面向超声喷丸的纵弯复合换能器设计与分析.pdf

第 卷第 期 年 月东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.面向超声喷丸的纵弯复合换能器设计与分析芦小龙施陆锴李武琴(南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室 南京)摘要:为解决当前超声喷丸枪在狭小空间内难以加工壁板的问题设计了一种纵弯复合模态的夹心式压电超声喷丸换能器.采用 仿真软件对换能器进行模态分析计算得到纵振和弯振的谐振频率并改变尺寸使换能器在 种模态下均呈现较大的振幅.采用多普勒测振仪对换能器工作端面扫频纵振与弯振振幅分别为.和.经匹配后振幅各增长了 和.利用激光位移传感器测得 种模态下撞针振幅均可到达.同时对 铝合金板件进行了超声喷丸成形试验并采用 射线法对喷丸后板件中的残余应力进行了检测.超声喷丸成形试验和残余应力检测表明板件喷丸后发生不同程度的变形且板件中的残余压应力最大可达 验证了纵弯复合换能器的有效性.关键词:超声喷丸成形压电换能器纵弯复合模态分析成形试验中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:收稿日期:.作者简介:芦小龙()男博士副教授.基金项目:国家自然科学基金资助项目()、机械结构力学及控制国家重点实验室基金资助项目()、国家商飞制造工程技术研究中心创新基金资助项目()、南京航空航天大学科研与实践创新计划资助项目().引用本文:芦小龙施陆锴李武琴.面向超声喷丸的纵弯复合换能器设计与分析.东南大学学报(自然科学版)():.:./.喷丸成形技术利用高速丸体冲击金属板件表面使材料表层重构残余压应力进而使板件发生向受喷击面凸起的塑性变形在成形的同时还可改善抗疲劳性能.其中超声喷丸作为新型金属:/.冷加工工艺相较于传统喷丸方法其可控性更高加工后的工件具备更高的残余压应力和更小的表面粗糙度.超声喷丸的工作介质(弹丸或撞针)在喷丸结束后可进行循环利用也可有效降低浪费和污染.超声喷丸的成形效果与众多因素相关.等 从压应力角度描述了电流和撞针直径等因素对成形的影响.等对施加不同喷丸速度的板件变形进行数值模拟得出喷丸速度与曲率半径的关系.此外 等和 等辅以激光或真空的方式对非常规条件下的喷丸成形效果进行了分析.上述对成形因素的研究均依靠单一纵振的超声换能器然而对于涉及有限空间的腔体内部超声喷丸处理可实施性较低.利用换能器的纵振模态带动工作介质会受限于轴向尺寸而难以进入较小空间弯振模态则避免了这个难题.纵弯复合换能器在许多领域内得到了应用.陈一博结合斜槽式细杆设计了一种斜槽式纵弯复合振动夹心式压电超声换能器实现了换能器的纵弯复合振动.李华等将纵向振动换能器和薄球壳相结合设计了一种纵弯转换球面弯曲振动聚焦系统使得纵向振动换能器的超声振动转化为球壳的弯曲振动.针对现有超声喷丸设备无法加工腔体内部的问题本文提出一种利用单、双极化压电陶瓷相结合的纵弯复合超声喷丸换能器通过激励单、双极化陶瓷实现纵振和弯振以实现加工不同板件的喷丸成形.首先采用 软件对换能器进行模态仿真改变尺寸参数使得工作端面呈现较大振幅.其次对装配换能器进行串联电感匹配.最后通过对厚度为 的 板件进行超声喷丸处理从弧高和残余应力角度验证了纵弯复合喷丸技术的可行性.换能器仿真分析.基本结构纵弯复合超声喷丸换能器主要包括压电振子和变幅杆如图()所示.前盖板内侧为螺纹通孔后盖板内侧为光孔通过预紧螺钉将压电陶瓷压紧.同轴线的压电陶瓷相对极化方向相反与后盖板相邻的 片压电陶瓷为单极化剩余 片为双极化.变幅杆前后两端均为螺纹盲孔分别与压电振子和纵振垫板螺纹连接.单、双极化压电陶瓷受到正弦高频交流信号激励时由于逆压电效应促使垫板端面产生振动.