（机械设计及理论专业论文）15khz超声铸造振动系统设计及其试验研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签弛期：趔蛑五月互日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 功率超声产生的空化、声流、机械等非线性效应可以使物质的一 些物理、化学、生物特性或状态发生改变。金属凝固过程中施加功率 超声可以有效地改善铸锭凝固组织，提高材料特性和机械性能。铝合 金铸造过程中引入超声场是当前研究的热点及未来铸造技术的一个 新发展方向。本文主要以7 0 5 0 铝合金超声铸造为切入点，主要从以 下几方面进行了研究： 1 结合铝合金铸造的特点，确定了换能器和变幅杆的类型和材质。 根据任意变截面的波动方程及振动系统的设计原理，建立了换能器和 变幅杆结构的物理和数学模型。在此基础上对l5 k h z 的超声振动系 统的主要结构换能器、前后端盖、变幅杆和工具杆进行了设计。 2 在a n s y s 有限元分析软件中建立了1 5 k h z 超声振动系统有限元 模型，并通过模态分析计算得出该系统的主要动态性能。应用多普勒 测振仪测量了该超声波振动系统的纵向谐振频率、位移振幅等主要性 能参数。实验结果与仿真结果一致，说明了设计和有限元模型建立的 合理性。 3 应用恒流量热法，分别测量了1 5 k h z 和2 0 k h z 超声振动系统的实 际输出功率及其在液体中能量的规律。应用不同超声振动系统分别进 行水模拟实验和7 0 5 0 铝合金超声铸造试验。试验结果表明：1 5 k h z 超声振动系统在液体中作用效果比2 0 k h z 强烈；在铝熔体中导入功 率超声对铝合金凝固组织有较好的细化效果，晶粒组织均有粗大的枝 状晶变成均匀的等轴晶。在相同的条件下，1 5 k h z 对铝合金的细化作 用效果较2 0 k h z 的更明显，晶粒更均匀和细化。且随着超声功率的 增加，晶粒细化效果越明显。 关键词：功率超声，超声振动系统，有限元分析，超声铸造，晶粒细 化 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e ru l t r a s o n i ch a ss p e c i a la c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c sw h i c hc a n g r e a t l yc h a n g et h ep r o p e r t i e so fp h y s i c s 、c h e m i s t r y 、b i o l o g yo fs u b s t a n c e s ， o re x p e d i t es u c hc h a n g e s t r e a t i n ga l u m i n u mm e l tw i t hp o w e ru l t r a s o n i c c a ni m p r o v es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm e t a l s o b v i o u s l y i ti st h ei n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hh o t s p o tn o w a d a y sa n dan e w d e v e l o p i n gd i r e c t i o no ft e c h n o l o g yo fa l u m i n u ma l l o yc a s t i n g t a k i n gt h e 7 0 5 0a l u m i n u m a l l o yu l t r a s o n i cc a s t i n ga sr e s e a r c ho b j e c t ，t h em a i ns t u d y o ft h ep a p e rw a sd o n ea sf o l l o w s ： 1 c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec a s t i n g ，t h e l o n g i t u d i n a l o s c i l l a t i o ne q u a t i o no fu l t r a s o n i ch o mw i t hr a n d o mv a r i a b l ec r o s s - s e c t i o n w a sd i s c u s s e d t h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e d b a s e do