實驗名稱：振幅測試實驗

　　研究方向：隨(sui)著科(ke)技的(de)高(gao)速發展(zhan)，航空宇(yu)航、國防、海洋工程、交通運輸工程等高(gao)科(ke)技領域對(dui)機械零(ling)部件的(de)性(xing)能(neng)要(yao)(yao)求更高(gao)，不僅(jin)要(yao)(yao)求良好的(de)光潔度以(yi)增(zeng)加配合精度，追(zhui)求良好的(de)表(biao)面(mian)耐腐蝕(shi)性(xing)、耐磨性(xing)和(he)(he)抗疲勞(lao)強度，還要(yao)(yao)求較高(gao)的(de)表(biao)面(mian)硬度。但是，機械零(ling)部件往往因(yin)為表(biao)面(mian)局部疲勞(lao)、磨損(sun)(sun)及(ji)腐蝕(shi)等造成過早失(shi)效(xiao)。承(cheng)受動載荷的(de)重要(yao)(yao)承(cheng)力(li)機械部件因(yin)磨損(sun)(sun)、腐蝕(shi)和(he)(he)疲勞(lao)等影響設(she)備的(de)使用壽命、造成設(she)備損(sun)(sun)耗高(gao)，由此每(mei)年都(dou)造成巨大(da)的(de)經濟損(sun)(sun)失(shi)。因(yin)而研(yan)究(jiu)高(gao)效(xiao)率、低成本(ben)、易操作的(de)增(zeng)強機械零(ling)部件的(de)表(biao)面(mian)耐腐蝕(shi)性(xing)、耐磨性(xing)以(yi)及(ji)抗疲勞(lao)強度的(de)新技術，來確保機械設(she)備的(de)平穩、安(an)全、長久運行，具有重要(yao)(yao)的(de)經濟價(jia)值和(he)(he)社(she)會意義。

　　超(chao)(chao)(chao)聲加(jia)(jia)工(gong)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)逐(zhu)步應用于實際，其發(fa)展形勢越(yue)來越(yue)好，將(jiang)超(chao)(chao)(chao)聲加(jia)(jia)工(gong)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)與(yu)表(biao)面強(qiang)化(hua)(hua)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)相結合(he)開發(fa)超(chao)(chao)(chao)聲表(biao)面強(qiang)化(hua)(hua)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)，已(yi)成為表(biao)面強(qiang)化(hua)(hua)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)研究(jiu)的(de)(de)(de)(de)新領(ling)域。超(chao)(chao)(chao)聲表(biao)面強(qiang)化(hua)(hua)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)有(you)效的(de)(de)(de)(de)緩解機械(xie)零(ling)部(bu)(bu)件(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)磨(mo)損、腐(fu)蝕(shi)和(he)疲勞(lao)等(deng)難題，在(zai)低強(qiang)剛度(du)(du)零(ling)件(jian)(jian)(jian)(jian)和(he)細(xi)長軸的(de)(de)(de)(de)表(biao)面上(shang)(shang)取得顯著的(de)(de)(de)(de)應用成果。超(chao)(chao)(chao)聲滾(gun)(gun)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)加(jia)(jia)工(gong)是(shi)將(jiang)傳統滾(gun)(gun)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)與(yu)超(chao)(chao)(chao)聲高(gao)頻振(zhen)動相結合(he)，在(zai)宏觀上(shang)(shang)工(gong)件(jian)(jian)(jian)(jian)和(he)滾(gun)(gun)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)刀具是(shi)連續的(de)(de)(de)(de)滾(gun)(gun)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)，而在(zai)微觀上(shang)(shang)是(shi)間歇性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)滾(gun)(gun)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)。滾(gun)(gun)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)過程(cheng)中，滾(gun)(gun)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)刀具與(yu)工(gong)件(jian)(jian)(jian)(jian)是(shi)周(zhou)(zhou)期(qi)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)分(fen)離和(he)接觸，因而滾(gun)(gun)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)變形區的(de)(de)(de)(de)摩擦力(li)和(he)塑性(xing)(xing)變形明顯減少，刀具的(de)(de)(de)(de)滾(gun)(gun)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)速度(du)(du)、滾(gun)(gun)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)進給量(liang)(liang)和(he)滾(gun)(gun)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)深度(du)(du)等(deng)因滾(gun)(gun)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)刀具與(yu)工(gong)件(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)周(zhou)(zhou)期(qi)性(xing)(xing)分(fen)離和(he)接觸而發(fa)生(sheng)周(zhou)(zhou)期(qi)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)(hua)，周(zhou)(zhou)期(qi)性(xing)(xing)變化(hua)(hua)引起滾(gun)(gun)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)和(he)滾(gun)(gun)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)溫度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)降低，有(you)效提高(gao)了刀具的(de)(de)(de)(de)使(shi)用壽(shou)命(ming)及零(ling)件(jian)(jian)(jian)(jian)表(biao)面加(jia)(jia)工(gong)質量(liang)(liang)和(he)精度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)效果,如(ru)增加(jia)(jia)零(ling)部(bu)(bu)件(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)疲勞(lao)壽(shou)命(ming)、提高(gao)零(ling)部(bu)(bu)件(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)耐腐(fu)蝕(shi)性(xing)(xing)、改(gai)善零(ling)部(bu)(bu)件(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)耐磨(mo)性(xing)(xing)等(deng)。近年來，二維(wei)超(chao)(chao)(chao)聲振(zhen)動加(jia)(jia)工(gong)研究(jiu)受(shou)到的(de)(de)(de)(de)重視程(cheng)度(du)(du)越(yue)來越(yue)高(gao)，已(yi)經開發(fa)出復合(he)振(zhen)動加(jia)(jia)工(gong)模態的(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)(chao)聲加(jia)(jia)工(gong)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)。