喷丸枪结构以及 个工作模式如图()所示换能器的纵向和弯曲振动带动撞针实现喷丸冲击.()换能器构型()喷丸枪外形图 喷丸枪结构.模态分析本文采用 仿真软件对换能器模态进行了仿真计算.首先对换能器特征频率进行分析然后在计算的所需模态频率的基础上进行频域分析并调整尺寸使得换能器在纵振、弯振 种模态下工作端面均实现较大振幅.仿真物理场选择压电多物理场耦合分别包含固体力学物理场与静电物理场.省略换能器各零部件间连接部分的螺纹以及接线等并将换能器设置为各部件的联合体.考虑到换能器工作时需承受撞针喷丸冲击板件后的反弹采用刚度较大的 型压电陶瓷作为振子的材料 其密度为 /压电常数 为 /.选用厚度为 且内、外径分别为 和 的压电陶瓷作为核心元件由此设定前后盖板外径均为 而轴向尺寸以及变幅杆各段尺寸均可调整.换能器其他零部件材料及其密度如表 所示.表 不同部件材料及其密度部件材料密度/()预紧螺钉 后盖板 前盖板 变幅杆 纵振垫板 钢 换能器纵振和弯振 个模态的振型分别由单、双极化压电陶瓷独立激发产生因此施加的静电条件和谐振频率并不相同特征频率以及频域分析需东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.分开计算.如图()所示将极化方向相反的 片单极化陶瓷相邻面设定为 两侧设定为 特征频率求解区间为 .计算得到所需模态的特征频率后通过频域分析计算所需模态特征频率下的换能器工作端面振幅.多次优化尺寸后的频域计算结果表明当激励频率为.时换能器呈现二阶纵振.以上述换能器各段尺寸为基础计算弯振模态时工作端面振幅结果如图()所示.由图可知同侧相邻半片陶瓷极化方向相反最外侧和中间设定为 其余设定为.当激励频率为.时换能器呈现三阶弯振.此时纵振压电陶瓷与弯振压电陶瓷均位于最佳励振位置.与前盖板接触的变幅杆圆柱段直径为 其余 段截面为方形边长分别为 和.换能器各段的轴向尺寸如表 所示.()纵振模态()弯振模态图 换能器模态仿真表 不同部件的轴向尺寸部件长度/预紧螺钉.后盖板.压电陶瓷组件.前盖板.变幅杆三段.、.、.纵振垫板.性能测试按照.节模态分析所得的结构尺寸(见表)进行加工装配由于压电陶瓷抗拉强度低且为了更好地传递振动在后盖板施加.压力后以 的扭矩旋紧预紧螺钉.装配完成的换能器如图 所示.图 超声喷丸换能器实物采用激光多普勒测振仪分别对换能器的 个工作端面进行测振.设置扫频区间为 激励电压为 结果如图 所示.纵振工作面如图()所示垫板端面在 内出现多个振速峰值.在 处出现最大振速且与仿真结果最为接近.以 进行定频分析该端面最大振幅为.弯振工作面如图()所示变幅杆端面也在区间内出现多阶弯振振模态以 进行定频分析该端面最大振幅为.()垫板端面纵振工作面()变幅杆端面弯振工作面图 纵弯模态测振对于单一振动模式的换能器谐振频率附近的等效电路为并联电容、动态电感、动态电容和动态电阻 的串并联如图 所示.而处第 期芦小龙等:面向超声喷丸的纵弯复合换能器设计与分析:/.于谐振状态下的压电换能器其支路上 和 互相抵消等效为阻容元件的并联对外呈现为容性.由于谐振频率附近换能器等效元件变化极大因此难以精确获取换能器阻抗值可将其等效为容性元件 和阻性元件 的串联 并用串联电感 补偿使得负载电路呈现阻性.图 换能器等效电路及匹配方式利用示波器测得换能器实际工况下的电压峰值、电流峰值 和 路信号之间的时间差.阻抗计算公式如下:()()()()()式中为超声换能器阻抗 为换能器实际工况下的频率 为电压电流的相位差也是超声换能器的阻抗角()为电压峰值为电流峰值 为电压信号和电流信号的时间差为阻抗实部为阻抗虚部.电感匹配能显著提高机电耦合系数选择低于谐振频率的 和 作为纵振和弯振 个模式的工作频率换能器呈现容性阻抗虚部分别为和 .