纵—弯复合振动超声挤压加工表面成形机理研究

作     者：段玉涛 

作者单位：河南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑建新

授予年度：2016年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：纵-弯复合振动 超声挤压 表面质量 表面成形 

摘      要：纵-弯复合振动超声挤压加工是一种新型表面光整强化技术,该技术将二维超声振动加工工艺与挤压加工工艺深度融合,实现优势互补,以期获得更好的表面加工质量。本文以7075-T6航空铝合金为研究对象,从理论分析、数值模拟和工艺试验三个方面探究其在纵-弯复合振动超声挤压加工过程中表面成形机理。主要研究内容如下:首先,根据纵-弯复合振动超声挤压加工工作原理,构建了纵-弯复合振动超声挤压加工运动学模型和挤压压痕力学模型,定性分析了复合振动挤压加工时试件表面内应力大小与试件材料本身物理力学性能和挤压工艺参数关系。采用数值分析方法研究了各工艺参数对试件表面内应力的影响规律,结果表明:最大极限内应力随着静压力、半径、振幅和频率的增大而增大,随挤压速度及深度的增大而减小。其次,基于纵-弯复合振动超声挤压加工运动学模型,分别对纵向振动超声挤压加工和纵-弯复合振动超声挤压加工数值模拟,分析了内应力在不同时间步下分布情况,获得了挤压工艺参数变化对残余应力沿深度方向分布影响规律。结果表明:两种挤压方式下,试件表面为残余压应力,随深度增加残余压应力先增后减,后变为拉应力,至基体处接近为零。随静压力增加,残余应力和压应力层深度均有不同程度增大,而挤压速度对其影响相反,随振幅增加残余应力及深度呈小幅度增大趋势,相位差对残余应力影响很小,可忽略不计。最后,通过设计考虑交互作用的正交试验方案,分别进行纵-弯复合振动超声挤压加工试验和常规挤压加工试验,并对试件表面粗糙度、表面硬度及表面微观组织形貌进行测试分析,研究了各挤压工艺参数对试件表面粗糙度及表面硬度的影响规律,构建表面粗糙度和表面硬度预测模型,获得了最低表面粗糙度值和最大表面硬度值下最佳挤压工艺参数。结果表明:相同挤压工艺参数下,纵-弯复合振动超声挤压加工后试件表面粗糙度值优于常规挤压加工;试件表面硬度高于普通挤压加工;纵-弯复合振动超声挤压加工后试件表面形貌优于常规挤压加工和数控车削加工。本课题研究成果有助于进一步完善纵-弯复合振动超声挤压加工机理,为该技术的工程应用提供参考。