　　超(chao)(chao)聲(sheng)滾(gun)(gun)壓加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)技(ji)術(shu)在航天航空、國防(fang)、車輛、電力等領域的(de)(de)零(ling)部件(jian)表(biao)面強化加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)中(zhong)具有(you)廣闊的(de)(de)前景，該(gai)技(ji)術(shu)可以(yi)實(shi)現(xian)(xian)金(jin)屬(shu)材(cai)料(liao)的(de)(de)塑性加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)，并且可加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)難加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)成(cheng)型的(de)(de)材(cai)料(liao)，操作簡(jian)單，基本無(wu)切屑及冷卻液，可循環使用，低(di)能耗，迎合(he)綠色可持(chi)續發展(zhan)的(de)(de)要求。因為(wei)滾(gun)(gun)壓加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)成(cheng)本低(di)廉(lian)和操作便捷，從而受到(dao)加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)行業的(de)(de)青睞。但是(shi)，傳統滾(gun)(gun)壓加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)在加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)及應用中(zhong)也存(cun)(cun)在一些缺陷(xian)，例如，滾(gun)(gun)壓會在工(gong)(gong)(gong)件(jian)表(biao)面產(chan)生硬化層(ceng)(ceng)，以(yi)分層(ceng)(ceng)形(xing)式(shi)存(cun)(cun)在，所以(yi)工(gong)(gong)(gong)件(jian)表(biao)層(ceng)(ceng)容易出現(xian)(xian)脫落現(xian)(xian)象；滾(gun)(gun)壓工(gong)(gong)(gong)藝并不完善，加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)過程(cheng)中(zhong)易造成(cheng)廢品。隨著超(chao)(chao)聲(sheng)加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)技(ji)術(shu)的(de)(de)發展(zhan)，把超(chao)(chao)聲(sheng)高頻振動(dong)(dong)引入到(dao)滾(gun)(gun)壓加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)中(zhong)，能有(you)效的(de)(de)克服傳統滾(gun)(gun)壓加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)技(ji)術(shu)中(zhong)存(cun)(cun)在的(de)(de)缺陷(xian)，將超(chao)(chao)聲(sheng)橢圓振動(dong)(dong)引入到(dao)傳統滾(gun)(gun)壓加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)中(zhong)，實(shi)現(xian)(xian)對鋁(lv)合(he)金(jin)棒外圓表(biao)面的(de)(de)超(chao)(chao)聲(sheng)滾(gun)(gun)壓加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)。

