在金屬材料加工中引入振動,即振動加工,就是對被加工材料(或加工刀具)施加一定方向、一定頻率和振幅的振動,在振動中使材料產生塑性變形。在特定場合下,振動加工可以使材料變形阻力大為降低,從而降低加工能耗,同時還可以改善產品加工質量。因此振動加工為擴大材料加工的適用範圍、節約材料、節省能源開闢了新的途徑,同時還有可能全面更新高硬度、高強度及難成型材料的加工工藝。到目前為止,人們已線上材、管材和異型材料的拉拔、金屬材料的衝孔、剪下、精壓、軋製、擠壓以及超聲霧化製造、金屬粉末加工等都進行過振動加工的試驗。有些振動加工方法已經在生產實踐中作為新工藝新方法加以應用,如振動拉絲和振動拉管在歐美已取得顯著的經濟效益。
雖然對振動加工的試驗已經較為廣泛,但理論研究卻相對滯後。超聲振動加工的研究多一些,取得了一定成果,而低頻振動加工研究較少。現有的不盡完整的試驗結果表明,低頻振動加工有時可以達到與超聲振動加工相似的結果。但低頻振動加工還存在另一層不足,即低頻振動往往需要較好的隔振措施,噪聲汙染相對較大。
1 振動拉伸
人們最先進行了金屬材料的振動拉伸試驗,主要包括超聲振動拉伸和低頻振動拉伸兩類。超聲振動拉伸研究最早始於1955年, Blaha 和Langencke在拉伸鋅單晶時施加了超聲波振動,發現了拉伸力突然下降的現象,繼而人們對鋅、鋁、鎢和不鏽鋼等多種金屬線材進行超聲波振動拉伸試驗,均得到了相似的結果。以後的研究和應用都表明,超聲波技術用於拉拔細絲及毛細管生產,對提高生產率、簡化加工工藝、克服加工困難都具有較明顯的經濟價值。
Blaha 的鋅單晶拉伸是一個經典試驗, 這種變形抗力大大降低的現象後來被稱為Blaha 效應。以後大量的研究證明,在降低變形抗力,提高材料的加工特性, 改善產品的加工質量等許多方面,超聲波振動加工都具有很大的優越性。
在超聲波振動拉伸的試驗中可以觀察到如下典型現象: 在振動的作用下,材料變形抗力會大大降低。拉伸開始的同時施加超聲波振動時,靜態屈服應力下降,其下降的幅度和所加超聲波振動的振幅成比例。同時還發現在試驗的頻率範圍內( 15～ 80kHz) ,振動試驗的效果與試圖利用改變溫度進行加工(從常溫到500℃ )的效果幾乎一致。
在工業實踐中, 振動拉伸主要是在超聲拉絲和拉管的拉拔過程中疊加超聲波振動。超聲波振動是由相應頻率的交變電能通過機械裝置轉化而來的。如將超聲波振動按固體耦合或液固耦合的方式傳遞上去,以激勵模具的振動,材料在振動模具中拉拔,從而實現超聲波振動對金屬材料的作用。
在振動拉伸過程中,由於模具和材料之間的摩擦係數發生變化, 摩擦力減少,同時,材料變形應力容易向金屬的中心部分均勻傳遞,而材料內部由於受到超聲波的作用,位錯運動的激勵能會增加。這些因素緩和了材料晶格的畸變,使材料變形均勻,減弱了表面加工硬化。因此,振動加工還可以解決某些材料難以加工或不能進行拉伸的問題,同時改善了表面加工質量。目前振動拉拔線材和拉拔管已經實現了可觀的經濟效益。
關於振動拉伸,現有如下幾點主要結論: 振動拉伸能提高截面壓縮率0. 4～ 1. 2倍,提高拉拔速度2～ 10倍,降低拉伸力10% ～ 40% , 節約拉絲模30%～ 50% ,並能有效地提高線材材質。振動拉伸還可以對減少中間退火次數、簡化工藝、提高生產率有作用,同時還能降低模具與工件之間的摩擦,節省潤滑劑的使用。
2 振動切削
振動切削是給刀具(或工件)以適當的方向、一定頻率和振幅的振動,以改善切削效能。一類以斷屑為主要目的,在進刀方向上施加低頻(幾百赫茲)、大振幅(最高可達幾毫米)振動; 另一類以改善加工精度和表面粗糙度、提高切削效率和效能、擴大切削加工適用範圍為目的,主要採用高頻(目前使用的是略高於聲頻的超聲波)、小振幅(最大約30μm)。
現有結果表明,超聲振動切削力可以減小到普通切削力的1 /3～ 1 /2,振動攻絲扭矩可以減小到普通攻絲扭矩的1 /3～ 1 /2,振動鑽削扭矩減小到普通鑽削的1 /2,推力減小到1 /3。在鏜孔加工中採用振動切削,加工尺寸穩定,形狀誤差小、光潔度高、廢品率低,同時還解決了鏡面鏜床鏜小孔不宜精調的缺陷,工裝簡單,造價低廉。振動切削的試驗和工業應用表明,利用振動可以減小切削力和切削功率、提高加工精度、提高加工表面性質、提高產品表面質量。另外,振動的引入可以擴大切削加工的範圍,使一些高強度、高硬度和難成形材料的切削加工成為可能。恰當地採用振動切削, 還可以減小機器本身的自激振動。
