用于陶瓷材料的超声振动拉伸试验装置设计

瓷材 料 的超声振动拉伸试验 装置设 计
张存鹰 ’ 张有祺 （ １ 、 河南职业技 术学院 ， 河南 郑州 ４ ５ ０ ０ ４ ６ ２ 、 郑州市陇海中学， 河南 郑州 ４ ５ ０ ０ ０ ０ ）
摘 要： 设计一种超声振 动下拉伸试验装置 ， 包括上连接 夹头、 下连接 夹头、 超 声振 动机 构和连接 支架 ， 连接 支架 包括顶板、 底板和连 接杆 ， 顶板和底板上下对应设 置； 本试验 装置结构 简单 、 成本低 、 操作 与拆 装方便 ， 能对难加 工材料进行超 声力学性 能测试 。 试验效果好 并 解决 了超 声频 率和超 声振幅对 陶瓷材料 断裂韧性 的影响 问题。 关键词 ： 陶瓷材料 ； 超声振动装置 ； 拉伸 ； 装置设计 纳米复相 陶瓷具有高强 、 高韧 、 低密度 、 高硬 和耐高温 、 抗蠕变 、 本试验装 置采用 如下技术 方案 ： 用 于陶瓷材料 的超声振 动拉伸 耐磨损 、 耐腐 蚀和化学稳定 性好等优异 的性 能 ， 已逐 步成为尖 端技 试 验装置 ， 包 括上连 接夹 头 、 下连接 夹头 、 超声 振动机 构和连 接支 术领域不 可缺少 的关键 材料 ， 在一 般机械 工业领域 （ 如刀具 、 密封 架 ， 连接 支架包括顶板 、 底板和连接杆 ， 顶板 和底板上下对 应设置 ， 件、 模具 、 轴承 ） 、 化工 、 冶金 等领域有着广 阔的应用前景 ， 它 同时在 连 接杆设有两根并且连 接杆下端分别垂 直固定连接 在底板顶部 两 航空航天等 国防尖端技术领域也有着很广泛 的应用 。但是 ， 陶瓷材 侧 ， 两根 连接杆上端分别 固定 连接在顶板底部两 侧 ， 顶板下表 面设 料 也存 在着某些 缺陷 ， 由于其内在结构原 因 ， 主要表 现为它 的脆 性 有球形凹槽 ， 球形 凹槽 内转 动连接有球头 ， 球形 凹槽 与球头 的球心 大（ 易产生 裂纹 ） 、 均匀性差 、 可靠性低 、 可加 工性 差等 ， 因而使 其应 重 合 ， 球 头顶 部设有上端穿过顶 板的连接螺杆 ， 上连 接夹头底部 开 用受到 了限制 。因此 ， 如何将 纳米 复相 陶瓷 的块材加 工成 具有 一定 设 有螺纹孔 ， 连接螺杆上端伸入 并螺纹连接在螺纹 孔 内 ； 超神振 动 形状 和尺寸精度 的零件 ， 是纳米复相 陶瓷能否真正地进入 实用 化并 机构设置在底板上并位于两根连接杆之间 ， 超声振 动机构连接有 陶 为 国民经济和 国防各个领域所 充分 利用 的关键 。 为 了改善纳米陶瓷 瓷试件 ， 陶瓷试件下端通过连接机构与下连接夹头连接。 的加工 性能 ， 在难加工材料的 高效加工 、 延性加工 、 镜面加 工 、 纳米 超 声振动机构包 括换能器 和变幅杆 ，换能 器上侧部 设有接 线 技术 等研究领域 ， 将功率超声 与不 同的特种加 工 、 超精 密加工相 结 柱 ， 换能 器下端与变幅杆上 端螺纹连接 ， 变幅杆下端 螺纹连接 有套 合， 高效获得微 纳米加工表面 ， 是应用性研究 的一个新方 向， 而超声 管 ， 套管下端同轴 向固定设有连接盘 ， 连接盘 中心设有通孔 ， 连接盘 振动材料 内禀特 眭的影响至今没有得到探究 。为此 ， 如何设计 一种 上沿周 向方 向设有安装孔 ， 连接盘通过穿设在 安装 孔内的固定螺栓 超声振动下拉伸试验装置 ， 并且用 以解决超声频率 和超声 振幅对 陶 与底板连接 ， 陶瓷试件包括位于套管 内的试件 头部 和向下穿过通孔 瓷材料断裂韧性 的影响问题 ， 成为 当今亟需解决 的技术 问题 。 的试件杆部 ， 试件头部下端 和试 件杆部上端 固定 连接 ， 试件 头部上 １试 验 装 置 方案 设 计 表 面与变幅杆下端 顶压 接触 ，试件杆 部下端与连接 机构可拆 卸连 １ ． １ 超 声振 动装 置系统组成 接。 超声振 动系统 由超声 波发 生器 、 换 能器 、 变 幅杆 、 工具 等组 成 。 连接机构包括 弹簧夹 头和限位 螺母 ， 下 连接夹头顶部设 有螺纹 超声波发生器产生超声频电信号 ， 换 能器通 过能量转换将 电信 号转 接 头和插槽 ， 螺纹接头 和插槽 同轴线设置 ， 弹簧夹头位 于插槽 内， 限 换为相应的机械振动 。由于换 能器产生的机械振动振幅较小 ， 需 要 位 螺母螺纹连接在螺纹 接头上 ， 限位螺母 中心处 开设有插 孔 ， 陶瓷 变幅杆将机械振动位移或速度振 幅放大 。 变幅杆一方面将能量聚集 试件下端穿过插孔后伸入并夹持在 弹簧夹头 内。 在较小 的辐射面上 ，另一方面在换能器 和声负载之 间进行阻抗 匹 ２ 试 验 装置 设 计 效 果 配。 采 用上述技术 方案 ， 本试验装 置具有 以下有益效 果 ： 本装 置 的 １ ． ２ 陶瓷材料超声振动拉伸装置方案设计 上连接夹头与下连接夹头分别连接在材料试验机上 ， 将 陶瓷试件下 为 了解决 现有技术 中的不 足之处 ， 提供一种结 构简单 、 成本低 端夹持在弹簧夹头上 ， 陶瓷试件上端通过第一 紧固螺母 连接在底板 廉、 易于操作并且 能对难加工材料进行超声力学 性能测试 的用 于陶 上 ， 超声 波电源通过接线柱 给超 声振动机构供 给纵振能量 ， 进 行拉 瓷材料 的超声振动拉伸试验装 置。 伸超声振动 ， 另外可通过粘贴应变 片等传感器 测出超声振动下陶瓷 试 件的微观变形量 ，为难加工材料 的机 械加工奠定 一定 的理论 依 据； 由于陶瓷试件 比较脆 的特性 ， 不能采用常规的连接方式去连接 ， 为了减少超声波传播过程 中能量的损失 ， 选用 弹簧夹头与陶瓷试件 贴合 ， 并 且外 面套设有第一 紧固螺母 ， 使陶瓷试件 和超声振 动系统 成为一体 ； 球 形铰链能够灵 活转 动在球形 凹槽 内 ， 使 得陶瓷试件 在 中心线在拉力 的作用下与拉力直线处于 同一直线上 ， 避免了陶瓷试 件 受到弯 曲和扭 曲 ， 使试件 在中心线上受力均匀 ， 保 证测试结果 准 确、 可靠 。