[發明專利]一種基于分段諧振設計的超聲振動拉伸試驗裝置及其設計方法與應用

在審

• 申請號: 202110302217.8
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN112858010A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 丁文鋒;吳幫福;徐九華;曹洋;傅玉燦;蘇宏華;陳燕;楊長勇;趙正彩;張全利;殷景飛
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/04;G01N3/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 曹翠珍

本發明涉及一種基于分段諧振設計的超聲振動拉伸試驗裝置及其設計方法與應用，該裝置主要包括上固定夾頭、上拉伸固定支撐結構、超聲諧振結構、下拉伸固定支撐結構和下固定夾頭；拉伸試樣的兩端分別通過螺紋與兩個變幅桿的小端連接，兩個變幅桿的圓錐形部分分別固定于上、下拉伸固定支撐結構，與上拉伸固定支撐結構的底板固定的變幅桿連接至壓電陶瓷換能器；變幅桿和拉伸試樣分別進行半波長諧振設計，然后按照變幅桿?拉伸試樣?變幅桿的空間結構順序裝配在一起，使其諧振頻率與壓電陶瓷換能器的激勵頻率一致，利用該裝置可以實現特定頻率和振幅下的超聲振動拉伸試驗。

技術領域

本發明屬于金屬材料的力學性能測試領域，具體涉及一種基于分段諧振設計的超聲振動拉伸試驗裝置及其設計方法。

技術背景

鈦合金、高溫合金以及金屬基復合材料等由于高強度、高剛度、耐高溫等特點，被廣泛應用于航空、航天等領域。但是優異的物理力學性能使得這些材料成為典型的高強韌難加工材料，同時也給傳統機械加工(車削、銑削、磨削等)帶來了巨大的挑戰。超聲振動輔助加工是在傳統機械加工的基礎上，對工件或刀具施加超聲頻振動，從而實現材料去除的復合加工方法。在合適的加工參數條件下，超聲振動輔助加工可以減小切削力、降低切削溫度、提高材料去除效率和加工表面質量，同時延長刀具使用壽命。

超聲振動輔助加工在難加工材料的加工方面得到了廣泛的應用，但是超聲振動條件下的加工機理仍然有待繼續探索。研究表明，在對工件施加超聲振動過程中，材料的力學特性會發生變化，如發生超聲軟化效應、超聲硬化效應，進而影響材料的去除機理。因此有必要進行超聲振動拉伸試驗，研究材料的力學特性，從而為闡明超聲振動輔助加工機理奠定基礎。

目前，一些超聲振動拉伸裝置得到了一定程度的應用。發明專利(CN108613871A)公布了一種超聲波輔助拉伸的裝置和方法，該裝置可對材料進行單向或雙向拉伸試驗，但是拉伸試樣為兩頭大中間小的階梯狀結構，在過渡處存在應力集中，可能會影響拉伸試樣的斷裂位置，進而影響試驗結果。發明專利(CN109738325A)公布了一種超聲輔助拉伸試驗機及試驗方法，利用該試驗機可進行超聲振動拉伸試驗，該裝置也忽略了拉伸試樣的影響。這些裝置在設計時，并未考慮拉伸試樣對超聲振動聲學系統諧振頻率的影響，當不諧振的拉伸試樣被固定在裝置上，裝置的整體諧振頻率會發生變化，不僅不利于研究特定頻率對材料力學特性的影響，而且會影響裝置的性能。

發明內容

針對上述超聲振動拉伸裝置技術的不足，本發明提供了一種基于分段諧振設計的超聲振動拉伸試驗裝置及其設計方法與應用，該裝置結構簡單，設計方法計算方便，能夠實現特定頻率和振幅超聲振動條件下材料力學性能測試。

為了實現上述發明目的，本發明采用的技術方案是：

一種基于分段諧振設計的超聲振動拉伸試驗裝置，包括上固定夾頭、上拉伸固定支撐結構、超聲諧振結構、下拉伸固定支撐結構和下固定夾頭；

上、下拉伸固定支撐結構均由頂板、拉桿和底板組成，頂板與底板借助4根拉桿連接四個角而固定，上拉伸固定支撐結構的底板、下拉伸固定支撐結構的頂板中央均設有帶凹臺的通孔用于固定變幅桿；

超聲諧振結構主要包括壓電陶瓷換能器、兩個結構相同的變幅桿和拉伸試樣，其空間結構排列順序為壓電陶瓷換能器-變幅桿-拉伸試樣-變幅桿。

變幅桿為大端接圓柱的復合圓錐形變幅桿，兩端設有螺紋孔，中部設有法蘭，法蘭圓周均布4個通孔，其諧振頻率與壓電陶瓷換能器的諧振頻率一致。變幅桿的數量為2，分別通過法蘭固定在上、下拉伸固定支撐結構底板通孔的凹臺。

拉伸試樣的兩端分別通過螺紋與兩個變幅桿的小端連接，兩個變幅桿的圓錐形部分分別穿過上、下拉伸固定支撐結構的底板通孔后借助法蘭固定在凹臺，與上拉伸固定支撐結構的底板固定的變幅桿連接至壓電陶瓷換能器。