nt h ea b o v e ，b yc h o o s i n ga p p r o p r i a t em a t e r i a la n ds i z e ，t h em a i n s t r u c t u r e so fu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mo f15 k h zw e r ed e s i g n e d 2 t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h en e wd e s i g n e du l t r a s o n i cv i b r a t i o n s y s t e mw a sp e r f o r m e db ye m p l o y i n gt h ef e m s o f t w a r ea n s y s ，t h r o u g h w h i c ht h er e s o n a n c ef r e q u e n c y , v i b r a t i o n d i s p l a c e m e n t m o d e sa n d d i s t r i b u t i o no fa m p l i t u d ew e r ea c q u i r e d t h en e wd e s i g n e du l t r a s o n i c v i b r a t i o ns y s t e mw a st e s t e dt h r o u g ht h el a s e rd o p p l e rv i b r o m e t e r , w h i c h p r o v e st h er e s e m b l a n c ew i t ht h et h e o r ya n df e m 3 t h eo u t p u tp o w e ro fu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mw a so b t a i n e db y e x p e r i m e n t t h er u l eo ft h ee f f e c to fu l t r a s o n i cv i b r a t i o ni nl i q u i dw a s s t u d i e db yw a t e rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s 7 0 50a l u m i n u mw a st r e a t e d w i t hu l t r a s o n i cv i b r a t i o n so f15 k h za n d2 0 k h zr e s p e c t i v e l yb yd i p p i n g t h ea c o u s t i cr a d i a t o ri n t o m e l t e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h e m i c r o s t r u c t u r ew i t hf i n eu n i f o r mn o n d e n d r i t eg r a i nw a sa c h i e v e dw i t h u l t r a s o n i cv i b r a t i o no fb o t hs y s t e m s b yc o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t r e s u l t ，t h ee f f e c to f15 k h zi sb e t t e rt h a nt h a to f2 0 k h zu n d e rt h es a m e c o n d i t i o n k e y w o r d s ：h i g hd e n s i t yu l t r a s o n i c ，u l t r a s o n i c v i b r a t i o n s y s t e m ， u l t r a s o n i cc a s t i n g ，g r a i nr e f i n e m e n t 1 5 1 超声波导入方式6 1 5 2 课题研究现状8 1 6 论文课题来源、研究意义及主要内容9 1 6 1 课题背景与来源9 1 6 2 研究意义与主要内容9 第二章直入式铝熔体处理超声振动系统的设计1 l 2 1 引言1 1 2 2 换能器的选择与设计1 2 2 2 1 换能器类型的选择1 2 2 2 2 夹心式换能器的特点1 2 2 2 3 换能器的性能参数1 