/Al因具有高强度,低密度,高耐磨性等优点被应用在许多领域,如航空航天,汽车和电子领域等。但SiCp/Al是典型的难加工材料,在研磨过程中极易造成表面损伤,从而影响工件的表面精度和材料去除率。基于金属基复合材料的研磨去除机理,建立有限元仿真模型。仿真模拟超声去除SiCp/Al的表面损伤形式、颗粒的破碎方式与材料去除过程。通过超声振动辅助研磨SiCp/Al实验可知,超声振动能够有效降低表面粗糙度。材料去除率随主轴转速和研磨深度的增加而增大,随进给速度的增加而减小。

超声振动辅助车削SiCp/Al切屑形成机理及表面粗糙度研究

目的研究切屑形成机理对加工过程的影响。方法超声振动辅助车削技术通过刀具振动的拟间歇切削特征控制切屑尺寸和切屑形态,从而提高了加工表面质量。针对SiCp/Al复合材料的切屑形成机理,探究常规车削和超声振动辅助车削的切屑形成过程。研究了颗粒分布对第一变形区变形阶段的影响,以及不同加工方式下切削参数对切屑形态的影响。最后,描述了切屑自由表面和刀-屑接触界面的颗粒损伤形式,以直观地描述常规车削与超声振动辅助车削SiCp/Al复合材料加工中切屑的形成过程。结果通过测试加工后工件表面形貌发现超声振动辅助车削的切屑更加连续、切屑尺寸较小的加工表面粗糙度更小,常规车削的表面粗糙度为0.805μm,超声振动辅助车削的表面粗糙度为0.404μm,超声振动辅助车削比常规车削的表面粗糙度降低了49.8%。结论与常规车削相比,超声振动辅助车削有利于减小切屑厚度。超声振动辅助车削得到的切屑更加连续,避免了切屑碎裂,促进了切屑的顺利排出。通过对切屑形态进行研究,选择最优切削参数可以有效提高工件表面质量。

超声滚压对激光选区熔化铝锂合金残余应力的影响模拟研究

研究了铝锂合金试样激光选区熔化残余应力分布以及超声滚压对其应力场的影响。先后建立了单道扫描模型、试样模型以及超声滚压模型;分析了单道扫描模型的温度历史,并将此温度历史扩展至试样的沉积层,最终通过热力耦合与显示动力学分析获得激光选区熔化和超声滚压后的残余应力分布。结果表明,激光选区熔化试样顶部与四周出现了较大的残余拉应力;在超声滚压作用下,试样表层产生了高频振荡的应力场,并产生了较大的瞬时应力;试样表面残余拉应力转化为压应力,随着深度增加,残余压应力先增大后逐渐减小并逐渐转变为拉应力,最终恢复至激光选区熔化后的应力状态;模拟预测的结果与试验结果吻合较好,具有合理的精度。

空化超声滚压对7075铝合金表面质量的影响

目的 为了研究超声滚压加工过程中空化效应对零件表面质量的影响,方法 以车削后的7075-T6铝合金为加工对象,进行空化超声滚压和普通超声滚压工艺对比试验,使用表面粗糙度仪测量加工后的工件表面粗糙度,采用显微硬度计测量工件表面显微硬度,并用超景深测量仪测量工件表面微观形貌。结果 结果表明,普通超声滚压和空化超声滚压均能降低滚压加工后的工件表面粗糙度,增大表面显微硬度。随着静压力增大,两种超声滚压加工方式获得的表面粗糙度均呈逐渐降低趋势,而表面显微硬度均呈逐渐增大趋势。超声滚压加工通过削峰填谷作用使工件表面变光滑。相对于普通超声滚压,空化超声滚压的空化效应引起的冲击波和微射流可以进一步促进材料表层的塑性流动,使工件表面经空化超声滚压加工后能获得更低的表面粗糙度和更高的显微硬度,更加平整。在本文试验条件下,空化超声滚压加工后的表面粗糙度最低可达0.038μm,表面显微硬度最高可达210.07 HV0.1。相同静压力下,空化超声滚压加工相较于普通超声滚压加工,表面粗糙度最大可降低42.2%,表面显微硬度最大可提升2.6%。结论 试验证实了在超声滚压加工过程中引入空化效应可进一步提高工件表面强化质量。

