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論金屬材料加工中的振動(dòng)利用問(wèn)題論文
在金屬材料加工中引入振動(dòng),即振動(dòng)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(dòng),在振動(dòng)中使材料產(chǎn)生塑性變形。在特定場(chǎng)合下,振動(dòng)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(shí)還可以改善產(chǎn)品加工質(zhì)量。因此振動(dòng)加工為擴大材料加工的適用范圍、節約材料、節省能源開(kāi)辟了新的途徑,同時(shí)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(xiàn)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(jìn)行過(guò)振動(dòng)加工的試驗。有些振動(dòng)加工方法已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中作為新工藝新方法加以應用,如振動(dòng)拉絲和振動(dòng)拉管在歐美已取得顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。
雖然對振動(dòng)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(dòng)加工的研究多一些,取得了一定成果,而低頻振動(dòng)加工研究較少�，F有的不盡完整的試驗結果表明,低頻振動(dòng)加工有時(shí)可以達到與超聲振動(dòng)加工相似的結果。但低頻振動(dòng)加工還存在另一層不足,即低頻振動(dòng)往往需要較好的隔振措施,噪聲污染相對較大。
1 振動(dòng)拉伸
人們最先進(jìn)行了金屬材料的振動(dòng)拉伸試驗,主要包括超聲振動(dòng)拉伸和低頻振動(dòng)拉伸兩類(lèi)。超聲振動(dòng)拉伸研究最早始于1955年, Blaha 和Langencke在拉伸鋅單晶時(shí)施加了超聲波振動(dòng),發(fā)現了拉伸力突然下降的現象,繼而人們對鋅、鋁、鎢和不銹鋼等多種金屬線(xiàn)材進(jìn)行超聲波振動(dòng)拉伸試驗,均得到了相似的結果。以后的研究和應用都表明,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(jiǎn)化加工工藝、克服加工困難都具有較明顯的經(jīng)濟價(jià)值。
Blaha 的鋅單晶拉伸是一個(gè)經(jīng)典試驗, 這種變形抗力大大降低的現象后來(lái)被稱(chēng)為Blaha 效應。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(dòng)加工都具有很大的優(yōu)越性。
在超聲波振動(dòng)拉伸的試驗中可以觀(guān)察到如下典型現象: 在振動(dòng)的作用下,材料變形抗力會(huì )大大降低。拉伸開(kāi)始的同時(shí)施加超聲波振動(dòng)時(shí),靜態(tài)屈服應力下降,其下降的幅度和所加超聲波振動(dòng)的振幅成比例。同時(shí)還發(fā)現在試驗的頻率范圍內( 15～ 80kHz) ,振動(dòng)試驗的效果與試圖利用改變溫度進(jìn)行加工(從常溫到500℃ )的效果幾乎一致。
在工業(yè)實(shí)踐中, 振動(dòng)拉伸主要是在超聲拉絲和拉管的拉拔過(guò)程中疊加超聲波振動(dòng)。超聲波振動(dòng)是由相應頻率的交變電能通過(guò)機械裝置轉化而來(lái)的。如將超聲波振動(dòng)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(dòng),材料在振動(dòng)模具中拉拔,從而實(shí)現超聲波振動(dòng)對金屬材料的作用。
在振動(dòng)拉伸過(guò)程中,由于模具和材料之間的摩擦系數發(fā)生變化, 摩擦力減少,同時(shí),材料變形應力容易向金屬的中心部分均勻傳遞,而材料內部由于受到超聲波的作用,位錯運動(dòng)的激勵能會(huì )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(dòng)加工還可以解決某些材料難以加工或不能進(jìn)行拉伸的問(wèn)題,同時(shí)改善了表面加工質(zhì)量。目前振動(dòng)拉拔線(xiàn)材和拉拔管已經(jīng)實(shí)現了可觀(guān)的經(jīng)濟效益。
關(guān)于振動(dòng)拉伸,現有如下幾點(diǎn)主要結論: 振動(dòng)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% ,并能有效地提高線(xiàn)材材質(zhì)。振動(dòng)拉伸還可以對減少中間退火次數、簡(jiǎn)化工藝、提高生產(chǎn)率有作用,同時(shí)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(dòng)切削
振動(dòng)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(dòng),以改善切削效能。一類(lèi)以斷屑為主要目的,在進(jìn)刀方向上施加低頻(幾百赫茲)、大振幅(最高可達幾毫米)振動(dòng); 另一類(lèi)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)。