3 2 2 4 夹心式压电换能器设计理论1 3 2 2 5 换能器的设计1 7 2 3 变幅杆和工具杆的设计1 8 2 3 1 变幅杆类型的选择1 9 2 3 2 变幅杆材料的选择1 9 2 3 3 变截面杆纵振动的理论设计1 9 2 4 超声振动系统分析2 7 2 5 本章小结2 8 第三章1 5 k h z 超声振动系统有限元仿真及其实验2 9 3 1 引言2 9 3 2 超声振动系统模型的建立和仿真模拟2 9 3 2 1a n s y s 软件用于超声振动系统分析的基本理论2 9 3 2 2 超声振动有限元系统的分析原理2 9 3 2 3 超声振动系统的模态分析3 0 l l i 目录 i v 5 6 9 1 1 3 3 4 6 7 7 8 9 l 3 3 3 5 9 l 2 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 6 6 知岬 m 1 一 一 一 一 一 一 一 一影 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 作为航空航天领域的主要结构材料，高强铝合金具有密度低、强度高、热加 工性能好等优点。随着科技的进步，国民经济和国防军工的现代化发展及人民生 产水平的提高，对于高强高性能铝合金的强度和综合性能的要求也越来越高。近 几十年来，对铝合金材料研究主要集中在：l 、发展高强高韧等高性能铝合金新 材料，以满足航天航空等军事工业和特殊工业部门的需要；2 、发展可以满足各 种条件用途的民用铝合金新材料。为了得到符合需要的材料，科学家们对铝合金 的凝固细晶技术进行了大量的研究并得到很大的发展其中包括：材料的孕育处 理、变质处理、电磁搅拌和微合金化等l l 。自超声波和压电效应被认识以来，超 声波以其特有的声学效应被广泛地应用到科学和生产的各个领域，其中包括超声 加工、超声焊接、超声探伤、超声工业测量和医学上等。而超声波对金属凝固过 程作用的研究始于2 0 世纪3 0 年代，超声波可以使金属的性能得到很大提高。超 声波应用于金属凝固作为一种既环保又有效的细晶方法得到了广泛的关注和研 究。可见超声在金属凝固过程中的应用具有很大的发展前景。 1 2 功率超声在国内外的发展及应用现状 超声波通常是指1 秒内振动2 0 0 0 0 次以上的高频声波。在强度较低时，超声 波可以作为探测负载信息的载体与媒介，称为检测超声。当其强度超过一定值， 则与传声媒质相互作用，可以改变以至破坏传声媒质的状态、性质及结构，称为 高能超声或功率超声。 超声处理是利用超声振动能量使物质的一些物理、化学和生物特性发生改 变，或者使这种改变的过程加快的- - n 技术。与检测超声不同，功率超声是利用 超声能量来对物质进行处理、加工。由于功率超声处理技术具有许多特点，与其 他技术复合使用，常能大幅度提高处理速度和效率，提高处理质量且能完成一些 其他技术不能完成的处理工作。随着超声技术的成熟，超声波应用的领域越来越 广，在工业、农业、国防和医药卫生、环境保护等部门得到越来越广泛的应用。 l 、国外的发展 超声换能器的作用是将超声电源产生的超声频电信号转换成超声频机械振 动。自第一次世界大战期间l a n g e v i n 发明的钢石英钢结构的夹心( 复合) 压电 换能器是产生低频大功率超声的重大进展1 2 l 。h b m i l l e r 在5 0 年代初对换能器结 振动和复合振动的压电换能器设计计算为其在工业方面的应用奠定了基础【5 6 1 。 6 0 年代以来对纵振动的单一和组合变幅杆的特性进行系统的分析，8 0 年代初出 版了国内外第一部有关超声变幅杆的专著 j 。之后又研究了大尺寸单一和复合变 幅器的二维振动，弯曲振动振动模式变幅杆以及纵一扭，纵弯复合振动模式的 变幅杆 8 - 9 。提出新型扭动振动变幅杆，并分析了几种扭振复合变幅杆，填补了 这一方面的空白。在国内超声处理技术和应用方面，5 0 年代已开始研究主要有： 超声清洗、焊接、加工、超声乳化、分散、粉碎和萃取、超声雾化、金属成型、 超声疲劳试验、超声生物效应和治疗等。 1 3 超声振动在金属凝固中的应用研究现状 为了得到高性能无污染的环境及材料的前提下，必须实现对金属凝固过程和 凝固组织的控制。在凝固过程中施加物理场处理技术成为提高材料性能的重要工 艺手段之一【i o 】。多 i - n 物理场处理技术是指在金属凝固前或凝固过程中对金属熔 体施加物理场，利用金属和物理场相互作用，改善其凝固过程和组织的一种技术。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 按照外场种类的不同，该领域的研究热点主要集中在以下三个方面：1 ) 对金属 熔体的凝固过程进行超声波处理；2 ) 让金属熔体在磁场中凝固，即磁场处理；3 ) 让电流通过金属熔体，即电流处理。大功率超声波由于其独特的声学效应对金属 凝固过程具有十分显著的影响。 