超声辅助铣削钛合金工艺研究

由于钛合金的可加工性较差,采用传统机械加工技术难以实现高精度加工。超声加工通过对工具头施加振动来改善加工效果,将其引入钛合金加工可提高钛合金的加工性能。为提高钛合金的加工性能,分别以侧面铣削和端面铣削两种形式开展了超声辅助铣削钛合金工艺试验,探究了不同切削参数与切削形式的旋转超声加工对钛合金铣削加工的影响,并测量加工过程的切削力、加工后的工件表面粗糙度及其表面微观结构。结果表明:在侧面铣削时,超声辅助可减少加工过程中的振动、降低切削力及提高工件表面质量;在端面铣削时,超声辅助会降低加工过程的切削力,但在加工中由于超声振动作用于工件表面形成了微织构,虽然提高了工件表面形貌的均匀性,却也增大了工件的表面粗糙度值。

超声能场在金属增材制造组织性能调控中的应用

针对金属增材制造构件存在微观组织缺陷、残余应力及各向异性等问题,各种组织性能调控技术应运而生。结合近年来超声能场对增材制造组织性能调控的研究工作,详细分析了超声能场在增材制造过程中的“液-固”双重效应,总结了超声能场对增材制造金属材料的显微组织及其表面粗糙度、显微硬度、残余应力、耐腐蚀等性能的影响。研究表明,超声能场使材料内部组织晶粒显著细化、孔隙率降低、耐腐蚀性能提高;同时使增材制造构件显微硬度升高,应力状态向有利于构件性能的残余压应力转变。

大振幅超声振动辅助高速干切装置设计开发与性能测试

超声换能器是超声振动辅助切削装置的核心部件,为研制适用于高速干切的大振幅超声振动辅助切削装置,需先设计研制超声换能器。基于考虑刀具的二级放大超声换能器设计方法,遵循“变幅杆-超声换能器”一体式设计理念,结合ANSYS有限元软件的模态分析和谐响应分析结果,设计并研制了二级放大超声换能器。根据研制的二级放大超声换能器特性,系统设计并研制与其相匹配的超声波发生器、止转环、输电系统和刀柄壳结构。对二级放大超声换能器进行了阻抗分析和振幅测量等性能测试。对所设计研制的大振幅超声振动辅助高速干切装置开展实验测试分析,探究了其对难加工材料30CrMnSiNi2A加工表面质量的改善程度。结果表明:二级放大超声换能器纵向振动仿真结果与理论设计一致,二级放大超声换能器输出振幅稳定,在50%输出功率下纵振振幅为15.4μm,最大可达25.1μm,且输出振幅与功率百分比呈正相关,性能良好;所研制的大振幅超声振动辅助切削装置可大幅降低进给方向切削力和表面粗糙度,显著提高难加工材料加工表面质量,适用于难加工材料高速干切。

差温异步轧制镁铝复合板界面结合性能的研究

目的解决镁铝复合板制备过程中工艺复杂、镁铝变形不协调、复合板界面强韧性差等技术瓶颈问题。方法利用ABAQUS软件对差温异步轧制下的镁铝复合板的变形行为进行模拟分析,结合微观表征探讨不同压下率及层厚比对镁铝复合板界面微观结构及性能变化的影响。结果沿厚度方向上,差温异步轧制变形区的温度呈梯度分布,上表面、复合界面和下表面的温度依次递减。随着压下率的增大,界面温度增长幅度也变大,复合效果增强。在压下率为60%时,层厚比为4.5∶1.5的镁铝复合板显示出最优的力学性能。在差温异步轧制下,随着压下率的提高,镁铝复合板在各个层厚比下的抗拉强度以及延伸率均得到提升;压下率越大,板材结合性能越好。结论差温异步轧制工艺通过引入温度梯度及强剪切变形可以细化界面晶粒,增强界面结合性能,可为高质量镁铝复合板的制备及工艺参数优化提供有力的参考依据。

