在金属材料加工中引入振动,即振动加工,就是对被加工材料(或加工刀具)施加一定方向、一定频率和振幅的振动,在振动中使材料产生塑性变形。在特定场合下,振动加工可以使材料变形阻力大为降低,从而降低加工能耗,同时还可以改善产品加工质量。因此振动加工为扩大材料加工的适用范围、节约材料、节省能源开辟了新的途径,同时还有可能全面更新高硬度、高强度及难成型材料的加工工艺。到目前为止,人们已在线材、管材和异型材料的拉拔、金属材料的冲孔、剪切、精压、轧制、挤压以及超声雾化制造、金属粉末加工等都进行过振动加工的试验。有些振动加工方法已经在生产实践中作为新工艺新方法加以应用,如振动拉丝和振动拉管在欧美已取得显著的经济效益。
虽然对振动加工的试验已经较为广泛,但理论研究却相对滞后。超声振动加工的研究多一些,取得了一定成果,而低频振动加工研究较少。现有的不尽完整的试验结果表明,低频振动加工有时可以达到与超声振动加工相似的结果。但低频振动加工还存在另一层不足,即低频振动往往需要较好的隔振措施,噪声污染相对较大。
1 振动拉伸
人们最先进行了金属材料的振动拉伸试验,主要包括超声振动拉伸和低频振动拉伸两类。超声振动拉伸研究最早始于1955年, Blaha 和Langencke在拉伸锌单晶时施加了超声波振动,发现了拉伸力突然下降的现象,继而人们对锌、铝、钨和不锈钢等多种金属线材进行超声波振动拉伸试验,均得到了相似的结果。以后的研究和应用都表明,超声波技术用于拉拔细丝及毛细管生产,对提高生产率、简化加工工艺、克服加工困难都具有较明显的经济价值。
Blaha 的锌单晶拉伸是一个经典试验, 这种变形抗力大大降低的现象后来被称为Blaha 效应。以后大量的研究证明,在降低变形抗力,提高材料的加工特性, 改善产品的加工质量等许多方面,超声波振动加工都具有很大的优越性。
在超声波振动拉伸的试验中可以观察到如下典型现象: 在振动的作用下,材料变形抗力会大大降低。拉伸开始的同时施加超声波振动时,静态屈服应力下降,其下降的幅度和所加超声波振动的振幅成比例。同时还发现在试验的频率范围内( 15～ 80kHz) ,振动试验的效果与试图利用改变温度进行加工(从常温到500℃ )的效果几乎一致。
在工业实践中, 振动拉伸主要是在超声拉丝和拉管的拉拔过程中叠加超声波振动。超声波振动是由相应频率的交变电能通过机械装置转化而来的。如将超声波振动按固体耦合或液固耦合的方式传递上去,以激励模具的振动,材料在振动模具中拉拔,从而实现超声波振动对金属材料的作用。
在振动拉伸过程中,由于模具和材料之间的摩擦系数发生变化, 摩擦力减少,同时,材料变形应力容易向金属的中心部分均匀传递,而材料内部由于受到超声波的作用,位错运动的激励能会增加。这些因素缓和了材料晶格的畸变,使材料变形均匀,减弱了表面加工硬化。因此,振动加工还可以解决某些材料难以加工或不能进行拉伸的问题,同时改善了表面加工质量。目前振动拉拔线材和拉拔管已经实现了可观的经济效益。
关于振动拉伸,现有如下几点主要结论: 振动拉伸能提高截面压缩率0. 4～ 1. 2倍,提高拉拔速度2～ 10倍,降低拉伸力10% ～ 40% , 节约拉丝模30%～ 50% ,并能有效地提高线材材质。振动拉伸还可以对减少中间退火次数、简化工艺、提高生产率有作用,同时还能降低模具与工件之间的摩擦,节省润滑剂的使用。
2 振动切削
振动切削是给刀具(或工件)以适当的方向、一定频率和振幅的振动,以改善切削效能。一类以断屑为主要目的,在进刀方向上施加低频(几百赫兹)、大振幅(最高可达几毫米)振动; 另一类以改善加工精度和表面粗糙度、提高切削效率和效能、扩大切削加工适用范围为目的,主要采用高频(目前使用的是略高于声频的超声波)、小振幅(最大约30m)。
