激光沉积成形用超声振动系统的研制

设计与研究Ｄｅｓ啪ａｎｄ　Ｒ嗍　激光沉积成形用超声振动系统的研制　钦兰云①②　王　维①②　杨　光①卞宏友①　（①沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁沈阳１１０１３６；　②沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳１１０８７０）　摘要：为了细化晶粒、均匀组织成分，将超声振动引入激光沉积成形系统中。．针对沉积系统的结构特点，设　计了超声振动系统，对其中的超声电源和换能器进行了选择，并对超声变幅杆进行了设计和计算；然　后测试了系统性能。并采用工艺试验验证其效果；从试验试件的宏观形貌、内部组织两方面，分析了　超声振动对沉积层组织的影响。结果表明施加超声作用后沉积层单道沉积高度变小，原本较长的枝　晶被振动的各种效应打碎。晶粒得到细化。　关键词：激光沉积成形中图分类号：ＴＧ６６５　超声振动换能器变幅杆　文献标识码：Ａ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｌａｓｅｒ　ｍｅｔａｌ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ＱＩＮ　Ｌａｎｙｕｎ①②，ＷＡＮＧ　Ｗｅｉ①②，ＹＡＮＧ　Ｇｕａｎｇ①，ＢＩＡＮ　Ｈｏｎｇｙｏｕ①　（（￣）Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１０１３６，ＣＨＮ；　（￣）Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１　１０８７０，ＣＨＮ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ＬＭＤ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｔｏ　ｒｅｆｉｎｅ　ｔｈｅ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃ—　ｔｕｒａｌ　ｈｏｍｏｇｅｎｅｉｔｙ．Ｓｏ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｉｔｓ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ，　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｅｓｔｓ　ｉｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ａｔ　ｌａｓｔ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｐ—　ｐｌｉｅｓ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｆａｂｒｉｃａｔｅ　ｔｈｅ　ｓａｍｐｌｅ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｉｔｓ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｉｔｓ　ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃａｌ　ａｐ—　ｐｅａｒａｎｃｅｓ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｂｙ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｐｏｓｉｔ　ｌａｙｅｒｓ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｓｍａｌｌｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍａｋｅ　ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ　ｓｔｒｏｎｇｅｒ　ａｎｄ　ｌａｓｅｒ　ｂｅａｍ　ｅｎｅｒｇｙ　ｍｏｒｅ　ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｉｔ　ｃａｎ　ｂｒｅａｋ　ｔｈｅ　ｌｏｎｇｅｒ　ｄｅｎｄｒｉｔｅ　ｔｏ　ｒｅｆｉｎｅ　ｔｈｅ　ｇｒａｉｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒ　Ｍｅｔａｌ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　在钛合金激光快速成形的试验中，成形零件与基　材结合处以及成形层间易发生翘曲变形甚至开裂，零　件内部的熔覆层与熔覆层之间或道与道之间容易产生　气孔甚至熔合不良缺陷。