論金屬材料加工中的振動利用問題論文
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(chǎn)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(chǎn)品加工質(zhì)量。因此振動加工為擴大材料加工的適用范圍、節(jié)約材料、節(jié)省能源開辟了新的途徑,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,人們已在線材、管材和異型材料的拉拔、金屬材料的沖孔、剪切、精壓、軋制、擠壓以及超聲霧化制造、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(jīng)在生產(chǎn)實踐中作為新工藝新方法加以應(yīng)用,如振動拉絲和振動拉管在歐美已取得顯著的經(jīng)濟效益。
雖然對振動加工的試驗已經(jīng)較為廣泛,但理論研究卻相對滯后。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�，F(xiàn)有的不盡完整的試驗結(jié)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(jié)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,噪聲污染相對較大。
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于1955年, Blaha 和Langencke在拉伸鋅單晶時施加了超聲波振動,發(fā)現(xiàn)了拉伸力突然下降的現(xiàn)象,繼而人們對鋅、鋁、鎢和不銹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(jié)果。以后的研究和應(yīng)用都表明,超聲波技術(shù)用于拉拔細絲及毛細管生產(chǎn),對提高生產(chǎn)率、簡化加工工藝、克服加工困難都具有較明顯的經(jīng)濟價值。
Blaha 的鋅單晶拉伸是一個經(jīng)典試驗, 這種變形抗力大大降低的現(xiàn)象后來被稱為Blaha 效應(yīng)。以后大量的研究證明,在降低變形抗力,提高材料的加工特性, 改善產(chǎn)品的加工質(zhì)量等許多方面,超聲波振動加工都具有很大的優(yōu)越性。
在超聲波振動拉伸的試驗中可以觀察到如下典型現(xiàn)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(tài)屈服應(yīng)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(fā)現(xiàn)在試驗的頻率范圍內(nèi)( 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(yè)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(yīng)頻率的交變電能通過機械裝置轉(zhuǎn)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(xiàn)超聲波振動對金屬材料的作用。
在振動拉伸過程中,由于模具和材料之間的摩擦系數(shù)發(fā)生變化, 摩擦力減少,同時,材料變形應(yīng)力容易向金屬的中心部分均勻傳遞,而材料內(nèi)部由于受到超聲波的作用,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(zhì)量。目前振動拉拔線材和拉拔管已經(jīng)實現(xiàn)了可觀的經(jīng)濟效益。
關(guān)于振動拉伸,現(xiàn)有如下幾點主要結(jié)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(jié)約拉絲模30%～ 50% ,并能有效地提高線材材質(zhì)。振動拉伸還可以對減少中間退火次數(shù)、簡化工藝、提高生產(chǎn)率有作用,同時還能降低模具與工件之間的摩擦,節(jié)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(dāng)?shù)姆较�、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、擴大切削加工適用范圍為目的,主要采用高頻(目前使用的是略高于聲頻的超聲波)、小振幅(最大約30μm)。
現(xiàn)有結(jié)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,振動鉆削扭矩減小到普通鉆削的1 /2,推力減小到1 /3。在鏜孔加工中采用振動切削,加工尺寸穩(wěn)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(diào)的缺陷,工裝簡單,造價低廉。振動切削的試驗和工業(yè)應(yīng)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(zhì)、提高產(chǎn)品表面質(zhì)量。另外,振動的引入可以擴大切削加工的范圍,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(dāng)?shù)夭捎谜駝忧邢? 還可以減小機器本身的自激振動。
3 振動剪切
振動剪切的試驗工作開始于20世紀(jì)80年代。在文獻描述的振動剪切試驗中,將100～300Hz的小幅振動施加于靜剪刃上。由于振動的引入,測得剪切力下降近50% 。
