铝合金超声波铸造用变幅杆的设计与研究

　　由于高能超声波具有独特的声学效果，在金属凝固过程中施加超声振动可以有效促使粗大的柱状晶变成均匀细小的等轴晶，且铸锭的宏观及微观偏析得到了明显的改善[1-3]。为了有效地将超声振动导入到金属液中，超声波振动系统的设计非常重要。其中超声变幅杆是超声波振动系统的重要组成部分，其主要作用是把质点机械振动的位移或速度放大，及将超声能量集中在较小的面积上。超声波在铝熔体中传播时，随着传播距离的增加超声波在传播过程中能量衰减。在靠近工具头端面超声近场处会产生剧烈的空化效应，从而可以改善金属组织、细化晶粒，提高力学性能。声强与质点振幅、频率关系式为：

　　式中，ρ为铝熔体的质量密度;c为超声波在铝熔体中的传播速度;ω为振动圆频率;A为质点的位移振幅值[4-5]。该关系式表明在铝熔体中，当频率一定时，声强与质点的位移振幅平方成正比。现有的变幅杆输出端位移振幅为ξ1=9.2μm。可见为了提高振动系统输出端的声压使其空化效应更强烈，可以增大超声系统输出端面的振幅。

　　本文利用ANSYS软件研究了不同的材料特性和母线形状对变幅杆共振频率和放大系数的影响。根据铝合金铸造的特点和变幅杆的设计原理，设计了双阶梯型变幅杆，并利用该软件对设计的变幅杆进行了模态分析。

　　1超声波变幅杆的材料及形状的设计

　　描述超声变幅杆的性能的主要参数有：共振频率、放大系数、形状因数和输入阻抗等[6]。放大系数是指变幅杆工作在谐振频率时输出端与输入端质点的位移或振幅的比值。影响变幅杆性能的主要因素有：材料特性、母线形状、截面形状、尺寸大小等[7]。本节主要考查在相同的面积系数下材料特性和母线形状对变幅杆放大系数和共振频率的影响。

　　1.1不同材料的影响

　　变幅杆的材料对其性能有较大影响，研究中分别选用较常用的铝合金、45钢和钛合金设计了3个谐振频率为20kHz的半波长圆锥形变幅杆。变幅杆大端截面 准54mm，小端面准31mm。根据变幅杆的设计原理[8-9]，可以得到各变幅杆的性能，并在ANSYS 有限元分析软件中对其进行仿真分析。为了分析它们性能的差别，将理论计算和仿真所得各变幅杆的主要参数值分别列于表1。可知，在相同的面积系数下，钛合金变幅杆的仿真结果与理论值最接近，其放大倍数也最大;其次是45钢;铝合金最小。钛合金材料性能好，力学损耗低且耐腐蚀性强。45钢具有声阻小、热损耗低、抗疲劳强度高、制造方便、价格适宜的特点，是制作变幅杆的优选材料。