超磁致伸缩旋转超声加工系统研究进展

旋转超声加工是集传统旋转机加工方式和超声振动于一体的新型特种加工方法,在加工硬脆材料时具有切削力小、切削效率高、工件表面质量高、刀具寿命增长等优势。超磁致伸缩旋转超声加工系统具有相同功率条件下伸缩系数大、能量密度高等优点,在大功率、大振幅研究方面的前景广阔,是目前广受关注的一种新型旋转超声系统。因此,总结了超磁致伸缩旋转超声加工系统的核心功能部件和关键设计技术,综述了当下的超磁致伸缩旋转超声加工系统振幅控制研究现状,并展望其未来发展趋势。

基于DSP的恒流超声电源谐振频率自动识别技术研究

针对换能器在加工过程中因温度升高与负载变化导致的谐振频率偏移问题,采用最小阻抗法与相位差控制法相结合的谐振频率识别策略,利用基于DSP控制的恒流超声电源样机测试了电源谐振频率识别的精确性与一致性。结果表明超声电源识别出的换能器谐振频率与阻抗分析仪测得的谐振频率最大差值为25 Hz、误差小于0.1%;激光测振仪测得振幅最大时的谐振频率与超声电源识别的谐振频率最大相差24 Hz;使用超声电源多次测试三种负载下的换能器,相同负载下识别出的换能器谐振频率波动范围在15 Hz以内。

基于GA-SVM的超声切削力预测模型研究

Nomex蜂窝材料是难加工材料,选择合适的加工方法和加工参数对于控制切削力和提高加工质量非常重要,开展了超声辅助切削Nomex蜂窝材料的三维有限元仿真,对前期的超声切削Nomex蜂窝材料加工试验进行分析,针对影响切削力的加工参数设计正交试验,构建基于支持向量机(SVM)的超声切割切削力预测模型,提出一种遗传算法(GA)优化参数方法,设定该模型的最终真实值与预测值的相对误差在0~3.55%范围内且R^(2)=0.9966,选取4组不同于正交试验表的加工参数进行验证。结果表明,该方法有效可行,对选择合适的加工参数、减小切削力具有积极意义。

微磨粒对超声空化冲击波衰减作用研究

目的研究超声加工过程中微磨粒对冲击波的影响。方法建立功率超声振动加工下的空化泡动力学方程,以及空化泡溃灭产生冲击波的数学模型,进而建立冲击波在微磨粒与水混合介质中的传播模型。使用六阶Runge-Kutta方法对数学模型进行求解,得到空化泡半径随时间的变化规律,以及空泡内部压强随空化泡半径变化的规律。结果当空泡半径被压缩至1μm左右时,空泡内部压强可达1000 MPa。通过对距离空泡壁1.5R_(0)处的冲击波压力进行求解发现,冲击波的压力仅需0.07μs就可从初始的1000 MPa迅速衰减至80 MPa。通过比较纯水介质与混合介质(SiO_(2)微磨粒与水)中冲击波传播速度的结果发现,加入SiO_(2)微磨粒会使冲击波的最大速度由2976 m/s降至2681 m/s,降低率约为10%。通过钛钽合金的功率超声振动加工实验验证了数值结果。对比分析了加入SiO_(2)微磨粒前后钛钽合金表面结构和三维表面形貌,发现微磨粒的加入导致材料表面空化坑的投影面积下降了12.5%。结论证实微磨粒对冲击波的传播起到了明显的衰减作用,是对材料表面产生作用的主要因素。该研究在超声加工领域具有理论意义和工程价值。

42CrMo钢超声滚压残余应力仿真分析

为研究超声滚压工艺参数对42CrMo钢残余应力分布的影响规律,采用ABAQUS软件对超声滚压加工过程进行仿真模拟,通过单因子试验获得42CrMo钢在不同工艺参数下的残余应力分布,进行超声滚压加工试验验证仿真模型。结果表明:随着静压力和振幅的增大,残余应力逐渐增大;随着转速的增加,残余应力出现先增大后减小的趋势;随着进给速度的增大,残余应力逐渐减小。超声滚压加工后42CrMo钢残余应力的仿真值与试验值变化趋势相同,误差较小,证明了所建模型的准确性。