試驗中,剪切力受振幅的影響較大,并隨振幅的增大而減小,振動剪切消耗的剪切功也減小。所加振動的頻率和剪切速度對剪切力的影響不大�？紤]到試驗中設(shè)備缺陷影響到激振器效率和剪切效率較低等因素,可以認為振動剪切的效能應(yīng)該好于該試驗所得到的結(jié)果。
在振動剪切過程中, 可以認為振動使剪切力集中在刀刃局部很小的范圍內(nèi),使材料受力范圍變小,材料原始晶體結(jié)構(gòu)變化小。也可以推測由于刀具沖擊使刀刃處的材料產(chǎn)生滑移運動或局部熱,使得這部分材料局部軟化,從而使刀具的穿透能力加強。另一種觀點是,振動剪切過程中的刀具振動提高了實際切削速度,從而有助于塑性金屬趨向于脆性狀態(tài),減小了塑性變形。也就是由于振動剪切實際上是脈沖力剪切,相對于靜切削而言,時間短,因而剪切力的平均值小,金屬在短時間內(nèi)的`位錯運動所產(chǎn)生的變形來不及形成穩(wěn)定的位錯胞狀結(jié)構(gòu),引起金屬局部加工硬化,而在脆性狀態(tài)下,裂紋容易產(chǎn)生和擴展。這些僅是在機理上進行一些推測,還沒有得到證實。
4 振動軋制
軋制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?qū)⒄駝右胍詫崿F(xiàn)低軋制力、低能耗的高效軋制工藝。傳統(tǒng)軋制是靠軋輥轉(zhuǎn)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(xiàn)改變軋件尺寸和形狀。傳統(tǒng)靜態(tài)軋制的靜壓大,相應(yīng)的驅(qū)動力和驅(qū)動力矩也大,需要消耗大量的能源。在振動軋制過程中,通過一定的方式將振動傳遞到軋制變形區(qū),實現(xiàn)動態(tài)軋制,以實現(xiàn)低能耗、高質(zhì)量生產(chǎn)的軋制過程。它與傳統(tǒng)靜態(tài)軋制的最大區(qū)別在于實現(xiàn)變形的方式不同。振動軋制中,軋輥不僅對材料施加靜壓作用,而且材料的變形區(qū)還受到振動的作用,材料的變形抗力會發(fā)生較大變化,從而提高軋制能力。
有關(guān)研究表明,在振動作用下,前滑量、軋制力、軋制力矩等軋制外特性參數(shù)都會變化,與靜態(tài)軋制相比,中性點后移20% ～ 30% ,即前移量增大20% ～ 30%。在一定振幅范圍內(nèi),振幅增大,中性點位置后移量將變小。振動的引入會使軋制力和軋制力矩下降近50%。振幅較小時,軋制力和軋制力矩先是隨振幅增大而增大,而在某振幅處軋制力和軋制力矩發(fā)生突然下降,然后又隨振幅的增大而增大,當(dāng)超過某振幅后軋制力和軋制力矩突然增大許多,對應(yīng)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制進行研究,俄羅斯已做出了振動軋機樣機。我們開展了對振動軋制機理的試驗研究,如激振方式、頻率和振幅的關(guān)系等。但是,由于軋機本身極易產(chǎn)生振動,再人為地引入振動,很容易在軋制過程中出現(xiàn)難以預(yù)見的諸多問題。
5 振動加工有關(guān)機理探索的評述
許多試驗已經(jīng)表明,振動引入金屬材料加工后,不但會降低材料變形所需的外力,還會大幅度提高產(chǎn)品表面質(zhì)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,在微觀上認為由于吸收了振動能量而使位錯能變大,局部溫度升高,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(xiàn)象。
后來, Daw so n等提出了“體積效應(yīng)”和“表面效應(yīng)”兩個概念,即金屬塑性變形時振動對內(nèi)部應(yīng)力影響的體積效應(yīng)( vo lume effect )和振動對模具與材料之間外摩擦影響的表面效應(yīng)( surface effect)。
一般認為,體積效應(yīng)與振動對金屬塑性流動中的內(nèi)應(yīng)力的作用有關(guān),宏觀上表現(xiàn)為平均應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的變化、延伸率提高、加工硬化降低等現(xiàn)象。目前,對于體積效應(yīng)許多學(xué)者的看法仍局限于20世紀(jì)70年代的兩種解釋,其一是與晶體位錯有關(guān)的熱致軟化,其二是基于唯象力學(xué)的應(yīng)力疊加原理。近來經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),體積效應(yīng)的本質(zhì)在于平均應(yīng)力的減小,而平均應(yīng)力降低的幅度僅取決于振幅的大小,頻率的改變對體積效應(yīng)沒有明顯的影響。
表面效應(yīng)與振動對變形工具和工件之間的摩擦情況有關(guān),宏觀上表現(xiàn)為材料與工具之間的粘滑減少、產(chǎn)品表面質(zhì)量提高、工具的磨損消耗降低。Daw so n等[ 6]提出的一種應(yīng)力疊加原理可以對此加以解釋。對于表面效應(yīng),認為可能有以下幾種原因: ①加工工件與工具之間由于振動而發(fā)生瞬間分離;②摩擦力矢量反向,使得在振動周期的部分時間里摩擦力反而有利于變形加工; ③局部熱效應(yīng)的作用,使得局部粘焊現(xiàn)象減少;④振動改善了加工潤滑條件,由于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(dāng)于潤滑劑的作用; ⑤由于振動作用,潤滑液更容易進入到變形區(qū),從而改善了潤滑條件。