3 振動剪下
振動剪下的試驗工作開始於20世紀80年代。在文獻描述的振動剪下試驗中,將100～300Hz的小幅振動施加於靜剪刃上。由於振動的引入,測得剪下力下降近50% 。
試驗中,剪下力受振幅的影響較大,並隨振幅的增大而減小,振動剪下消耗的剪下功也減小。所加振動的頻率和剪下速度對剪下力的影響不大。考慮到試驗中裝置缺陷影響到激振器效率和剪下效率較低等因素,可以認為振動剪下的效能應該好於該試驗所得到的結果。
在振動剪下過程中, 可以認為振動使剪下力集中在刀刃區域性很小的範圍內,使材料受力範圍變小,材料原始晶體結構變化小。也可以推測由於刀具衝擊使刀刃處的材料產生滑移運動或區域性熱,使得這部分材料區域性軟化,從而使刀具的穿透能力加強。另一種觀點是,振動剪下過程中的刀具振動提高了實際切削速度,從而有助於塑性金屬趨向於脆性狀態,減小了塑性變形。也就是由於振動剪下實際上是脈衝力剪下,相對於靜切削而言,時間短,因而剪下力的平均值小,金屬在短時間內的`位錯運動所產生的變形來不及形成穩定的位錯胞狀結構,引起金屬區域性加工硬化,而在脆性狀態下,裂紋容易產生和擴充套件。這些僅是在機理上進行一些推測,還沒有得到證實。
4 振動軋製
軋製是金屬材料加工中較為重要的方式。長期以來,人們一直希望能夠將振動引入以實現低軋製力、低能耗的高效軋製工藝。傳統軋製是靠軋輥轉動時的軋輥和軋件之間的摩擦力咬入軋件,通過軋輥施加靜壓來實現改變軋件尺寸和形狀。傳統靜態軋製的靜壓大,相應的驅動力和驅動力矩也大,需要消耗大量的能源。在振動軋製過程中,通過一定的方式將振動傳遞到軋製變形區,實現動態軋製,以實現低能耗、高質量生產的軋製過程。它與傳統靜態軋製的最大區別在於實現變形的方式不同。振動軋製中,軋輥不僅對材料施加靜壓作用,而且材料的變形區還受到振動的作用,材料的變形抗力會發生較大變化,從而提高軋製能力。
有關研究表明,在振動作用下,前滑量、軋製力、軋製力矩等軋製外特性引數都會變化,與靜態軋製相比,中性點後移20% ～ 30% ,即前移量增大20% ～ 30%。在一定振幅範圍內,振幅增大,中性點位置後移量將變小。振動的引入會使軋製力和軋製力矩下降近50%。振幅較小時,軋製力和軋製力矩先是隨振幅增大而增大,而在某振幅處軋製力和軋製力矩發生突然下降,然後又隨振幅的增大而增大,當超過某振幅後軋製力和軋製力矩突然增大許多,對應此時中性點位置突然前移了許多。
目前國外正積極對振動軋製進行研究,俄羅斯已做出了振動軋機樣機。我們開展了對振動軋製機理的試驗研究,如激振方式、頻率和振幅的關係等。但是,由於軋機本身極易產生振動,再人為地引入振動,很容易在軋製過程中出現難以預見的諸多問題。
5 振動加工有關機理探索的評述
許多試驗已經表明,振動引入金屬材料加工後,不但會降低材料變形所需的外力,還會大幅度提高產品表面質量,人們對此提出了各種各樣的解釋。最早是Blaha和Lang enecker提出的位錯機理,在微觀上認為由於吸收了振動能量而使位錯能變大,區域性溫度升高,位錯增殖,變形抗力降低。但是,位錯機理不能解釋隨振動能量的增加延伸率的減小量也都降低等現象。
後來, Daw so n等提出了“體積效應”和“表面效應”兩個概念,即金屬塑性變形時振動對內部應力影響的體積效應( vo lume effect )和振動對模具與材料之間外摩擦影響的表面效應( surface effect)。
一般認為,體積效應與振動對金屬塑性流動中的內應力的作用有關,巨集觀上表現為平均應力- 應變曲線的變化、延伸率提高、加工硬化降低等現象。目前,對於體積效應許多學者的看法仍侷限於20世紀70年代的兩種解釋,其一是與晶體位錯有關的熱致軟化,其二是基於唯象力學的應力疊加原理。近來經過研究發現,體積效應的本質在於平均應力的減小,而平均應力降低的幅度僅取決於振幅的大小,頻率的改變對體積效應沒有明顯的影響。