现有结果表明,超声振动切削力可以减小到普通切削力的1 /3～ 1 /2,振动攻丝扭矩可以减小到普通攻丝扭矩的1 /3～ 1 /2,振动钻削扭矩减小到普通钻削的1 /2,推力减小到1 /3。在镗孔加工中采用振动切削,加工尺寸稳定,形状误差小、光洁度高、废品率低,同时还解决了镜面镗床镗小孔不宜精调的缺陷,工装简单,造价低廉。振动切削的试验和工业应用表明,利用振动可以减小切削力和切削功率、提高加工精度、提高加工表面性质、提高产品表面质量。另外,振动的引入可以扩大切削加工的范围,使一些高强度、高硬度和难成形材料的切削加工成为可能。恰当地采用振动切削, 还可以减小机器本身的自激振动。
3 振动剪切
振动剪切的试验工作开始于20世纪80年代。在文献描述的振动剪切试验中,将100～300Hz的小幅振动施加于静剪刃上。由于振动的引入,测得剪切力下降近50% 。
试验中,剪切力受振幅的影响较大,并随振幅的增大而减小,振动剪切消耗的剪切功也减小。所加振动的频率和剪切速度对剪切力的影响不大。考虑到试验中设备缺陷影响到激振器效率和剪切效率较低等因素,可以认为振动剪切的效能应该好于该试验所得到的结果。
在振动剪切过程中, 可以认为振动使剪切力集中在刀刃局部很小的范围内,使材料受力范围变小,材料原始晶体结构变化小。也可以推测由于刀具冲击使刀刃处的材料产生滑移运动或局部热,使得这部分材料局部软化,从而使刀具的穿透能力加强。另一种观点是,振动剪切过程中的刀具振动提高了实际切削速度,从而有助于塑性金属趋向于脆性状态,减小了塑性变形。也就是由于振动剪切实际上是脉冲力剪切,相对于静切削而言,时间短,因而剪切力的平均值小,金属在短时间内的位错运动所产生的变形来不及形成稳定的位错胞状结构,引起金属局部加工硬化,而在脆性状态下,裂纹容易产生和扩展。这些仅是在机理上进行一些推测,还没有得到证实。
4 振动轧制
轧制是金属材料加工中较为重要的方式。长期以来,人们一直希望能够将振动引入以实现低轧制力、低能耗的高效轧制工艺。传统轧制是靠轧辊转动时的轧辊和轧件之间的摩擦力咬入轧件,通过轧辊施加静压来实现改变轧件尺寸和形状。传统静态轧制的静压大,相应的驱动力和驱动力矩也大,需要消耗大量的能源。在振动轧制过程中,通过一定的方式将振动传递到轧制变形区,实现动态轧制,以实现低能耗、高质量生产的轧制过程。它与传统静态轧制的最大区别在于实现变形的方式不同。振动轧制中,轧辊不仅对材料施加静压作用,而且材料的变形区还受到振动的作用,材料的变形抗力会发生较大变化,从而提高轧制能力。
有关研究表明,在振动作用下,前滑量、轧制力、轧制力矩等轧制外特性参数都会变化,与静态轧制相比,中性点后移20% ～ 30% ,即前移量增大20% ～ 30%。在一定振幅范围内,振幅增大,中性点位置后移量将变小。振动的引入会使轧制力和轧制力矩下降近50%。振幅较小时,轧制力和轧制力矩先是随振幅增大而增大,而在某振幅处轧制力和轧制力矩发生突然下降,然后又随振幅的增大而增大,当超过某振幅后轧制力和轧制力矩突然增大许多,对应此时中性点位置突然前移了许多。
目前国外正积极对振动轧制进行研究,俄罗斯已做出了振动轧机样机。我们开展了对振动轧制机理的试验研究,如激振方式、频率和振幅的关系等。但是,由于轧机本身极易产生振动,再人为地引入振动,很容易在轧制过程中出现难以预见的诸多问题。
5 振动加工有关机理探索的评述
