聚焦式功率叠加超声振子及钛丝拉拔研究

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1、硕士学位论文聚焦式功率叠加超声振子及钛丝拉拔研究（工程硕士）FOCUSEDULTRASOUNDTRANSDUCERSWITHPOWERSUPERPOSITIONANDTHETITANIUMWIREDRAWINGWITHTHEM郭凯哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TM619学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文聚焦式功率叠加超声振子及钛丝拉拔研究（工程硕士）硕士研究生：郭凯导师：单小彪副教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM619U.D.C

2、:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringFOCUSEDULTRASOUNDTRANSDUCERSWITHPOWERSUPERPOSITIONANDTHETITANIUMWIREDRAWINGWITHTHEM（MasterofEngineering）Candidate：GuoKaiSupervisor：AssociateProfessorShanXiaobiaoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：

3、SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要钛作为一种重要的金属材料，其加工困难尤其钛丝难以拉拔。传统钛丝拉拔工艺存在能量消耗高、断丝率较高、模具损坏率高、丝质表面差等缺点，而在钛丝的拔丝之中引入振动会对钛丝拔丝的过程有诸多好处。而现有超声振动系统存在着设计工作麻烦、振幅较小、振动功率不足等缺陷，故本文研究多振子情况的聚焦式超声叠加振动系统以及其在钛丝拉拔过程中的作用。本文研究了拔

4、丝过程振动参数的影响规律，通过建立钛丝拔丝模型，分析拔丝过程施加振动参数对拔丝力及接触应力等的影响。通过分析振动参数对拔丝过程的影响，结合之后设计的振动系统特性指导选取合理的结构参数。本文设计两种不同结构的聚焦式多振子叠加超声振动系统，分别为：双振子空间交错聚焦式振动系统和三振子方向变换聚焦式系统。设计过程中通过数学解析法理论分析和推导初步设计出两种变幅杆的结构参数，建立振动系统的初步的结构模型，经过有限元ANSYS软件模态分析和结构改进，最终确立所设计两种振动系统的结构参数。针对双振子交错聚焦式的振动拔丝系统，通过对超声振动系统的理论研究及结构设计，初步确立超声拉丝的振动参数，利用四段网

5、络法理论，分析并确定超声换能器结构参数，同时分析了交错布置振子的交错位移和夹角等参数对产生振动的影响规律。对于三振子聚焦式振动拔丝系统，通过对振动方程的求解得到拔丝系统频率与参数关系，从而确立三振子聚焦式拔丝系统的结构参数和其放大倍数，同时通过有限元仿真获取其振动参数并与双振子交错聚焦式系统进行对比。对拔丝模型中的拔丝硬模分别施加所设计的超声振动系统的振动条件和无振动条件，模拟所设计的超声振动系统钛丝拉拔和普通条件下的钛丝拉拔，从而可以得到在不同拔丝速率和振动条件下钛丝拉拔的结果。对两种聚焦式多振子叠加振动系统进行钛丝拔丝实验研究，根据设计加工钛丝拔丝所用的两种聚焦式多振子叠加振动拔丝系统

6、、测试系统，并自主设计研制出应用于金属丝拉拔的拉丝机。对所设计双振子交错式振动系统和三振子聚焦式振动系统进行阻抗匹配设计，从而将设计的两种振动系统应用钛丝的拔丝试验中。通过试验测定超声振动拉丝的拉拔力和SEM显微镜下测试出加工后钛丝表面质量。理论仿真与拔丝实验结果进行对比，结果表明：本文中设计的两种聚焦式拔丝系统对钛丝拔丝有着良好作用，本文的研究对钛及钛合金丝等难拉拔丝材的高效率生产提供了方法和理论指导。关键词：超声加工；钛丝；拉拔；变幅杆-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractTitaniumanditsalloysarematerialshardtobeprocessed,

7、especiallyinthewiredrawingprocess.Whilethereexistsmanyproblemsinthetraditionaltitaniumwiredrawingprocess,forinstance:highenergyconsumption,highwire-brokenrate,highmolddamagerate,poorsurfaceconditionofthewiredrew,