零件的翘曲变形、开裂将导　致成形过程失败，造成人力、物力的损失；零件的内部　领域，逐渐发展到焊接、熔覆等涉及金属熔化凝固的领　域　Ｊ。超声振动是机械振动的一种，是金属凝固过　程中改善组织、提高力学性能的有效方法之一，功率超　声波在液态金属中传播时，其高频振动和辐射压力对　媒介产生机械作用、热作用、空化作用和声流作用等，　对液态金属结晶过程造成影响，其公认的效果有细化　晶粒、组织均匀化、组织净化（去气、除渣、提纯　等）［８－９］。　缺陷是导致零件失效，零件力学性能降低、使用寿命缩　短及安全性不可靠的主要原因¨　。因此有必要采取　一定措施细化晶粒，优化组织，从而改善合金的力学性　能。　基于以上原因，本文旨在研制激光沉积成形制造　目前国内外通过物理场来改善金属凝固组织、减　少内部缺陷、提高力学性能的方法主要有电磁搅拌及　用的超声振动系统，把超声振动引人钛合金激光沉积　成形系统中，以期达到细化晶粒、均匀组织成分、提高　沉积层组织的力学性能。　超声波处理等手段，这些方法最先应用在传统的铸造　辽宁省自然科学基金（２０１２０２１７３）；中航工业产学研专项项目（ＣＸＹ２０１１ＳＨ１６）　・　５０　・　∥　￡…Ｏ　帚Ｊ等　　１超声波振动系统的搭建　超声波振动系统由超声波发生器（电源）、换能　器、变幅杆等部件组成。超声波通过振动的载物台导　人到被加工的基板上，然后再经过波在基板上的传播　导入到熔融的熔池内。超声波连续不断地对熔池作　用，从而实现超声场在激光沉积成形过程的施加。　１．１超声波设备的组成　图１为钛合金激光沉积成形系统施加超声振动的　示意图。超声波设备由超声波发生器和振动系统两大　部分组成。其中超声振动系统又包含超声波换能器、　载物台及支架、基板、沉积层。结合激光沉积制造系统　的特点，将振动部分的载物台及支架、基板、沉积层　（包含已经加工和将要加工的部分，动态变化）等同于　变幅杆。　图１超声系统示意图　超声波发生器其实就是超声波专用驱动电源，用　于产生高频高功率电流，驱动超声波振动部件工作。　其功率可调，以适应不同的工作状态。发生器内还可　根据需要集成有时序控制器，设定控制超声波发振时　间和间歇时间。本系统选用定制的数字超声波驱动电　源，输入电压２２０　Ｖ，最大工作点电流１．５　Ａ，输出频率　在ｌ７～２３　ｋＨｚ。　换能器是将高频电振荡信号转换成机械振动，目　前主要有磁致伸缩式和压电式两种。系统采用夹心式　压电换能器，型号为ＹＰ一５０２０—４Ｚ，其参数如下：最大　输出功率１　５００　Ｗ，压电晶片数４片，谐振频率２０　ｋＨｚ，电阻１５　Ｑ，电容１１　０００～１６　５００　ｐＦ。　超声变幅杆又称为超声变速杆、超声聚能器，在高　声强超声设备中，变幅杆可以使把机械振动的质点位　移或速度放大，或者是将超声能量集中在较小的面积　上。为了使换能器的超声波能量更有效地传到负载　上，变幅杆是按照严格的声学传播原理，计算出各相关　尺寸的，这样传播的超声波能量也就越大　：　，一　‘ｕＩｏ年帚ｊ等　　Ｊ＝　ｃ（　）　（１）　式中：Ｐ为弹性介质的密度，ｋｇ／ｍ　；ｃ为弹性介质中的　波速，ｍ／ｓ；Ａ为振动的振幅，ｍｍ；　为圆频率，ＯＡ＝２　，　ｒａｄ／ｓｏ　变幅杆的作用是放大换能器所获得的超声振动振　幅，以满足超声加工的需要。常用的变幅杆有阶梯形、　指数性、圆锥形、悬链形等。截面越小，能量密度就越　大，振动的幅值也就越大＿】。。。为了获得较大的振幅，　应使变幅杆的固有振动频率和外有激振频率相等，处　于共振状态。因此变幅杆的长度要等于超声波的半波　长或其整数倍。　Ａ＝÷　（２）　如果按照式（２），选用４５钢，并对其进行加热到　８５０℃在水中淬火，５２０℃回火１　ｈ的热处理，此时其　损耗系数最小为２　０００，声速ｃ＝５　１６０　ｍ／ｓ，若取　＝２０　ｋＨｚ计算，变幅杆半波谐振长度最小为Ｚ＝Ａ／２＝ｃ／（２／）　＝１２９　ｍｍ。　受系统真空箱空间所限，载物台和基板的厚度应　在保证振动系统的刚度的基础上尽可能小。通过计算　后选取载物台厚度　为１５　ｍｍ，而基板的厚度及大小　可根据具体的实验需求确定，一般为了保证其在成形　过程中不发生大的变形，厚度选Ｌ　Ｉ＞５　ｍｍ。当载物台　及基板分别为边长Ａ　＝２００　ｍｍ，Ａ：＝４０　ｍｍ的正方形，　如图２所示的超声波波形图，由超声波的波形图可知，　当　＋　：＜￣Ｌ／６时，基板上表面能获得比较大的振幅。　图２超声波波形图　载物台与基板靠螺纹紧密连接，两者组合后的结　构与阶梯形变幅杆特点类似，所以载物台和基板的组　合结构具有梯形变幅杆的特性。可近似推出：　基板与载物台之间面积系数Ⅳ。：＝５。／Ｓ　＝ＡＺｌ／Ａ　＝　．