超声喷丸中级联式变幅杆的动力学特性研究

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1、机械设计与制造第3期216MachineryDesign＆Manufacture2011年3月文章编号：1001-3997（2011）03-0216-02超声喷丸中级联式变幅杆的动力学特性研究*王翠英轧刚王跃（太原理工大学机械工程学院，太原030024）DynamicanalysisofthecompositehorninultrasonicshotpeeningWANGCui-ying，YAGang，WANGYue（CollegeofMechanicalEngineering，TaiyuanUniver

2、sityofTechnology，Taiyuan030024，China）【摘要】超声强化能有效地提高工件的疲劳极限，延长其疲劳寿命。丸粒速度是影响超声喷丸强化效果的重要因素，而变幅杆振幅的提高可以显著地提高丸粒速度。以提高变幅杆振幅为目的，用解析法设计了级联式变幅杆；在此基础上，用ANSYS软件对其进行了动力学分析，得到了比单一变幅杆更大的振幅放大比。关键词：超声喷丸；级联式变幅杆；ANSYS；

3、动力学【Abstract】Ultrasonicpeeningisaspecialmetalsurfacetreatmentintendedtoextendthefatiguelifeofmostmachinecomponents.Theshotspeed,whichcanbeincreasedbyenhancingtheamplitudeofhorn，isanimportantfactortointensifyingtheeffectinultrasonicshotpeening.Aco

4、mpositehornisdesignedtheoreti－callytoincreaseitsmagnificationratio.Simultaneously，itsdynamiccharactersareobtainedtheoreticallybyusingfiniteelementmethod.Comparingwithsinglehorn,thecompositehornbasedonfiniteelementanalysiscanobtainlargeramplitudera

5、tio.Keywords：Ultrasonicshotpeening；Compositehorn；ANSYS；Dynamic中图分类号：TH16，TG663文献标识码：A喷丸强化工艺已经成为现代零部件不可缺少的加工制造工式中：φr—总形状因数；φ1—第一节变幅杆的形状因数；φ2—第二艺[1]。超声喷丸可以获得比传统喷丸更深的残余压应力层，可以显节变幅杆的形状因数。著的提高零件疲劳寿命[2]。对于目前的超声喷丸加工过程，丸粒的速度还远没有达到能够破坏受喷件安定

6、性的程度，变幅杆的振幅是影响丸粒喷射速度的重要因素。在超声的应用中，由于换能器端面上的振幅十分微小（0.001～1推动节2输出节0.010）mm，而在超声加工、超声焊接、超声金属成型等多种高强图1全波长级联式变幅杆度超声应用中所需振幅大约为几十至几百微米。变幅杆作为振幅在众多的单一变幅杆当中，在相同参数条件下，阶梯形变幅扩大装置，应该在一定的频率下，为工具端面提供最大的振幅，杆的振幅比M最大，圆锥形变幅杆的形状因数φ最大。所以本文并将超声能量聚集在较小的面积上，产生聚能作用[3]。目前，常见选用阶梯形变幅

7、杆为推动节，圆锥形变幅杆为输出节。变幅杆的的变幅杆类型有:指数形、悬链线形、阶梯形和圆锥形等。各种传各性能参数（共振长度l，放大系数M，形状因素φ，位移节点x0统形状的变幅杆各有优点，但都不是最理想的。为了得到放大系等）是根据纵向振动的波动方程、杆的面积函数及边界条件推导数相对较大的变幅杆，本文运用解析法设计了一种级联式变幅出的公式[3]确定的。杆，获得它的各项参数并用ANSYS软件对其进行了动力学分析。要求工作频率14.5kHz，材料选用45号钢，其弹性模量E=1级联式变幅杆的解析解210GPa，密度ρ

8、=7800kg/m3。级联式变幅杆为两节半波长变幅杆串联组合成的全波长变1.1阶梯形变幅杆的解析解幅杆，如图1所示，第一节为推动节；第二节为输出节。总的设计根据系统结构要求，设定推动节阶梯形变幅杆大端直径D1=原则是推动节的形状因素可以较小，而放大系数应较大；输出节75mm，小端直径D2=45mm。面积系数N：N=D1/D2=1.67；共振长度应选用形状因素值较大的变幅杆。l：λ=C/F=356mm；l=a+b=λ/2=178