表面效應與振動對變形工具和工件之間的摩擦情況有關,巨集觀上表現為材料與工具之間的粘滑減少、產品表面質量提高、工具的磨損消耗降低。Daw so n等[ 6]提出的一種應力疊加原理可以對此加以解釋。對於表面效應,認為可能有以下幾種原因: ①加工工件與工具之間由於振動而發生瞬間分離;②摩擦力向量反向,使得在振動週期的部分時間裡摩擦力反而有利於變形加工; ③區域性熱效應的作用,使得區域性粘焊現象減少;④振動改善了加工潤滑條件,由於加工工具與工件的瞬間分開而使得新加工面被氧化,生成氧化物,其相當於潤滑劑的作用; ⑤由於振動作用,潤滑液更容易進入到變形區,從而改善了潤滑條件。
儘管以上闡述能夠解釋很多現象,但也存在著一定的侷限性。例如當超聲加工能量超過一定值時,加工材料出現了大幅度的熱軟化現象,而這一點就不可能再用應力疊加原理來說明。以後又有人進一步提出了應變疊加原理,儘管其推導過程不甚嚴謹,但這卻為研究疊加原理提供了一條方便的新思路。這主要是因為在試驗過程或實際生產中,更為方便直接的控制物件是材料的應變,也可稱之為輸入量,而力則是輸出量。在控制應變的前提下,測出相應的輸出應力仍然符合應力應變關係,而且變形過程更具可控性。振動對應力應變關係的影響基本上達成這樣的共識: 一定振動能量範圍內,應力應變關係並沒有改變,所觀察到的應力應變關係的改變只不過是平均值的改變; 當振動能量超過一定值時,由於區域性加熱作用,在熱效應下材料的本構關係可以發生質的變化,這相當於高溫下的本構關係。
儘管目前對於振動塑性變形的機理研究相對於試驗要滯後些,但某些理論成果已具有相當的參考價值,在此基礎上進一步深入研究,一定可以取得更為合理的結果。
6 結論和展望
幾十年來,在工業生產中,人們把振動同傳統的材料加工方法結合起來,發展了新型有效的振動加工方法。振動拉伸、振動切削、振動剪下、振動軋製等多種新型加工工藝正逐漸在工業生產中得到應用,創造出越來越大的經濟效益。世界各國在振動加工的研究方面都有很大的投入,進行了大量的理論和試驗研究,在這個領域每年都有新的進展。
振動塑性加工能大幅度降低材料的變形抗力並附帶其它對產品有利的影響,其意義是不言而喻的。目前,對振動加工的優點比較一致的看法主要有,振動加工能夠降低成型力,降低流動應力,減少模具與工件間的摩擦,並能獲得較好的製品表面質量和較高的尺寸精度。振動不但有利於普通金屬材料的塑性加工,還有利於難加工材料的成形,如用於鈦、鎳等金屬。
隨著金屬材料振動加工工藝研究的深入發展,振動加工理論也將進一步完善。但是,目前仍然存在一些有待解決的問題,①人們對振動加工的微觀機理的解釋尚缺乏科學的定量描述; ②振動頻率以及塑性加工工況分別對體積效應和表面效應的本質影響有待澄清, 體積效應在高塑性變形速度下存在失效; ③由於超聲振動系統功率相對偏低,從而影響超聲振動塑性加工的工業化應用; ④如何將振動有效地傳遞到材料的塑性變形區,其中包括尋求更合理的激振方式和設計最佳振動傳輸系統;⑤機器在振動下疲勞損壞問題,以及振動對環境的汙染問題等。
對於上述問題的解決,一個直接的思考,便是在金屬材料學的最新研究成果中尋求新的線索。金屬材料學的長足發展,為振動加工提供了材料學方面的理論基礎。甚至可以認為,體積效應和表面效應的機理研究之所以還沒有取得突破,關鍵在於人們過分強調了Blaha效應的工業應用,忽視了機理的物理本質。只有觸及到機理本質,才能有效地指導振動在加工過程中的合理應用。另外,為了探索振動加工的機理,應足夠重視單軸拉伸等原理性試驗的研究,在原理性試驗基礎上,更精確細緻地考慮所有可能的載入工況和步驟,對不同金屬材料進行試驗,以獲得較為普遍的結果。
在低頻振動加工方面,人們所進行的探索性實踐都要比超聲振動少一些。低頻振動的工業應用價值更為明顯,更應該重視低頻振動加工的研究和工藝開發等工作。
總之,金屬材料加工中的振動利用問題具有豐富的理論內涵和極為誘人的應用前景,需要進行不懈地探索。可以預料,隨著人們對振動加工理論研究的不斷深入、工業化應用的不斷推行,振動材料加工會在許多工業工程領域中取得實質性進展,為人類做出更大的貢獻。