设计与研究　ｇｎ０ｎｄ　Ｒ洲『ｃｈ　２５；　统的谐振频率进搜索，调节过程中超声波发生器的输　／　。＝Ｓｏ／Ｓ　＝　载物台与换能器之间面积系数ＷｏＡ　＝０．ｏ５；　出电流最大时所对应的振动频率即为振动系统的谐振　频率　］。　测量基板振幅时首先将　基板固定到载物台的中心位　置如图３，并把频率调到系统　基板与换能器之间的面积系数Ｎ＝Ｎｏ×Ｎ　：＝　．　．１．２５；　放大系数　＝Ｎ２＝１．５６；　频率方程ｋｌ：竹　＝０．０１２；　位移节点长度及应变最大点长度重合即　：　＝　Ａ／４＝６４．５　ｍｍ；　的谐振频率，然后将振幅测　量仪垂直置于基板中心位置　并置零，开启超声振动，便可　■　形状因数：理论上　＝１，但实际　＜０．８。　基板与振动台作为超声振动的传播媒介，其对超　声波振幅的放大倍数约为１．５６，由于超声波在传播过　程中机械损失、热损失等，当基板与载物台处在谐振状　态时，基板表面的振幅可达６～８　ｍ，鉴于激光所形成　的熔池非常小，足以对熔池的熔凝起到一定的机械搅　拌作用及超声空化效应。　在成形过程中，试件的质量及尺寸一直在增加，所　以把试件和基板作为一个整体，令其等效于有负载的　变幅杆来研究。钛合金沉积成形属于增材制造，相当　于作用在基板上的载荷一直在变，而成形零件的截面　形状也在不断地变化，如果要分析基板及工件某个加　工节点的共振频率，首先要确定其截面特征，然后按照　对应的类型再分析负载对频率的影响。如当加工试件　为截面均匀的杆，横向尺寸小于波长的１／１０，长度小　于波长的１／４，可以用下式来计算试件的等效质量　。　Ｍ　：　＝—　ｍ　（３）　，ｃ　式中：ｍ，为试件质量。　（４）　式中：ｔ为试件激光熔覆时间；ｄｍ为试件沉积层生成　速度，ｇ／ｓ；　为系数，　＝ｔｏ／ｃ　；ｃ　为试件的纵波速度。　则试件成形过程中整个振动部分的共振频率方程　为　ｔａｎ（ｋｂ）ｌａｎ　）＝　（５）　式中：ｓ　为试件扫描平面的截面积；ｂ为基板的厚度；Ｚ　为载物台与基板的厚度和；Ｊｓ，为基板截面积。　２．２超声振动台性能测试　激光沉积成形加工钛合金零件的形状、大小不尽　相同，导致所需基板的大小或厚度也不尽相同，不同大　小的基板与载物台组成的振动系统其谐振频率也略有　变化。实验前通过手动调节超声波发生器频率，对系　・　５２　・　得到此点的振幅值。为了检　图３基板振幅测量示意图　测基板上的振幅是否分布均　匀、对称，被测点的选取如图４所示。　ｔ－－一Ｉ　卜一Ｉ　一　一　●一一，　图４基板振幅被测点的选取　表１为ＴＣ４基板上振幅测量结果，其谐振频率为　ｌ９．２　ｋＨｚ，振幅平均为９　ｍ。振幅的大小与基板的大　小、厚度等有关，在成形加工时尽量保证所用基板规格　一致。由于基板一般是对称的，测量点可以减少；对于　常用的基板在载物台上有固定的安装位置，可直接使　用。此外这种５　ｍｍ厚的基板与载物台组成的振动子　在系统的频带范围内还有两个谐振点，频率分别大约　为１８．１　ｋＨｚ和２１　ｋＨｚ，基板中心振幅分别为４　ｍ和　６　ｍ。在试验过程中所选的谐振起始频率均为系统　振幅最大时所对应的频率。　２超声辅助激光成形工艺试验　２．１试验条件　试验采用的激光沉积成形工艺参数为：激光功率　ｌ　８００—２　１００　Ｗ，焦距３００　ｍｍ，扫描速度２—１０　ｍｍ／ｓ，　表１基板振幅测量结果　ｍ　不同位置振幅　０１　，０２　０，３　，０４　，０５　ｂ１　１０　９　９　９　９　ｂ．●　　８　８　８　９　９　ｂ３　８　８　８　９　１Ｏ　ｂ４　９　９　９　９　１Ｏ　’０等　０ａｒ－　　设计与研究Ｄｅｓ叼．ｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　扩口组对机的创新与优化设计　路永军　常言忠　（山东法因数控机械股份有限公司，山东济南２５０１０１）　摘要：根据生产线使用情况，介绍热水器内胆扩口组对生产线在设计过程中的不断创新与优化设计。　扩口组对　关键词：热水器中图分类号：ＴＮ８０５　文献标识码：Ａ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｆｌａｒｉｎｇ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｍａｃｈｉｎｅ　ＬＵ　Ｙｏｎｇｊｕｎ，ＣＨＡＮＧ　Ｙａｎｚｈｏｎｇ　（Ｓｈａｎｄｏｎｇ　ＦＩＮ　ＣＮＣ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｃｏ．。Ｌｔｄ．。Ｊｉｎａｎ　２５０１０１。