超声处理是通过超声能量对物质的作用来改变或加速改变物质的一些物理、 化学和生物特性或状态的技术。超声波由于其特有的力学、热学、光学等效应， 在冶金中有很多应用，比如在处理熔化的金属方面有如下应用：除气、使晶粒变 细、驱散作用、分离作用等，其中最常用的是细化晶粒作用。超声波对金属凝固 过程作用的研究始于2 0 世纪3 0 年代，2 0 世纪6 0 年代出现高潮，而2 0 世纪7 0 年代至2 0 世纪9 0 年代却无太大的进展。超声振动用于液态金属的研究主要集中 在连续铸造、铸造接合、快速凝固过程和微晶合金中等方面应用j 。 国内外有很多学者研究了超声对各种合金的影响。1 9 3 5 年前苏联学者开始 了超声波在冶金工业中应用的研究，发现利用功率超声振动对金属的凝固过程进 行处理，可以细化金属的凝固组织，同时有利于去除液态金属中的气体和夹杂物 【1 2 】，极大地提高了金属的各种性能。早在2 0 世纪3 0 年代，l o o m i s 、w o o d 和 d a n i l o v 等学者分别研究了超声振动对金属和有机物凝固过程的影响，并取得了 显著地效果。随后e s k i n 和a b r a m o v 等人分别对超声场下金属的凝固规律进行了 探索。研究表明，在金属凝固过程中引入超声振动，凝固组织从粗大的柱状晶变 成了均匀细小的等轴晶，金属的宏观及微观偏析得到了很大的改善。因此，功率 超声处理是改善金属凝固组织、提高金属力学性能的有效方法。这方面的技术在 国外已经应用于工业生产了，在国内仍处于实验室研究阶段。 g i e s k i n 研究认为超声熔体处理可以除气、净化、精炼金属，形成非枝晶 组织【1 3 - 1 4 】。对高纯铝进行超声波处理，使晶粒度从3 1 增大到3 7 5 ，拉伸强度从 5 4 m p a 提高到7 0 m p a ，硬度从h b l 7 2 提高到h b l 9 7 ，延伸率也得到不同程度 的改善。在m g 合金的凝固过程中采用超声处理可以明显除氢及细化晶粒。在连 续铸造中，用超声处理a l s i 合金，也取得了良好的效果，对初生s i 相的细化 作用十分明显。 o v a b r a m o v 使用水冷换能器研究了纯铝在凝固过程中施加超声振动l l 引， 在靠近工具头的部位晶粒最细，这说明位于空化区域和强声流区域的熔体得到很 好的细化结晶。凝固组织由柱状晶向等轴晶转变非常明显，而且力学性能测试结 果发现，经过超声波处理后，材料的抗拉强度增加。在非强超声处理区域，凝固 组织被超声处理的作用减弱，组织分布就会出现不均现象。将超声熔体处理应用 于半固态a 1 s i 合金，提高合金触变性能，认为空化泡崩溃可以打碎六边形的初 晶硅、树枝晶。通过分析超声场作用下金属凝固机理和凝固后组织结构变化，探 论 图卜1 未处理( a ) 和超声波处理( b ) 得到的a 3 5 6 铝合金微观组织 赵忠兴等用2 0 k h z ，1 k w 的超声波对铝合金采用底部导入方式进行超声处 理。经超声处理和未经超声处理的合金组织可以看出，合金组织得到明显细化， 树枝晶被打碎，形成均匀的等轴晶组织或变成颗粒状组织1 2 1 2 羽。在铸造合金中导 入超声波，其周期性的空化和搅拌作用，使合金液的温度和成分均匀化，细化了 铸造组织，减轻了铸造合金的宏观偏析倾向，形成均匀的等轴晶或粒状晶组织。 发现超声波在金属液内传导中，其声强度随传导距离的增加而衰减。并采用2 0 k h z 、0 2 5k w 和2 0k h z 、1k w 的冶金用超声波发生器，研究了a 1 2 s i 2 c u 2 m g 合金、z l l 0 2 、h t l 0 0 和z c u p b 3 0 合金，经超声波处理的合金试样均为等轴晶， 4 了响化削 波了善对织 响波后粒 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 且明显细化均匀i z 引。 h a n b i n gx u 等采用频率为2 0 k h z ，最大功率为15 0 0 w 的超声处理a 3 5 6 铝 合金哗l ，在不同的凝固过程中除气，降低样品的气孔率。这一系列动力学过程 是凝固时间、熔体温度、氢气含量及浓度的函数。 x j i a n 等人在一系列不同固态分数条件下，采用钛合金变幅杆导入a 3 5 6 合 金熔体进行处理，得到了球状的细化晶粒f 2 川。空化效应使熔体产生了更大的过 冷度，功率超声诱发了不同种类的形核扮演了比树枝晶破碎更重要的角色。 胡化文，陈康华等通过在7 0 5 5 铝合金熔体浇注前用2 0 k h z 、l k w 的超声进 行处理，超声波在熔体中产生空化作用，活化了熔体中微小的杂质粒子，使其成 为结晶核心，从而促进了形核，使得铸锭的晶粒细化，使晶粒变形均匀；对于 7 0 5 5 铝合金，超声熔体处理最佳温度约为6 7 0 ；超声波对熔体的作用可提高凝 固合金的抗拉强度并大幅度提高其塑性 2 6 1 。 