盡管以上闡述能夠解釋很多現(xiàn)象,但也存在著一定的局限性。例如當(dāng)超聲加工能量超過一定值時,加工材料出現(xiàn)了大幅度的熱軟化現(xiàn)象,而這一點就不可能再用應(yīng)力疊加原理來說明。以后又有人進一步提出了應(yīng)變疊加原理,盡管其推導(dǎo)過程不甚嚴(yán)謹(jǐn),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?qū)嶋H生產(chǎn)中,更為方便直接的控制對象是材料的應(yīng)變,也可稱之為輸入量,而力則是輸出量。在控制應(yīng)變的前提下,測出相應(yīng)的輸出應(yīng)力仍然符合應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,而且變形過程更具可控性。振動對應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響基本上達成這樣的共識: 一定振動能量范圍內(nèi),應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系并沒有改變,所觀察到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的改變只不過是平均值的改變; 當(dāng)振動能量超過一定值時,由于局部加熱作用,在熱效應(yīng)下材料的本構(gòu)關(guān)系可以發(fā)生質(zhì)的變化,這相當(dāng)于高溫下的本構(gòu)關(guān)系。
盡管目前對于振動塑性變形的機理研究相對于試驗要滯后些,但某些理論成果已具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r值,在此基礎(chǔ)上進一步深入研究,一定可以取得更為合理的結(jié)果。
6 結(jié)論和展望
幾十年來,在工業(yè)生產(chǎn)中,人們把振動同傳統(tǒng)的材料加工方法結(jié)合起來,發(fā)展了新型有效的振動加工方法。振動拉伸、振動切削、振動剪切、振動軋制等多種新型加工工藝正逐漸在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用,創(chuàng)造出越來越大的經(jīng)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(lǐng)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并附帶其它對產(chǎn)品有利的影響,其意義是不言而喻的。目前,對振動加工的優(yōu)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(yīng)力,減少模具與工件間的摩擦,并能獲得較好的制品表面質(zhì)量和較高的尺寸精度。振動不但有利于普通金屬材料的塑性加工,還有利于難加工材料的成形,如用于鈦、鎳等金屬。
隨著金屬材料振動加工工藝研究的深入發(fā)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(xué)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(yīng)和表面效應(yīng)的本質(zhì)影響有待澄清, 體積效應(yīng)在高塑性變形速度下存在失效; ③由于超聲振動系統(tǒng)功率相對偏低,從而影響超聲振動塑性加工的工業(yè)化應(yīng)用; ④如何將振動有效地傳遞到材料的塑性變形區(qū),其中包括尋求更合理的激振方式和設(shè)計最佳振動傳輸系統(tǒng);⑤機器在振動下疲勞損壞問題,以及振動對環(huán)境的污染問題等。
對于上述問題的解決,一個直接的思考,便是在金屬材料學(xué)的最新研究成果中尋求新的線索。金屬材料學(xué)的長足發(fā)展,為振動加工提供了材料學(xué)方面的理論基礎(chǔ)。甚至可以認為,體積效應(yīng)和表面效應(yīng)的機理研究之所以還沒有取得突破,關(guān)鍵在于人們過分強調(diào)了Blaha效應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用,忽視了機理的物理本質(zhì)。只有觸及到機理本質(zhì),才能有效地指導(dǎo)振動在加工過程中的合理應(yīng)用。另外,為了探索振動加工的機理,應(yīng)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(chǔ)上,更精確細致地考慮所有可能的加載工況和步驟,對不同金屬材料進行試驗,以獲得較為普遍的結(jié)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(yè)應(yīng)用價值更為明顯,更應(yīng)該重視低頻振動加工的研究和工藝開發(fā)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(nèi)涵和極為誘人的應(yīng)用前景,需要進行不懈地探索。可以預(yù)料,隨著人們對振動加工理論研究的不斷深入、工業(yè)化應(yīng)用的不斷推行,振動材料加工會在許多工業(yè)工程領(lǐng)域中取得實質(zhì)性進展,為人類做出更大的貢獻。
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