應(yīng)用案例

　　實(shí)驗(yàn)名稱：振幅測(cè)試實(shí)驗(yàn)

　　研究方向：隨著科技的高速發(fā)展，航空宇航、國防、海洋工程、交通運(yùn)輸工程等高科技領(lǐng)域?qū)C(jī)械零部件的性能要求更高，不僅要求良好的光潔度以增加配合精度，追求良好的表面耐腐蝕性、耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，還要求較高的表面硬度。但是，機(jī)械零部件往往因?yàn)楸砻婢植科凇⒛p及腐蝕等造成過早失效。承受動(dòng)載荷的重要承力機(jī)械部件因磨損、腐蝕和疲勞等影響設(shè)備的使用壽命、造成設(shè)備損耗高，由此每年都造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因而研究高效率、低成本、易操作的增強(qiáng)機(jī)械零部件的表面耐腐蝕性、耐磨性以及抗疲勞強(qiáng)度的新技術(shù)，來確保機(jī)械設(shè)備的平穩(wěn)、安全、長(zhǎng)久運(yùn)行，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。

　　超聲加工技術(shù)逐步應(yīng)用于實(shí)際，其發(fā)展形勢(shì)越來越好，將超聲加工技術(shù)與表面強(qiáng)化技術(shù)相結(jié)合開發(fā)超聲表面強(qiáng)化技術(shù)，已成為表面強(qiáng)化技術(shù)研究的新領(lǐng)域。超聲表面強(qiáng)化技術(shù)有效的緩解機(jī)械零部件的磨損、腐蝕和疲勞等難題，在低強(qiáng)剛度零件和細(xì)長(zhǎng)軸的表面上取得顯著的應(yīng)用成果。超聲滾壓加工是將傳統(tǒng)滾壓與超聲高頻振動(dòng)相結(jié)合，在宏觀上工件和滾壓刀具是連續(xù)的滾壓，而在微觀上是間歇性的滾壓。滾壓過程中，滾壓刀具與工件是周期性的分離和接觸，因而滾壓變形區(qū)的摩擦力和塑性變形明顯減少，刀具的滾壓速度、滾壓進(jìn)給量和滾壓深度等因滾壓刀具與工件的周期性分離和接觸而發(fā)生周期性的變化，周期性變化引起滾壓力和滾壓溫度的降低，有效提高了刀具的使用壽命及零件表面加工質(zhì)量和精度的效果,如增加零部件的疲勞壽命、提高零部件的耐腐蝕性、改善零部件的耐磨性等。近年來，二維超聲振動(dòng)加工研究受到的重視程度越來越高，已經(jīng)開發(fā)出復(fù)合振動(dòng)加工模態(tài)的超聲加工技術(shù)。

　　超聲滾壓加工技術(shù)在航天航空、國防、車輛、電力等領(lǐng)域的零部件表面強(qiáng)化加工中具有廣闊的前景，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)金屬材料的塑性加工，并且可加工難加工成型的材料，操作簡(jiǎn)單，基本無切屑及冷卻液，可循環(huán)使用，低能耗，迎合綠色可持續(xù)發(fā)展的要求。因?yàn)闈L壓加工成本低廉和操作便捷，從而受到加工行業(yè)的青睞。但是，傳統(tǒng)滾壓加工在加工及應(yīng)用中也存在一些缺陷，例如，滾壓會(huì)在工件表面產(chǎn)生硬化層，以分層形式存在，所以工件表層容易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象；滾壓工藝并不完善，加工過程中易造成廢品。隨著超聲加工技術(shù)的發(fā)展，把超聲高頻振動(dòng)引入到滾壓加工中，能有效的克服傳統(tǒng)滾壓加工技術(shù)中存在的缺陷，將超聲橢圓振動(dòng)引入到傳統(tǒng)滾壓加工中，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金棒外圓表面的超聲滾壓加工。

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>對(duì)超聲振子的輸出端振幅進(jìn)行測(cè)試，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)做論證和鋪墊。

　　測(cè)試設(shè)備：功率放大器、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集卡、多普勒激光測(cè)振儀、激光頭、電腦、超聲振子等。

　　實(shí)驗(yàn)過程：超聲加工中，不同形式的加工對(duì)輸出端的振幅要求不同，輸出振幅是超聲加工系統(tǒng)的重要參數(shù)。本文針對(duì)超聲振子的輸出端振幅進(jìn)行測(cè)試，采用KEYSIGHT33500B信號(hào)發(fā)生器、安泰ATA-40525功率放大器、多普勒激光測(cè)振儀。信號(hào)發(fā)生器可以輸出低壓、頻率從DC到500KHz的信號(hào)，產(chǎn)生的信號(hào)需經(jīng)過功率放大器放大后加載到換能器上；功率放大器輸出的頻率范圍為DC～500KHz，輸出最高電壓為310Vpp；多普勒激光測(cè)振儀的He-Ne激光波長(zhǎng)為0～632nm，檢測(cè)距離為0.2～5m，頻率范圍為0.5Hz～2.5MHz。在實(shí)驗(yàn)過程中，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生振子頻率19.312KHz、電壓14Vpp的正弦波信號(hào)并輸入到發(fā)功率放大器中，經(jīng)功率放大器放大20倍后，輸在頻率19.312KHz、電壓280Vpp（避免滿載運(yùn)行）的信號(hào)加載到超聲振子上，多普勒激光測(cè)振儀激光頭發(fā)出的激光射到振子的端面并回收激光信號(hào)，使用數(shù)據(jù)采集卡從多普勒激光測(cè)振儀中采集數(shù)據(jù)輸出到電腦顯示器中，如圖1-1所示。

　　圖1-1：振幅測(cè)試實(shí)驗(yàn)框圖

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖1-2：變幅桿輸出端橫向振幅

圖1-3：變幅桿輸出端的縱向振幅

　　實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得的變幅桿輸出端橫向振幅如圖1-2所示，變幅桿輸出端的縱向振幅如圖1-3所示。從圖中可以看出，輸出端的縱向振幅約為7.01um，輸出端的橫向位移約為1.32um，縱向和橫向振幅都呈現(xiàn)出穩(wěn)定的周期性變化，其波形都是良好的正弦形態(tài)，說明超聲振子能夠?qū)崿F(xiàn)良好的超聲橢圓振動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生的超聲振動(dòng)振幅能滿足超聲滾壓的要求，可以應(yīng)用于超聲滾壓。

　　實(shí)驗(yàn)測(cè)量的縱向和橫向振幅與有限元仿真所獲得的橫向振幅約3um及縱向振幅11.7um存在較大的差異。造成差異的原因有：仿真分析中的材料是理想并且均勻的，而實(shí)驗(yàn)的材料或多或少的存在缺陷；超聲振子在制造過程中存在誤差而仿真分析的模型是理想化的模型；最主要的是仿真過程中的振子部件的端面耦合是理想化、完全的，實(shí)際中的端面耦合存在或多或少的缺陷，造成超聲能量在傳遞過程中的損耗。超聲能量在傳遞過程中必然產(chǎn)生損耗，導(dǎo)致振子輸出端的振幅減小。

　　本文實(shí)驗(yàn)素材由西安安泰電子整理發(fā)布，如想了解更多實(shí)驗(yàn)方案，請(qǐng)持續(xù)關(guān)注安泰官網(wǎng)m.fjiakun.cn。Aigtek是國內(nèi)專業(yè)從事測(cè)量?jī)x器研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)，一直專注于高壓放大器、電壓放大器、功率放大模塊、高精度電流源等測(cè)試儀器產(chǎn)品的研發(fā)與制造。