　　實驗目的：對超聲振(zhen)子的(de)輸出(chu)端(duan)振(zhen)幅進行測試，為后續實驗做(zuo)論證和鋪墊。

　　測試設備：功率放大器(qi)、信號發生(sheng)器(qi)、數據采(cai)集卡、多普勒激光測振(zhen)儀(yi)、激光頭、電腦、超聲振(zhen)子等。

　　實驗過程：超聲(sheng)加(jia)工中，不同形式的(de)加(jia)工對(dui)輸(shu)出(chu)端的(de)振(zhen)(zhen)(zhen)幅(fu)要求不同，輸(shu)出(chu)振(zhen)(zhen)(zhen)幅(fu)是超聲(sheng)加(jia)工系統的(de)重要參數(shu)。本文針對(dui)超聲(sheng)振(zhen)(zhen)(zhen)子的(de)輸(shu)出(chu)端振(zhen)(zhen)(zhen)幅(fu)進(jin)行(xing)(xing)測試，采(cai)用(yong)(yong)KEYSIGHT33500B信(xin)(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)(qi)、安泰ATA-40525功(gong)(gong)率(lv)(lv)放(fang)大(da)器(qi)(qi)、多(duo)普(pu)勒激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)測振(zhen)(zhen)(zhen)儀(yi)。信(xin)(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)(qi)可以輸(shu)出(chu)低壓(ya)、頻(pin)率(lv)(lv)從DC到500KHz的(de)信(xin)(xin)號(hao)，產生(sheng)的(de)信(xin)(xin)號(hao)需經(jing)過(guo)功(gong)(gong)率(lv)(lv)放(fang)大(da)器(qi)(qi)放(fang)大(da)后加(jia)載(zai)到換能器(qi)(qi)上(shang)；功(gong)(gong)率(lv)(lv)放(fang)大(da)器(qi)(qi)輸(shu)出(chu)的(de)頻(pin)率(lv)(lv)范(fan)圍為(wei)DC～500KHz，輸(shu)出(chu)最(zui)高電壓(ya)為(wei)310Vpp；多(duo)普(pu)勒激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)測振(zhen)(zhen)(zhen)儀(yi)的(de)He-Ne激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)波(bo)長為(wei)0～632nm，檢(jian)測距離為(wei)0.2～5m，頻(pin)率(lv)(lv)范(fan)圍為(wei)0.5Hz～2.5MHz。在(zai)實驗過(guo)程(cheng)中，信(xin)(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)(qi)產生(sheng)振(zhen)(zhen)(zhen)子頻(pin)率(lv)(lv)19.312KHz、電壓(ya)14Vpp的(de)正(zheng)弦波(bo)信(xin)(xin)號(hao)并輸(shu)入到發(fa)功(gong)(gong)率(lv)(lv)放(fang)大(da)器(qi)(qi)中，經(jing)功(gong)(gong)率(lv)(lv)放(fang)大(da)器(qi)(qi)放(fang)大(da)20倍(bei)后，輸(shu)在(zai)頻(pin)率(lv)(lv)19.312KHz、電壓(ya)280Vpp（避免滿(man)載(zai)運行(xing)(xing)）的(de)信(xin)(xin)號(hao)加(jia)載(zai)到超聲(sheng)振(zhen)(zhen)(zhen)子上(shang)，多(duo)普(pu)勒激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)測振(zhen)(zhen)(zhen)儀(yi)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)頭發(fa)出(chu)的(de)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)射(she)到振(zhen)(zhen)(zhen)子的(de)端面(mian)并回收激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)信(xin)(xin)號(hao)，使用(yong)(yong)數(shu)據采(cai)集卡從多(duo)普(pu)勒激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)測振(zhen)(zhen)(zhen)儀(yi)中采(cai)集數(shu)據輸(shu)出(chu)到電腦顯示(shi)器(qi)(qi)中，如圖1-1所示(shi)。