李军文，桃野正在超声波应用于金属凝固方面做了较全面的研究，发现应用 2 5 k h z 、1 5 0 w 的超声波对a l c u 合金、a 1 s i 合金、a 1 z n 合金铸锭组织的影响。 对于铝合金铸锭，当超声波处理时在铸锭内部出现等轴晶区域并且随着合金成分 的增加而增加；铸锭的细化效果随着c o 值得增加而增大。合金成分与铸锭的细 化率之间存在正比关系；对于相似于9 9 7 工业用纯铝等纯金属，超声波处理也 有一定得细化效果【2 7 1 。在各种超声波振动处理时间下，超声波对铝合金铸锭组 织的影响，分析超声波对铝合金铸锭细化率的影响因素，并且对超声波振动处理 时期的铸锭内部温度分布进行比较，当合适的超声波振动处理时间对熔融金属液 处理时，才会得到最大的铸锭微细化率和微细的等轴晶组织；伴随着超声波振动 处理时间的增加，铸锭内产生搅拌效果和发热效果【2 引。 a ) 未施加超声的 b ) 施加超声的 图1 - 2a i2 5 7 c u 合金铸锭的显微组织 中南大学硕七学位论文第一章绪论 1 4 超声细晶技术的基本原理 在超声领域中，功率超声对液体媒质具有下述独特的作用： 1 、周期性基波作用：大振幅声波在媒质中传播形成锯齿形波面的周期性激 波，在波面处形成很大的压强梯度，因而能产生局部高温高压等一系列特殊效应。 2 、线性交变振动作用：由于媒质在一定频率和声强的超声波作用下作受迫 振动，媒质的质点位移、速度、加速度以及应力等分别达到一定值，并引起应力 和声压的周期性变化，从而引发产生一系列的初级效应。 基于以上两个基本特点，功率超声波在媒质中传播时会产生空化效应、声流 效应、热效应等等。 l 、声空化作用：空化是超声波在液体媒质中传播所出现的一种物理现象。 超声波在液体媒质中传播时，在液体中微小区域会形成局部的暂时负压区，当超 声强度超过液体张力时，液体薄弱部位被撕开而产生大量的气涮2 9 】。随着超声 空化泡迅速长大和崩溃，在气泡附近产生瞬时高温高压，造成能量起伏，气泡的 破灭还将导致熔体过冷，引发结晶。 2 、声流作用：超声波在液体传播时产生有限振幅衰减使液体内声源处开始 形成一定的声压梯度，导致液体高速流动p 0 1 。在高能超声情况下，当声压幅超 过一定值时，液体中可以产生一个流体的喷射。此喷流直接离开超声变幅杆的端 面并在整个流体中形成环流。振幅的衰减会形成声流，超声声流是环流、紊流和 湍流的结合，不仅可以提高液体温度场和成分的均匀性，而且对颗粒具有微观的 搅拌作用。 3 、热效应：超声波是一种机械波，具有良好的定向性和聚焦性。当超声波 在液体介质中传播时，质点首先受到机械作用，部分机械能又转化为热能。当声 强达到空化阈值时，还可能产生空化效应。超声波热效应源于其机械效应，热温 效应和空化效应。 1 5 超声导入方式及课题研究现状 1 5 1 超声波导入方式 超声振动系统由超声发生器、换能器和工具杆组成。在超声铸造中，关键是 将超声有效地导入到金属熔体中。在液体介质中产生超声波的方式按照工具头与 液体是否接触可分为接触式和非接触式两种。按超声振动方向的不同，可分为垂 直振动、水平振动、旋转振动；按振动引入部位的不同，可分为下部引入、水平 引入；按振动是否连续，可分为连续振动和非连续振动，而连续振动包括周期振 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 动和随机振动。 ( 1 ) 接触式 采用压电型超声波换能器或磁致伸缩型超声换能器，工具头直接伸入金属液 中。目前最常用的方式有顶部导入法和底部导入法，如图1 3 ( a 、b ) 所示。此 外还有从侧面导入。 顶端导入在超声波使合金液呈剧烈的振动状态时，合金液面连续的氧化膜遭 到破坏，而这些破碎的氧化膜被振动的合金液从表面卷入到熔液的内部而形成夹 杂圆，同时处理高温金属时，对变幅杆的材质会造成严重的高温腐蚀。但该方式 简单易行、导入的效率比较高，工具杆直接伸入金属液中，能量损耗很低。对于 底端导入来说，由于振荡器和盛放金属熔液的模子相粘接，那么有一部分超声振 动不可避免的被模子吸收，特别是金属液浇入铸模后首先从底部开始凝固，导致 振动效率降低，所以上部的金属熔液超声处理效果很差，尤其对于比重偏析严重 的金属则需要用比顶端导入高出很多的振动强度才能取得相同的效果。此外，由 于接触导入法工具头与金属液直接接触，在高温及空化反应的作用下，采用普通 材质制备的工具头腐蚀严重，既降低了工具头的使用寿命，又造成金属液污染。 因此，对工具头材料要求较高。 ( 1 ) 顶部导入 底部导入 图1 - 3 超声波导入方式 1 变幅杆，2 合金溶液 ( 2 ) 非接触式导入法 为避免工具杆直接与金属液接触，有研究者提出一种新的超声波导入方法。 其特征是在变幅杆外侧套上线圈，利用电流通过线圈产生电磁力，将变幅杆与铁 皮坩埚牢牢吸在一起，从而将超声波从侧面导入坩埚内的金属液中。 上海大学将传统的超声波导入工艺进行改进，采用自吸式侧部导入方式。