現有結果表明,超聲振動(dòng)切削力可以減小到普通切削力的1 /3～ 1 /2,振動(dòng)攻絲扭矩可以減小到普通攻絲扭矩的1 /3～ 1 /2,振動(dòng)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(dòng)切削,加工尺寸穩定,形狀誤差小、光潔度高、廢品率低,同時(shí)還解決了鏡面鏜床鏜小孔不宜精調的缺陷,工裝簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉。振動(dòng)切削的試驗和工業(yè)應用表明,利用振動(dòng)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(dòng)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。恰當地采用振動(dòng)切削, 還可以減小機器本身的自激振動(dòng)。
3 振動(dòng)剪切
振動(dòng)剪切的試驗工作開(kāi)始于20世紀80年代。在文獻描述的振動(dòng)剪切試驗中,將100～300Hz的小幅振動(dòng)施加于靜剪刃上。由于振動(dòng)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(dòng)剪切消耗的剪切功也減小。所加振動(dòng)的頻率和剪切速度對剪切力的影響不大�？紤]到試驗中設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(dòng)剪切的效能應該好于該試驗所得到的結果。
在振動(dòng)剪切過(guò)程中, 可以認為振動(dòng)使剪切力集中在刀刃局部很小的范圍內,使材料受力范圍變小,材料原始晶體結構變化小。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(dòng)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(guān)點(diǎn)是,振動(dòng)剪切過(guò)程中的刀具振動(dòng)提高了實(shí)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(dòng)剪切實(shí)際上是脈沖力剪切,相對于靜切削而言,時(shí)間短,因而剪切力的平均值小,金屬在短時(shí)間內的位錯運動(dòng)所產(chǎn)生的變形來(lái)不及形成穩定的位錯胞狀結構,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(jìn)行一些推測,還沒(méi)有得到證實(shí)。
4 振動(dòng)軋制
軋制是金屬材料加工中較為重要的方式。長(cháng)期以來(lái),人們一直希望能夠將振動(dòng)引入以實(shí)現低軋制力、低能耗的高效軋制工藝。傳統軋制是靠軋輥轉動(dòng)時(shí)的軋輥和軋件之間的摩擦力咬入軋件,通過(guò)軋輥施加靜壓來(lái)實(shí)現改變軋件尺寸和形狀。傳統靜態(tài)軋制的靜壓大,相應的驅動(dòng)力和驅動(dòng)力矩也大,需要消耗大量的能源。在振動(dòng)軋制過(guò)程中,通過(guò)一定的方式將振動(dòng)傳遞到軋制變形區,實(shí)現動(dòng)態(tài)軋制,以實(shí)現低能耗、高質(zhì)量生產(chǎn)的軋制過(guò)程。它與傳統靜態(tài)軋制的最大區別在于實(shí)現變形的方式不同。振動(dòng)軋制中,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(dòng)的作用,材料的變形抗力會(huì )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(dòng)作用下,前滑量、軋制力、軋制力矩等軋制外特性參數都會(huì )變化,與靜態(tài)軋制相比,中性點(diǎn)后移20% ～ 30% ,即前移量增大20% ～ 30%。在一定振幅范圍內,振幅增大,中性點(diǎn)位置后移量將變小。振動(dòng)的引入會(huì )使軋制力和軋制力矩下降近50%。振幅較小時(shí),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,當超過(guò)某振幅后軋制力和軋制力矩突然增大許多,對應此時(shí)中性點(diǎn)位置突然前移了許多。
目前國外正積極對振動(dòng)軋制進(jìn)行研究,俄羅斯已做出了振動(dòng)軋機樣機。我們開(kāi)展了對振動(dòng)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(dòng),再人為地引入振動(dòng),很容易在軋制過(guò)程中出現難以預見(jiàn)的諸多問(wèn)題。
5 振動(dòng)加工有關(guān)機理探索的評述
許多試驗已經(jīng)表明,振動(dòng)引入金屬材料加工后,不但會(huì )降低材料變形所需的外力,還會(huì )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(guān)上認為由于吸收了振動(dòng)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(dòng)能量的增加延伸率的減小量也都降低等現象。
后來(lái), Daw so n等提出了“體積效應”和“表面效應”兩個(gè)概念,即金屬塑性變形時(shí)振動(dòng)對內部應力影響的體積效應( vo lume effect )和振動(dòng)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(dòng)對金屬塑性流動(dòng)中的內應力的作用有關(guān),宏觀(guān)上表現為平均應力- 應變曲線(xiàn)的變化、延伸率提高、加工硬化降低等現象。目前,對于體積效應許多學(xué)者的看法仍局限于20世紀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)的應力疊加原理。近來(lái)經(jīng)過(guò)研究發(fā)現,體積效應的本質(zhì)在于平均應力的減小,而平均應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沒(méi)有明顯的影響。