ＣＨＮ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｔｅｘｔ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｗｉｎｅ　ｕｓｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｗａｔｅｒ　ｈｅａｔｅｒ　ｌｉｎｅｒ　ｆｌａｒｉｎｇ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｃｉｎｅ　Ｓ　ｃｏｎｔｉｎ—　ＵＯＵＳ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗｈｅｎ　ｉｔ　ｉｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｗａｔｅｒ　Ｈｅａｔｅｒ；Ｆｌａｒｉｎｇ；Ａｓｓｅｍｂｌｙ　扩口组对机是热水器生产线上一种重要设备生产　线，由中筒扩口机和内胆组对机两大部分组成。随着　热水器行业的迅猛发展，市场对扩口组对机的需求量　气控制系统等组成。床身两侧装有筒长调整丝杆和推　进油缸，可实现动力箱的推进和退回，调整动力箱在床　身上的位置，满足不同长度中筒的扩口需要。涨紧头　越来越大，上料方法也越来越多样化、复杂化，封头与　中筒组对后的定位要求也越来越高。为此，在第一代　扩口组对机的结构基础上，进行了设计创新，增加了新　的机构，进行了结构的性能优化，不断满足生产厂家新　的作用是涨紧中筒并使之旋转。左、右扩口机构装在　左、右涨紧动力箱上，其作用是对中筒两端同时扩口。　第一代扩口机构的结构如图ｌ所示，该机构由固　定支架，移动支架，油缸，主、从滑块，滚柱，上、下旋压　轮等组成。通过旋转调整丝杠可使移动支架在固定支　架的导向槽内上下移动，改变机构的高度，适应不同直　径中筒的扩口需要。移动支架上装有主动滑块与从动　的需要同时，提高了产品竞争力。　１　第一代扩口组对机的原理与特点　首先大略介绍第一代扩口机的结构与工作原理。　扩口机主要由床身、左、右涨紧动力箱及涨紧头、涨套、　左、右扩口机构、上料架、光电保护器、气动、液压和电　国铸造活动周论文集：３５３—３５７．　［４］秦雷．消除焊接残余应力的超声冲击设备的设计与研究［Ｄ］．沈阳：　东北大学，２００８：１—２Ｏ．　滑块，两滑块上各自开有不同的凸轮槽，移动支架中间　隔墙上开有水平导向槽，滚柱装在水平导向槽内，其两　端分别插在两滑块的凸轮槽内，当主动滑块在油缸驱　［１２］Ｚｈａｎｇ　Ｑ　Ｘ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｉｎｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎ—　ｆｏｒｃｅｄ　ｐｏｌｙｍｅｒｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｍａｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　１９９４，７（１）：７２－７７．　［５］管建军，宋天民，张国福，等．机械振动对焊接熔池金属凝固过程的　影响［Ｊ］．抚顺石油学院学报，２００１，２１（４）：５１—５４．　［６］程源．焊接应力、变形及其振动消除研究［Ｄ］．大连：大连理工大学，　１９９９：２１—３２．　［１３］杨光．钛基功能梯度材料激光快速成形技术研究［Ｄ］．沈阳：中国　科学院沈阳自动化研究所，２０１０：５６—７０．　［１４］龙日升，刘伟军，卞宏友，等．扫描方式对激光金属沉积成形过程热　应力的影响［Ｊ］．机械工程学报，２００７，４３（１１）：７４—８１．　［７］陈畅源，邓琦林，宋建丽．Ｎｉ含量及超声振动对激光熔覆中裂纹的　影响［Ｊ］．南京航空航天大学学报，２００５，３７（１Ｉ）：４４－４８．　［８］李军文，桃野正，付莹．超声波功率对铸锭内的气孔及组织细化的影　响［Ｊ］．铸造，２００７，５６（２）：１５２—１５４．　第一作者：钦兰云，女，１９７７年生，在读博士，讲　师，主要从事激光快速成形和直接金属沉积修复等方　面的研究工作，以及钛合金激光快速成型的成形工艺，　［９］陈畅源，邓琦林，宋建丽．超声振动对激光熔覆过程的影响［Ｊ］．电加　工与模具，２００５（３）：３７—４０．　［１０］张云电．超声加工及其应用【Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９５．　修复工艺等，已发表论文１０余篇。　（编辑文章编罨：ｌ３ｏ３１７　余捷）　（收稿Ｅｌ期：２０１２—０９—１４）　［１１］曹凤国．超声加工技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００５：４—１５．　如果您想发表对本交的看法，请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。　’　；　￡…Ｏ平帚０朋