其 特征在于利用特殊设计变幅杆的自吸力使其与坩埚紧密接触，将超声波从侧部导 入至埚内的金属熔液中。本工艺一改传统的顶部和底部导入法，不直接接触金属 熔液，从而避免了变幅杆由于与高温金属液相浸触所造成的腐蚀和损耗。不会造 成表面氧化物和杂质卷入金属液内部，避免了外来夹杂物，而且可以随着试块处 发现超声对熔体的作用提高了凝固合金的强度和大幅度提高了其塑性。李英龙、 李宝绵等同样是应用2 0 k h z 的超声振动系统对铝合金进行了处理，结果表明适 宜的超声参数对组织细化和合金机械强度和塑性的提高效果明显。蒋日鹏研究了 应用2 0 k h z ，功率为2 k w 可调的超声振动系统分析了超声功率、施振熔体温度、 冷却方式等诸多参数对凝固组织的细化规律，还将超声作用距离进行了研究，凝 固组织得到改善，力学性能获得提耐3 2 j 。谢恩华分析了2 0 k h z ，2 k w 的功率超 声应用于铝合金熔体的声压场分布，并通过f l u e n t 软件研究了声流现象及其对晶 粒细化的作用【3 3 1 。朱宏霞等研究了2 0 k h z 功率超声对a 3 5 6 半固态初生相尺寸和 形貌的影响，结果发现随着功率的增大初生相晶粒越细小和圆整p 引。大连理工 的宁韶斌应用频率为1 5 k h z ，功率为o 1 0 0 0 w 连续可调的超声振动设备研究了 功率超声对金属凝固过程中的应用，试验结果表明：超声熔体处理可以明显细化 晶粒，改善元素的偏析倾向，且随着超声功率的增加，改善作用的效果越明显【3 5 j 。 冯伟骏应用频率为1 5 k h z ，功率为0 1 5 0 0 w 连续可调的功率超声对p b s n 合金 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 凝固的作用，试验结果表明：在p b s n 合金凝固过程中导入功率超声，可以细化 共晶组织，使初生相均匀的分布于基体之上【3 6 1 。 1 6 论文课题来源、研究意义及主要内容 1 6 1 课题背景与来源 本课题来源于国家重大基础研究发展项目( 9 7 3 计划) “高性能铝材与铝资 源高效利用的基础研究”的课题7 “大铸锭能量传输与宏微观缺陷的产生及控制 ( 编号：2 0 0 5 c b 2 3 7 0 7 ) 及：“航空航天用高性能轻合金大型复杂结构件制造的 基础研究 ( 课题编号：2 0 1 0 c b 7 3 1 7 0 0 ) 。 1 6 2 研究意义与主要内容 大功率低频超声应用于铝合金铸造是一项无污染，高效率且极具发展潜力的 新型技术。超声振动系统应用于铝合金铸造不仅对环境没有污染，而且超声波处 理金属熔体是一个非常复杂的物理过程和多场耦合过程，其对凝固过程产生重要 影响。超声振动系统是铝合金超声铸造过程中的核心设备部件，其结构设计和参 数选择对整个工艺过程的影响起着非常重大。国内外学者已经对2 0 k h z 的超声 振动系统应用于铝合金铸造及其规律进行了很多理论和试验研究，而对其他功率 值( 1 5 k h z ) 的超声振动系统的研究较少。因此，为了更好的研究高声强超声应用 于特殊铝合金的超声制备技术，在现有的2 0 k h z 超声振动系统的基础上针对于 铝合金超声铸造对1 5 k h z 的超声振动系统的结构设计及试验研究对铝合金超声 铸造技术具有重要意义。本文的主要内容安排如下： 第一章：简要概述了功率超声在国内外的发展及应用现状，并介绍了超声波 在金属凝固中的应用现状及本课题的研究现状，确定本论文主要研究内容。 第二章：首先介绍超声换能器，并对其材料及各参数的选择进行介绍，根据 换能器的工程设计方法设计了1 5 k h z 的压电陶瓷换能器；介绍变幅杆的作用及 选用原则，根据铝合金铸造的特点及要求设计变幅杆和工具杆的结构；并确定了 该l5 k h z 超声振动系统的主要参数。 第三章：阐述结构动力学分析的有限元理论，应用a n s y s 有限元软件对 1 5 k h z 超声振动系统进行模态分析，得出其主要动态性能参数。利用多普勒测振 仪对1 5 k h z 超声振动系统的性能参数进行测量。对比仿真结果、试验测试结果 与理论计算结果，验证理论设计及有限元模型的正确性和合理性，为产品的动力 学优化提供了理论分析依据。 第四章：输入熔体的实际超声波功率作为铝合金超声铸造试验过程中的一个 9 第一章绪论 恒流量热法，分别对频率为1 5 k h z 和2 0 k h z 超声振动系 入熔体的功率进行了测量。通过7 0 5 0 铝合金铸造试验， 率与超声频率值对铝合金凝固组织的细化规律。 行总结和展望，就论文的主要工作、研究结论，存在的问 进行阐述。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章直入式铝熔体处理超声振动系统的设计 第二章直入式铝熔体处理超声振动系统的设计 2 1 引言 为了消除铸造缺陷、晶粒均匀细化使得铸件的力学性能和物理性能得到很大 的改善和提高，在金属凝固过程中施加超声场已经成为一种较理想的处理手段。 