高频激振作用下的塑性变形实验装置的设计

　　已有研究表明，外加振动对金属的塑性变形过程有着显著的影响[1，2]。例如，振动能够使材料产生“硬化”或“软化”、降低塑性变形力与表面摩擦、提高工件表面质量等。而“振动塑性加工”，就是为达到降低成形力和模具与工件间的摩擦力、提高加工表面质量的目的，给被加工材料或工具沿某个方向主动施加一定频率、振幅的可控振动的一种成形方法。迄今为止，振动塑性加工方法已经在拉拔等某些塑性加工中得到了实际应用[2]。事实上，在材料成形领域，如机械切削、铸造、焊接等，振动也得到了广泛应用[3，4]。

　　由于低频振动噪声污染大、隔振设备要求严格，而超声波附近的高频振动噪音小、调节方便、技术较成熟，因此通常多采用这种激振的方式。

　　目前，对振动影响塑性变形过程等相关问题的研究还比较少，对于振动对不同金属塑性变形行为的具体作用及其影响机理等问题尚不清楚。虽然已有一些研究人员设计了用于超声激振作用下的单向拉伸试验装置[5，6]，但设计中仅采用了近似解析计算，且没有对装置整体进行系统的分析，理论结果与实际情况误差较大。为了更好地测定动态条件作用下金属材料的力学性能，笔者设计、制造了一套可用于高频( 超声波附近) 激振作用下的金属试样的单向拉伸或压缩试验装置，并采用有限元动力学分析方法对装置进行了优化设计。

　　1 高频激振系统及其组成

　　高频激振系统主要由超声波发生器、换能器、变幅杆、试样( 或工具) 等部分组成(图1)。其中，发生器将220V的交流电压转换为(准)超声频的电振荡信号并将其传送给换能器，换能器将高频电振荡信号转换成同频率的机械振动，然后传输到变幅杆; 变幅杆的作用是将换能器输出的振幅进行放大，并最终将高频机械振动波施加在工件或工具上，从而实现振动塑性变形或加工。本设计中，变幅杆与换能器间、工具头或工件与变幅杆间均采用螺纹连接。选用超声波发生器的工作频率为15kHz、最大输出功率为2kW。

　　2 高频激振系统的设计

　　2.1 换能器的设计

　　换能器一般由前、后盖板、压电陶瓷片、螺栓、金属电极片和螺栓绝缘套管等组成，如图2所示。笔者所选压电陶瓷材料为PZT-8，规格为60-20-10的薄环圆形状。

　　为得到较大的前、后盖板位移振幅比，增强换能器前端辐射能力，换能器前后盖板选用硬铝和40Cr合金钢[7，8]，所有盖板外径均设计为60mm。根据理论计算[6]，前、后盖板长度分别取77mm和30mm。

　　2.2 变幅杆的设计