串联匹配电感理论值 的计算公式为()计算得到纵振模态的匹配电感理论值为.弯振模态匹配电感理论值为.并在此基础上微调电感负载电路的阻抗结果如图 所示图中、分别为纵振模态和弯振模态的阻抗.换能器在匹配后呈现阻性工作端面纵振模态和弯振模态的最大振幅分别提升至.和.分别增长了 与.喷丸试验超声喷丸成形效果与激励电压呈正相关关系以信号发生器、功率放大器和串联电感为驱动电()纵振匹配()弯振匹配图 串联匹配后振幅测试()碰头构型()撞针尺寸(单位:)图 喷丸枪碰头路分别以 和 的 交流正弦信号激励喷丸枪.喷丸枪碰头如图 所示纵振和弯振端面的撞针设置 排直径 的撞针每排间隔 .利用激光位移传感器记录纵振和弯振 种模态下撞针的位移采样周期为.撞针运动轨迹如图()和()所示.由图可知撞针冲击频率均远小于激励信号频率恢复周期不等且位移幅值在不同恢复周期内呈现波动.在记录的 内纵振端面的撞针最大位移达到.而弯振端面的撞针最大位移达到.喷丸枪碰头通过外壳与换能器相装配需确保 个工作端面均能抵住该方向的撞针.图 为喷丸枪样机的纵弯操作模式.选取常见的航空壁板材料 作为试东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.()纵振模态()弯振模态图 撞针运动轨迹()纵振喷丸()弯振喷丸图 喷丸枪样机喷丸演示验件板件尺寸为 两端由夹具固定沿长度方向进行喷丸时间为.板件成形结果如图 所示.纵振喷丸最终弧高为.而弯振喷丸最终弧高为.这一图 喷丸成形弧高变化曲线方面是由于弯振工作端面的撞针越远离变幅杆末端振幅越小另一方面是因为纵振工作端面的撞针位移本就大于弯振.基于 射线法对残余应力进行测试结果如图 所示.由图可知受喷工件表面在约 深处残余压应力达到最大值约为 改善了板件的抗疲劳破坏能力.图 纵弯喷丸工件残余应力曲线 结论)利用压电陶瓷的逆压电效应采用单、双极化压电陶瓷设计了一款纵弯复合模态的夹心式压电换能器借助 软件对换能器模型进行了仿真分析.分析结果表明换能器在不同频率下分别表现出二阶纵振模态和三阶弯振模态.)采用激光多普勒测振仪对换能器 个模态下的工作端面进行测振.测试结果表明换能器仿真和实物测试共振频率相差不超过 且经匹配后实物 个模态的工作端面振幅与未匹配前相比分别增长了 和 表明匹配能起到增大换能器振幅的效果.)利用激光位移传感器测试 个模态下的撞针位移在相同激励电压下纵振模态下的撞针位移略大于弯振模态.通过搭建的喷丸试验平台对喷丸枪 个模式的校形效果进行了验证并利用 射线法测试了板件的残余应力.试验结果表明纵振和弯振喷丸模式均可使得板件发生弯曲但纵振模式对板件产生的弧高和残余应力值都更大.参考文献()李蕊芝 周香林 孙澄川 等.微粒子喷丸技术研究进展.航空制造技术 ():.:./.():.:./.()门向南 董锦亮 黄振彪 等.超声波喷丸技术在大第 期芦小龙等:面向超声喷丸的纵弯复合换能器设计与分析:/.型零件变形校正中的应用.热加工工艺 ():.:./.():.:./.()杨辉 徐刚 张炜 等.超声波喷丸技术在大型零件变形校正中的应用研究.现代制造技术与装备():.():.()刘峰 鲁世红 张炜.超声波喷丸技术的研究进展.航空制造技术 ():.:./.():.:./.().():.:./.():.:./().().:.:./.:.:./.:.:./.陈一博.斜槽式纵弯复合振动夹心式压电超声换能器的研究.杭州:中国计量大学.:.()李华 任坤 殷振 等.纵弯转换球面超声振动聚焦系统谐振特性研究.振动与冲击 ():.:./.():.:./.().()():.:./.林书玉.超声换能器的原理及设计.北京:科学出版社:.:.:./.:.:./.东南大学学报(自然科学版)第 卷