铝合金超声波铸造系统主要由超声波发生器、超声振动系统、流槽、结晶器、冷 却系统、引锭装置等部分组成1 3 7 】。超声振动系统主要由换能器、超声变幅杆和 工具杆等所组成，如图2 1 所示，其工作原理是由超声波发生器将2 2 0 v ，5 0 h z 的交流电转换成超声频的高频电振荡信号，换能器又将超声频的电振荡转换成超 声频的机械振动。由于此时从压电陶瓷换能器端面输出的振动幅度较小，仅有 4 p r o 左右，而高声强超声应用中，辐射面的震动幅度一般需要几十到几百微米。 所以必须在换能器端面连接变幅杆将该振幅放大，并将振动传给工具杆，由工具 杆直接辐射到铝合金熔体中，通过超声特有的声学效应对合金组织产生影响。超 声振动系统是超声铸造过程中的关键部件，该结构的合理设计对铸造组织的作用 效果起着非常重要的作用。 图2 - 1 超声振动装置示意图 在理解超声换能系统工作原理及工作性能的基础上，根据铝合金铸造的特点 和系统性能的要求，并设计了1 5 k h z 的夹心式压电陶瓷换能器其组成部分包括 压电晶片、前端盖和后端盖。 在功率超声变幅杆的设计理论分析中，在一些假设的基础上应用牛顿定理推 导出了波动方程，根据波动方程和变截面杆的面积变化函数，即可求得各种变截 面杆的频率方程、谐振长度等参数，阐明了功率超声变幅杆设计的理论依据，完 成了对功率超声变幅杆和工具杆的设计。 中南大学硕士学位论文第二章直入式铝熔体处理超声振动系统的设计 2 2 换能器的选择与设计 2 2 1 换能器类型的选择 超声换能器是超声振动系统的核心部件【3 引。换能器主要分为磁致伸缩和压 电陶瓷换能器两大类。压电超声换能器是应用最广的一种。压电换能器是通过各 种具有压电效应的电介质，如石英、压电陶瓷、压电复合材料以及压电薄膜等， 将电信号转换成声信号转换成电信号，从而实现能量的转换。压电换能器的主要 优点包括：结构尺寸小、电声转换效率高、抗拉强度低、造价低廉，性能较稳定， 易于大规模推广应用、冷却方式简便。磁致伸缩材料是传统的超声换能器材料， 其性能稳定，故仍在一些特殊领域被应用。它的特点有性能稳定、功率容量大及 机械强度好等。本超声振动系统采用压电陶瓷换能器。 2 2 2 夹心式换能器的特点 换能器有很多振动模式，包括纵向振动模式、厚度振动模式、径向振动模式 和剪切振动模式等。本振动系统要求在加上工具端，沿着一个确定方向能产生较 大的振动振幅，因此，本文采用纵向复合式压电换能器，同时根据尺寸要求选用 四分之一波长结构，前后盖板和压电陶瓷片构成，其结构如图2 2 所示。 图2 - 2 夹心式压电陶瓷换能器示意图 这种换能器的首尾是两块金属板，中间是压电陶瓷元件堆，由纵向极化的 带孔压电陶瓷圆片组成，在用一根应力螺栓将这三部分紧紧压牢。压电陶瓷堆由 若干压电陶瓷环片组成。压电陶瓷环片间及压电片与金属盖板之间通常用弹性及 导电良好的铜片隔开作为电极。 该结构的特点：陶瓷元件具有大的抗压强度，能运用最大的有效耦合系数 k ，；圆环的数目及连接方式都有选择余地，从而能在较宽的阻抗及频率范围内 设计换能器；改变首位金属盖板的材料、尺寸，能够控制换能器的带宽、前后振 速比和有效机电耦合系数等性能参数。 这种结构具有性能稳定、输出振幅大、阻抗易于控制和匹配、机械强度大和 1 2 中南大学硕士学位论文第二章直入式铝熔体处理超声振动系统的设计 有较好的温度特性的特点，适应于铝合金超声铸造系统的应用中。 2 2 3 换能器的性能参数 纵向夹心式压电振子处于发射状态时，有许多主要的性能参数：谐振频率、 谐振阻抗、半功率点带宽或机械品质因数、振子前后振速之比、振子各点的振速 分布和应力分布、有效机电耦合系数以及电声效率等。不同的应用对各性能参数 的要求也不同，但是不管哪种应用，为了提高发射效率，必须首先确定以下几个 参数： 1 ) 谐振。设计时应根据频率方程进行认真计算，使各部分材料参数和尺寸满足 谐振条件。 2 ) 谐振阻抗。谐振阻抗主要是用以和脉冲发生器相匹配，其值一般可通过等效 电路计算。但由于结构阻抗很难估算，所以通常需要通过测量法得出谐振阻 抗的精确值，并且给出阻分量和抗分量。 3 ) 有效机电耦合系数。它代表了换能器机电能量之间的转换性能，与振子效率 有关。 4 ) 振子的前后振速振幅之比。提高振子的前后振速之比，使能量沿振子的轴向 往前传递，经过超声变幅杆进一步放大，可在加工工具端获得更大的振幅， 从而达到提高工作效率的目的。 5 ) 机械品质因数。在超声加工中，这种振幅换能器的机械品质因数一般都比较 高。同时，对于高q ：的换能器，在材料选择上应选取低机械阻尼的高q 。材 料。在换能器设计上要合理，把结构阻尼因子降到最小。此外，这种大振幅 超声换能器在大功率激励时，它的机械品质因数必比较高，压电陶瓷在膨胀 时可能发生碎裂，也可能在变幅杆的最大应力出现的位置上或截面积突变处 断裂。