表面效應與振動(dòng)對變形工具和工件之間的摩擦情況有關(guān),宏觀(guān)上表現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]提出的一種應力疊加原理可以對此加以解釋。對于表面效應,認為可能有以下幾種原因: ①加工工件與工具之間由于振動(dòng)而發(fā)生瞬間分離;②摩擦力矢量反向,使得在振動(dòng)周期的部分時(shí)間里摩擦力反而有利于變形加工; ③局部熱效應的作用,使得局部粘焊現象減少;④振動(dòng)改善了加工潤滑條件,由于加工工具與工件的瞬間分開(kāi)而使得新加工面被氧化,生成氧化物,其相當于潤滑劑的作用; ⑤由于振動(dòng)作用,潤滑液更容易進(jìn)入到變形區,從而改善了潤滑條件。
盡管以上闡述能夠解釋很多現象,但也存在著(zhù)一定的局限性。例如當超聲加工能量超過(guò)一定值時(shí),加工材料出現了大幅度的熱軟化現象,而這一點(diǎn)就不可能再用應力疊加原理來(lái)說(shuō)明。以后又有人進(jìn)一步提出了應變疊加原理,盡管其推導過(guò)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(guò)程或實(shí)際生產(chǎn)中,更為方便直接的控制對象是材料的應變,也可稱(chēng)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(guān)系,而且變形過(guò)程更具可控性。振動(dòng)對應力應變關(guān)系的影響基本上達成這樣的共識: 一定振動(dòng)能量范圍內,應力應變關(guān)系并沒(méi)有改變,所觀(guān)察到的應力應變關(guān)系的改變只不過(guò)是平均值的改變; 當振動(dòng)能量超過(guò)一定值時(shí),由于局部加熱作用,在熱效應下材料的本構關(guān)系可以發(fā)生質(zhì)的變化,這相當于高溫下的本構關(guān)系。
盡管目前對于振動(dòng)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的參考價(jià)值,在此基礎上進(jìn)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(lái),在工業(yè)生產(chǎn)中,人們把振動(dòng)同傳統的材料加工方法結合起來(lái),發(fā)展了新型有效的振動(dòng)加工方法。振動(dòng)拉伸、振動(dòng)切削、振動(dòng)剪切、振動(dòng)軋制等多種新型加工工藝正逐漸在工業(yè)生產(chǎn)中得到應用,創(chuàng )造出越來(lái)越大的經(jīng)濟效益。世界各國在振動(dòng)加工的研究方面都有很大的投入,進(jìn)行了大量的理論和試驗研究,在這個(gè)領(lǐng)域每年都有新的進(jìn)展。
振動(dòng)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(dòng)加工的優(yōu)點(diǎn)比較一致的看法主要有,振動(dòng)加工能夠降低成型力,降低流動(dòng)應力,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(dòng)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(zhù)金屬材料振動(dòng)加工工藝研究的深入發(fā)展,振動(dòng)加工理論也將進(jìn)一步完善。但是,目前仍然存在一些有待解決的問(wèn)題,①人們對振動(dòng)加工的微觀(guān)機理的解釋尚缺乏科學(xué)的定量描述; ②振動(dòng)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(zhì)影響有待澄清, 體積效應在高塑性變形速度下存在失效; ③由于超聲振動(dòng)系統功率相對偏低,從而影響超聲振動(dòng)塑性加工的工業(yè)化應用; ④如何將振動(dòng)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(dòng)傳輸系統;⑤機器在振動(dòng)下疲勞損壞問(wèn)題,以及振動(dòng)對環(huán)境的污染問(wèn)題等。
對于上述問(wèn)題的解決,一個(gè)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(xiàn)索。金屬材料學(xué)的長(cháng)足發(fā)展,為振動(dòng)加工提供了材料學(xué)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(méi)有取得突破,關(guān)鍵在于人們過(guò)分強調了Blaha效應的工業(yè)應用,忽視了機理的物理本質(zhì)。只有觸及到機理本質(zhì),才能有效地指導振動(dòng)在加工過(guò)程中的合理應用。另外,為了探索振動(dòng)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,更精確細致地考慮所有可能的加載工況和步驟,對不同金屬材料進(jìn)行試驗,以獲得較為普遍的結果。
在低頻振動(dòng)加工方面,人們所進(jìn)行的探索性實(shí)踐都要比超聲振動(dòng)少一些。低頻振動(dòng)的工業(yè)應用價(jià)值更為明顯,更應該重視低頻振動(dòng)加工的研究和工藝開(kāi)發(fā)等工作。
總之,金屬材料加工中的振動(dòng)利用問(wèn)題具有豐富的理論內涵和極為誘人的應用前景,需要進(jìn)行不懈地探索�？梢灶A料,隨著(zhù)人們對振動(dòng)加工理論研究的不斷深入、工業(yè)化應用的不斷推行,振動(dòng)材料加工會(huì )在許多工業(yè)工程領(lǐng)域中取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,為人類(lèi)做出更大的貢獻。
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