超聲振動(dòng)系統(tǒng)性能分析及鋁合金超聲鑄造試驗(yàn)研究.pdf

1、超聲外場(chǎng)處理金屬熔體是改善鑄錠凝固組織，提高材料力學(xué)性能的一種有效方法，是當(dāng)前國(guó)際研究的熱點(diǎn)和未來(lái)鑄造技術(shù)的一個(gè)新的發(fā)展方向。本文以鋁合金超聲鑄造為切入點(diǎn)，主要研究了以下幾方面內(nèi)容： 1、對(duì)整個(gè)超聲振動(dòng)裝置進(jìn)行了系統(tǒng)分析。首先，根據(jù)電-力-聲類比原理，采用高精度的阻抗分析儀，測(cè)量超聲振動(dòng)系統(tǒng)在不同工況下的導(dǎo)納圓。基于導(dǎo)納圓，研究了振動(dòng)系統(tǒng)諧振頻率Fs與機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm的具體變化規(guī)律。結(jié)果表明：Fs和Qm均隨負(fù)載溫度的升高，負(fù)載粘

2、度的增大以及工具桿工作深度的增加而降低；隨負(fù)載橫截面積的增大，一階Fs提高，二階Fs略有降低，而對(duì)Qm的影響相對(duì)較小。以此為基礎(chǔ)，確定振動(dòng)系統(tǒng)與超聲波發(fā)生器的最佳電端匹配。其次，基于對(duì)振動(dòng)裝置失諧現(xiàn)象的探討，分析現(xiàn)有發(fā)生器的電路工作原理，并提出了適合超聲鑄造的電源改進(jìn)思路。 2、針對(duì)現(xiàn)有工具桿的端面為平面，超聲波輻射范圍小，作用區(qū)域小，不利于超聲鑄造的問(wèn)題，根據(jù)Snell定律，并綜合考慮半連鑄時(shí)的金屬液穴形狀，聲強(qiáng)度分布與聲能利

3、用率，對(duì)其端面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用有限元軟件Marc對(duì)工具桿進(jìn)行了模態(tài)分析驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前后的工具桿縱向振動(dòng)頻率基本相同，可保證優(yōu)化后的工具桿與原有振動(dòng)系統(tǒng)匹配使用。 3、詳細(xì)描述了超聲波處理金屬熔體時(shí)的能量傳遞特性，超聲細(xì)晶的兩種主要作用機(jī)制(空化與聲流)和超聲波對(duì)晶體形核、成長(zhǎng)過(guò)程的影響，為試驗(yàn)的開(kāi)展及其結(jié)果的分析提供理論基礎(chǔ)。 4、探討了在超聲處理過(guò)程中，不同的超聲功率、施振溫度、冷卻方式、施振深度和方式對(duì)鑄錠凝固

4、組織細(xì)化規(guī)律，并對(duì)超聲作用距離及鑄錠的力學(xué)性能進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：超聲細(xì)晶存在一最佳超聲功率170W和施振溫度區(qū)間800～660℃；適當(dāng)降低熔體的冷卻強(qiáng)度有利于晶粒細(xì)化；施振深度不宜過(guò)大，否則振動(dòng)強(qiáng)度降低，細(xì)晶效果減弱；當(dāng)選取合理的施振時(shí)間與溫度時(shí)，間歇施振能取得優(yōu)于連續(xù)時(shí)的細(xì)化效果；超聲作用距離與不同的鑄造工況密切相關(guān)；經(jīng)超聲處理后，鑄錠的力學(xué)性能獲得了提高，組織成分也趨于均勻，有利于后續(xù)加工。 通過(guò)上述研究，初步獲得了