所以，在设计时，有必要对整个振动系统的振速、应力分布进行计算， 对其安全强度要与充分的估计，并选择合适的金属材料。 2 2 4 夹心式压电换能器设计理论 如上所述，夹心式压电换能器的主要性能参数有振子的谐振频率、振子振速、 应力分布、振子前后振速之比以及谐振阻抗【3 9 0 1 1 。在设计时主要确定振子的谐振 频率、振子振速、应力分布、振子前后振速之比等。 1 ) 振动方程、振速分布及应力分布 对于超声加工应用的振子各部分都是截面均匀的一致的柱体，这里还是从任 意变截面的情况入手，从一般推论到特殊。变截面体的一元简图，如图2 2 所示。 所以出元段上的弹性力的增量可以表示为： 亦2 嚣凼= e 南l l 彳g ) 蓦卜 d 笼o ；i c d 笼 根据牛顿第二定律有： 亦= 嚣出= e 岳 爿g ) 蓦卜= 厣如k 等 式中p 为材料的密度，单位- 1 ，。 因为纵波声波c = 髟一形，所以： c 2 豢+ 掣势警 如果结构作简谐运动，则有：孝= 乒朋 所以上式可以简化为： 氅+ 去一a s ( x ) 一a e + 后2 f ：o 觑2 。s g ) a z 劫” ( 2 1 ) 1 4 中南大学硕士学位论文第二章直入式铝熔体处理超声振动系统的设计 式中七= 如其是均匀等截面，即爿g ) = 常数，则有 豢彬鲫 因振速y = j 蟛，同样可得出类似上式的各个方程。 节面 s 4 s 2 4 一1 一兰 2 s 3 哇 ， _ - 卜】【4 j 3_ 一x l1 卜x 2 l 4 l 3 l 1 一 1 2 f - 一 v f _ 一 图2 - 4 压电陶瓷元件示意图 纵向复合振子，通常在压电陶瓷元件部分存在节面，所以可把其看作由四部 分组成，如图2 - 4 组成。各部分的坐标、边界条件、尺寸标注等用角标n 区别表 示，则振子各部分振速方程为： 器州2 铲。川2 3 ( 2 - 2 ) 由此解出式( 2 2 ) 的通解为： i n 如。) = a 。s i n k 。z 。+ c o s k 。z 。 ( 2 3 ) l 如。) = 鲁鲁一j z 。“# s i n k , , z n 吃c o s k n z n ) ( 2 - 4 ) 式中z 。= 以s 。为振子各部分的特性声阻，a 。和b 。为待定系数。 ( 2 ) 振速分布和应力分布 先考虑节面右侧部分，如图2 4 ，边界条件为： y l ( o ) = 0 v 1 “) = v ：( o ) 1 2 ( f 2 ) - - - - - v ， f l “) = f 2 ( o ) r 2 ( 1 2 ) = 一z 。v ， 1 s 声振动系统的设计 式中v b 为振子尾端振速。 f , ( o ) - - f , 0 。) f , ( o ) - - o 由式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 以及边界条件，同样可得到频率方程： 振速分布 似，胁。，。) = z 3 z 4 v，蚺叱等siil七，g3-13)111_ s意l f l v 4 g 4 ) = ，6c o s k 4 x 4 1 6 a 2 、b 2 得 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 露到空气中，由 ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 中南大学硕士学位论文第二章直入式铝熔体处理超声振动系统的设计 应力分布 口3 g 3 ) ：j p 3 勺_ c o s 万k 4 1 4c o s 七3 g 3 一，3 ) s m 丘1 f 1 0 - 4g 4 ) = y p 4 c 4 ，6s i nk 4 确 2 ) 振子前后振速之比 由图2 - 4 可知，节面处边界条件为弹性力连续，则 曩( o ) = 毋( ，) 由式( 2 8 ) 和式( 2 1 3 ) 化简整理得到： 一j z i r f 等= y z 3 v b 鬻 所以振速比为： 、|z 3c o s k 4 1 4s i n k i l l v bz ls i nk 3 1 3c o s k 2 1 2 由于换能器一般用同一种陶瓷材料，故z 。= z ：，所以： v f c o s k 4 1 4 s i nk l l l 一= 一 v 6 s i nk 3 1 3c o s k 2 1 2 式中，负号表示复合式压电振子前后边界面的振速是相反的。 2 2 5 换能器的设计 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 为了满足工程设计要求，在设计中不影响超声换能器性能的前提下，做了如 下假设： 1 ) 任一截面上的应变是均匀的； 2 ) 晶片及激励相位满足理想条件，即认为各晶片激励振动波传递到变幅杆输出 端视同相叠加的。 对于在工程实用中长度大于直径，以及晶堆总厚度小于四分之一波