　　圖1-1：振幅測試實驗框圖

　　實驗結果：

圖1-2：變幅桿輸出端橫向振幅

圖1-3：變幅(fu)桿輸出端的縱向振(zhen)幅(fu)

　　實驗(yan)測試(shi)所(suo)得的(de)變幅(fu)(fu)(fu)桿輸出端(duan)橫(heng)向振(zhen)幅(fu)(fu)(fu)如圖1-2所(suo)示，變幅(fu)(fu)(fu)桿輸出端(duan)的(de)縱向振(zhen)幅(fu)(fu)(fu)如圖1-3所(suo)示。從圖中可以(yi)看出，輸出端(duan)的(de)縱向振(zhen)幅(fu)(fu)(fu)約為7.01um，輸出端(duan)的(de)橫(heng)向位移(yi)約為1.32um，縱向和橫(heng)向振(zhen)幅(fu)(fu)(fu)都呈(cheng)現(xian)出穩(wen)定的(de)周期性變化，其(qi)波形都是良好的(de)正(zheng)弦(xian)形態(tai)，說明超(chao)聲(sheng)振(zhen)子能夠實現(xian)良好的(de)超(chao)聲(sheng)橢圓振(zhen)動(dong)，同(tong)時產生的(de)超(chao)聲(sheng)振(zhen)動(dong)振(zhen)幅(fu)(fu)(fu)能滿足超(chao)聲(sheng)滾壓的(de)要求，可以(yi)應用(yong)于超(chao)聲(sheng)滾壓。

　　實驗(yan)測量(liang)的(de)(de)縱向和橫向振(zhen)幅與有限元仿(fang)真(zhen)(zhen)所獲得(de)的(de)(de)橫向振(zhen)幅約(yue)3um及縱向振(zhen)幅11.7um存(cun)在(zai)較大(da)的(de)(de)差(cha)(cha)異。造(zao)成差(cha)(cha)異的(de)(de)原因有：仿(fang)真(zhen)(zhen)分析中的(de)(de)材(cai)料是(shi)理想并且均勻的(de)(de)，而實驗(yan)的(de)(de)材(cai)料或(huo)多(duo)或(huo)少的(de)(de)存(cun)在(zai)缺(que)陷；超(chao)聲振(zhen)子(zi)在(zai)制造(zao)過(guo)程(cheng)中存(cun)在(zai)誤差(cha)(cha)而仿(fang)真(zhen)(zhen)分析的(de)(de)模(mo)型是(shi)理想化(hua)的(de)(de)模(mo)型；最主(zhu)要(yao)的(de)(de)是(shi)仿(fang)真(zhen)(zhen)過(guo)程(cheng)中的(de)(de)振(zhen)子(zi)部(bu)件的(de)(de)端面耦合是(shi)理想化(hua)、完全的(de)(de)，實際中的(de)(de)端面耦合存(cun)在(zai)或(huo)多(duo)或(huo)少的(de)(de)缺(que)陷，造(zao)成超(chao)聲能量(liang)在(zai)傳(chuan)遞過(guo)程(cheng)中的(de)(de)損耗(hao)。超(chao)聲能量(liang)在(zai)傳(chuan)遞過(guo)程(cheng)中必然產生損耗(hao)，導致振(zhen)子(zi)輸出端的(de)(de)振(zhen)幅減小。

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