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            ○ 耿其東博士答辯公告
            (作者: 來源:機電學院 訪問量:1411 發表時間:2019-03-18)

            答辯博士:耿其東

            指導教師:    教授

            論文題目:航空鋁合金超聲沖擊強化關鍵技術研究

            答辯委員會:

            主席:湯文成  教授/博導   東南大學

            委員:     教授/博導   南京農業大學

                    云乃彰  教授/博導  南京航空航天大學

                   陳明和   教授/博導  南京航空航天大學

                 教授/博導  南京航空航天大學

                            

            秘書:     副教授/碩導  南京航空航天大學

            答辯時間:2019322日上午9:00

              點:南航明故宮校區15#425

             

            鋁合金具有密度低、強度高、塑性好等特點,在汽車、高鐵、船舶、航空、航天等領域得到了廣泛應用。在航空工業中,鋁合金主要用于制作飛機的機身結構件、蒙皮、支撐梁、桁條和接頭等。航空鋁合金結構件因工作在交變載荷下,其應力集中處最容易發生疲勞裂紋。為了改善結構件表面的材料性能,提高結構件使用壽命,常采用表面強化技術。超聲沖擊技術屬于表面形變強化,常用于鋁合金焊縫處理及板料試件成形校正,已取得良好的應用效果。但超聲沖擊設備穩定性較差、撞針形狀單一、工藝參數難控制等缺點而難以對深孔、窄槽等結構件進行表面強化。本文在研究現有超聲沖擊技術及超聲噴丸強化的基礎上,提出了以恒流式超聲波發生器構建超聲振動系統,采用基于等效阻抗控制的策略實現自動進給,通過不同形式的工具沖擊金屬表面,實現了對孔、槽結構的關鍵部位進行強化,從而提高了結構件的疲勞強度。主要研究內容與成果如下:

            1、利用力電聲類比的方法,理論分析了超聲振動系統,得到了沖擊作用力與力阻抗成正相關關系。研究了金屬材料的本構關系,建立了超聲沖擊強化模型。采用數值模擬的方法,借助ABAQUS/Explicit顯式動力學模塊仿真分析不同形式的工具的沖擊效果。從仿真結果來看,殘余應力成梯度分布,試件在沖擊垂直作用方向上的平均應力要大于其他方向的平均應力。

            2、根據超聲沖擊強化工藝的需要,設計并研制了振動系統、進給系統及測量系統。振動系統以恒流超聲波發生器為核心,運用了恒流技術、頻率自跟蹤技術及換能器保護技術;進給系統基于等效阻抗控制策略進行設計,實現了自動進給。測量系統基于虛擬儀器理念設計,其主要功能包含圖形顯示模塊、參數設置模塊、功能設置模塊、數據記錄存儲模塊,實現了沖擊強化過程可視化。

            3、針對孔、槽等結構件,提出了變幅工具桿一體化設計方法??捉Y構試件采用的工具形狀為圓錐形,而槽結構試件采用的工具形狀為球形。對于槽結構試件而言,為了適應不同加工尺寸的要求,提出了軌跡運動成形的沖擊強化方法。為了節約成本,提高效率,先利用ANSYS有限元軟件對所設計的工具進行模態分析,比較了理論計算與有限元分析結果,然后制作工具并進行振動測試,測量結果均滿足沖擊強化要求。

            4、為了驗證等效阻抗控制策略的可行性,以球形工具為沖擊工具頭,采用“回”字形軌跡對鋁合金試件進行表面沖擊強化。其結果表明:阻抗閾值對改善試件表面質量起到非常重要的作用。為了降低試件表面粗糙度值且提高殘余應力,阻抗閾值應略大于空載阻抗;在輸出電流值一定的情況下,為了提高試件表面顯微硬度,應適當提高阻抗閾值。

            5、以7075-T651鋁合金為試驗材料,制作了中心帶孔的疲勞試樣、圓形橫截面試樣和矩形橫截面試樣,采用基于等效阻抗控制的方法對試樣進行了超聲沖擊強化,利用表面粗糙度、顯微硬度、殘余應力、疲勞試驗、SEM、EDS等表征手段,分別從宏觀及微觀上分析強化效果。試樣經過超聲沖擊強化后,其表面顯微硬度及殘余應力得到了不同程度提高,疲勞壽命相比原試樣均提高1.5倍以上。微觀組織分析顯示:超聲沖擊強化細化了金屬表面的晶粒,阻礙了裂紋擴展,從而提高試樣的疲勞強度及疲勞壽命。

             

            主要創新點如下:

            1)針對航空鋁合金結構件中深孔、窄槽等結構,采用超聲沖擊、噴丸強化等技術難以進行強化的問題,提出了采用超聲沖擊強化方法,改善了孔邊緣及槽底部等關鍵部位的殘余應力分布,從而提高了結構件的抗疲勞壽命;

            2)針對常規超聲沖擊設備穩定性差和超聲沖擊以手動操作為主的缺點,提出了采用恒流式超聲波發生器以及基于等效阻抗控制的自動進給方法,該方法既提高了加工效率同時又保證了沖擊強化效果的一致性;

            3)針對不同形式的航空鋁合金結構,提出了一體式工具的設計方法,利用ABAQUS有限元軟件研究了結構件在不同振幅下超聲沖擊強化后的殘余應力場分布規律,仿真結果的變化趨勢與試驗結果基本一致,為航空鋁合金深孔、窄槽結構的超聲沖擊強化提供了實驗依據。

             

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