基于预制孔的SiCf/SiC复合材料微小孔超声振动辅助钻削加工研究

SiCf/SiC复合材料是典型的硬脆性难加工材料。为解决SiCf/SiC复合材料微小孔(<1 mm)加工难题,提高加工精度和改善加工质量,先采用脉冲激光预制SiCf/SiC微小孔,再在不同预制孔尺寸和加工参数下开展直径0.5 mm的SiCf/SiC微小孔超声振动辅助钻削加工试验,最终确定了合适的激光预制孔尺寸及超声振动辅助钻削加工参数域。结果表明:脉冲激光预制孔时存在的较大热影响区和微裂纹等缺陷,会明显影响后续超声辅助钻削微小孔的入、出口质量,推荐的预制孔直径为0.3 mm;超声振动辅助钻削加工时,选择主轴转速为11000~15000 r/min、进给速度为2~10mm/min,可获得加工质量较好的SiCf/SiC微小孔。

9Cr18轴承钢超声振动光整加工性能试验研究

针对飞机典型难加工材料9Cr18轴承钢试样实施超声振动光整加工,通过开展表面残余应力、显微硬度、室温拉伸性能、疲劳性能、显微组织测试,探究超声振动光整加工对飞机典型难加工材料切削性能和结构疲劳寿命的影响,进而为满足新一代飞机对机体结构提出的长寿命的设计指标提供了新的制备工艺方案。

超声滚压强化对残余应力影响的研究进展

超声滚压强化是一种可控性强的新型表面改性技术。文章首先概括了超声滚压强化对金属表面改性的机理,从微观层面分析滚压过程中发生的应变强化、细晶强化和位错强化对材料性能的影响。在此基础上揭示了静压力、强化振幅、滚压次数和进给速度等超声滚压工艺参数对残余应力影响的重要性,并综述喷丸-超声滚压、激光冲击-超声滚压、热场-超声滚压、电脉冲-超声滚压四种复合技术对残余应力的调控作用。最后对超声滚压技术调控残余应力的研究现状及发展前景做出总结和展望。

夹心式超声波换能器研究及设计

针对工业生产中存在的结垢问题,基于超声波除垢的方法技术,对用于除垢的压电陶瓷换能器和变幅器进行研究,设计了一种夹心式压电陶瓷换能器,将变幅器输出端设计为矩形,并对其进行ANSYS仿真和模态分析。结果表明,仿真结果与设计目标误差小于3%,工作过程中最大应力和输出振幅满足实际使用需求,为超声波除垢工作在复杂环境的固定和能量传输提供了一种新的设计方法。

超声波辅助加工技术应用综述

材料加工历史悠久,目前呈现出精益、高效、高质量、绿色环保的发展趋势。其中,超声波辅助加工技术在优化材料性能、提升表面质量和结构精准控制等方面,起到有益的作用。从超声波辅助加工角度探讨了超声波辅助焊接、增材制造、激光熔覆、先进材料制备、残余应力检测及去除等不同场景中的应用,并总结了超声波辅助加工的技术特点及发展趋势。

超声滚压工艺对镍基单晶高温合金DD6表面完整性和疲劳寿命的影响

目的 改善长期服役于高温高压环境的镍基单晶高温合金DD6材料的表面完整性,提高其使用寿命。方法 采用超声滚压表面强化工艺(UltrasonicRollingProcess,USRP)对镍基单晶高温合金DD6试样进行表面强化,用正交试验法对三因素三水平的试样组进行试验,使用三维形貌仪、显微硬度仪、XRD射线衍射仪和MTS万能疲劳试验机探究静压力、进给速度和加工遍数等超声滚压参数对镍基单晶合金表面完整性和疲劳寿命的影响规律。结果 对于镍基单晶材料,超声滚压强化工艺能有效降低其表面粗糙度,提高表面显微硬度,并在材料内部引入一定的残余应力,并提升疲劳寿命。经USRP处理后,不同晶体取向的材料能够取得的最佳表面增益效果为,表面硬度从465HV提高到679.2HV,表面粗糙度从0.703μm降低至0.253μm,表面引入了约为782 MPa的残余压应力。不同晶向材料的疲劳寿命提升表现为,应力水平为742.4 MPa时,疲劳寿命提升1.3倍;应力水平为649.6MPa时,疲劳寿命提升1.5倍。结论 超声滚压工艺能够有效降低DD6材料的表面粗糙度、提高表面显微硬度,并在表面引入一定的残余应力,疲劳断裂模式主要为沿{110}面的滑移断裂。在低于742.4 MPa的应力加载时,超声滚压强化可以明显提高DD6材料在高温下的疲劳寿命。