复合超声振动拉丝的理论与实验研究

论文摘要

超声振动拉丝是在常规拉丝过程中叠加超声振动的新型加工工艺,属于超声塑性加工的一种。本文在前人研究的基础上从金属材料塑性变形的影响因素和金属线材的拉拔基础入手,在大量查阅资料的基础上,进一步对超声振动拉丝机理进行了分析。本文通过对拉丝过程进行有限元仿真,从机理上研究复合超声振动、纵向超声振动、横向超声振动三种超声振动形式对拉丝过程的作用效果和影响。仿真结果中重点分析了拉丝过程中的拉拔应力和摩擦应力,结果表明在相同的拉丝速度下复合超声振动比其它两种振动形式的作用效果都好,可以很大程度上减少拉拔应力和摩擦应力。同时本文在理论分析的基础上,从变截面杆的一维纵振方程出发,根据四端网络传递方程和端面的运动状态推导出了常用截面形状细杆在各种运动状态下的边界条件和四端网络传递矩阵参数和频率方程。根据超声振动拉丝实验要求,研制了复合超声振动拉丝装置,并利用有限元软件对整个振动系统进行了模态、谐响应、瞬态分析,验证了设计的正确性。为了更好的解决难加工材料的拉丝,研制了功率性能更好的单独纵向超声振动拉丝装置。根据换能器的等效电路模型,对换能器的电阻抗特性进行了分析,并进行了阻抗测试和匹配电路分析。在此基础上,对超声振动系统进行了电路调试和振动测试以确保超声振动拉丝实验的有效进行。最后,在以哈尔滨电缆厂LH-200/17型拉丝机作为平台的实验中,开展了在铜丝拉拔中的普通拉拔、纵向激励拉拔、横向激励拉拔以及复合超声激励拉拔情况下的拉拔实验,并对不锈钢丝进行了复合超声振动拉拔和功率性能较好的单独纵向超声振动拉拔实验。观察了各种超声振动状态对拉拔力和拉丝线材表面形貌及显微组织的影响。通过对实验过程进行定性分析,发现复合超声振动比其它两种振动形式更显著地降低了拉拔力和延长张力调节周期,改善了模具与拉丝线材之间的接触状况,减少了丝材表面的划痕、麻坑等缺陷,提高了表面加工质量,消除了生产中出现的经常断丝的现象,提高了生产效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 拉拔
• 1.2.1 拉拔的基本概念
• 1.2.2 拉拔工艺的特点
• 1.3 超声振动拉丝
• 1.3.1 超声波拉丝概述
• 1.3.2 国内外在超声波拉丝方面的研究现状及分析
• 1.4 课题研究的背景、目的和意义
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 复合超声拉丝系统的结构设计与仿真分析
• 2.1 复合超声振动拉丝装置的结构设计
• 2.1.1 超声振动系统的结构设计
• 2.1.2 超声振动系统的材料选择
• 2.1.3 复合超声振动拉丝原理
• 2.2 夹心式换能器的理论分析与设计
• 2.2.1 变截面细棒的一维纵振方程和四端网络法
• 2.2.2 四端网络传输参数及多截面杆的四端网络求解法
• 2.2.3 夹心式换能器的设计以及等效面积法
• 2.3 复合变幅杆的理论分析与设计
• 2.4 超声振动系统的仿真分析
• 2.4.1 超声振动系统的模态分析
• 2.4.2 换能器的谐响应分析
• 2.4.3 换能器的瞬态分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 超声振动拉丝机理的有限元分析
• 3.1 超声振动拉丝的机理分析
• 3.2 超声振动拉丝过程仿真
• 3.2.1 拉丝过程的建模
• 3.2.2 拉丝过程中载荷的施加
• 3.3 仿真结果分析
• 3.3.1 各种超声振动形式的应力分析
• 3.3.2 各种超声振动形式的摩擦分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 超声振动系统的电学匹配和性能测试
• 4.1 超声换能器电学匹配的基本原理
• 4.2 换能器的动态特性分析
• 4.2.1 换能器的等效电路
• 4.2.2 超声振动系统的阻抗测试
• 4.3 换能器的匹配研究及测试实验
• 4.3.1 换能器的调谐匹配
• 4.3.2 换能器的测试实验
• 4.4 本章小结
• 第5章 超声振动拉丝实验
• 5.1 实验准备
• 5.2 超声振动拉铜丝实验
• 5.2.1 超声波对拉拔力的影响
• 5.2.2 超声波对表面粗糙度的影响
• 5.3 超声振动拉不锈钢丝实验
• 5.3.1 复合超声振动拉不锈钢丝实验
• 5.3.2 单独纵向振动系统拉不锈钢丝实验
• 5.4 实验现象分析
• 5.4.1 对定径区摩擦力方向的影响
• 5.4.2 对定径区摩擦系数的影响
• 5.4.3 对于减径区高速冲击效应
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