许多试验已经表明,振动引入金属材料加工后,不但会降低材料变形所需的外力,还会大幅度提高产品表面质量,人们对此提出了各种各样的解释。最早是Blaha和Lang enecker提出的位错机理,在微观上认为由于吸收了振动能量而使位错能变大,局部温度升高,位错增殖,变形抗力降低。但是,位错机理不能解释随振动能量的增加延伸率的减小量也都降低等现象。
后来, Daw so n等提出了体积效应和表面效应两个概念,即金属塑性变形时振动对内部应力影响的体积效应( vo lume effect )和振动对模具与材料之间外摩擦影响的表面效应( surface effect)。
一般认为,体积效应与振动对金属塑性流动中的内应力的作用有关,宏观上表现为平均应力- 应变曲线的变化、延伸率提高、加工硬化降低等现象。目前,对于体积效应许多学者的看法仍局限于20世纪70年代的两种解释,其一是与晶体位错有关的热致软化,其二是基于唯象力学的应力叠加原理。近来经过研究发现,体积效应的本质在于平均应力的减小,而平均应力降低的幅度仅取决于振幅的大小,频率的改变对体积效应没有明显的影响。
表面效应与振动对变形工具和工件之间的摩擦情况有关,宏观上表现为材料与工具之间的粘滑减少、产品表面质量提高、工具的磨损消耗降低。Daw so n等[ 6]提出的一种应力叠加原理可以对此加以解释。对于表面效应,认为可能有以下几种原因: ①加工工件与工具之间由于振动而发生瞬间分离;②摩擦力矢量反向,使得在振动周期的部分时间里摩擦力反而有利于变形加工; ③局部热效应的作用,使得局部粘焊现象减少;④振动改善了加工润滑条件,由于加工工具与工件的瞬间分开而使得新加工面被氧化,生成氧化物,其相当于润滑剂的作用; ⑤由于振动作用,润滑液更容易进入到变形区,从而改善了润滑条件。
尽管以上阐述能够解释很多现象,但也存在着一定的局限性。例如当超声加工能量超过一定值时,加工材料出现了大幅度的热软化现象,而这一点就不可能再用应力叠加原理来说明。以后又有人进一步提出了应变叠加原理,尽管其推导过程不甚严谨,但这却为研究叠加原理提供了一条方便的新思路。这主要是因为在试验过程或实际生产中,更为方便直接的控制对象是材料的应变,也可称之为输入量,而力则是输出量。在控制应变的前提下,测出相应的输出应力仍然符合应力应变关系,而且变形过程更具可控性。振动对应力应变关系的影响基本上达成这样的共识: 一定振动能量范围内,应力应变关系并没有改变,所观察到的应力应变关系的改变只不过是平均值的改变; 当振动能量超过一定值时,由于局部加热作用,在热效应下材料的本构关系可以发生质的变化,这相当于高温下的本构关系。
尽管目前对于振动塑性变形的机理研究相对于试验要滞后些,但某些理论成果已具有相当的参考价值,在此基础上进一步深入研究,一定可以取得更为合理的结果。
6 结论和展望
几十年来,在工业生产中,人们把振动同传统的材料加工方法结合起来,发展了新型有效的振动加工方法。振动拉伸、振动切削、振动剪切、振动轧制等多种新型加工工艺正逐渐在工业生产中得到应用,创造出越来越大的经济效益。世界各国在振动加工的研究方面都有很大的投入,进行了大量的理论和试验研究,在这个领域每年都有新的进展。
振动塑性加工能大幅度降低材料的变形抗力并附带其它对产品有利的影响,其意义是不言而喻的。目前,对振动加工的优点比较一致的看法主要有,振动加工能够降低成型力,降低流动应力,减少模具与工件间的摩擦,并能获得较好的制品表面质量和较高的尺寸精度。振动不但有利于普通金属材料的塑性加工,还有利于难加工材料的成形,如用于钛、镍等金属。
随着金属材料振动加工工艺研究的深入发展,振动加工理论也将进一步完善。但是,目前仍然存在一些有待解决的问题,①人们对振动加工的微观机理的解释尚缺乏科学的定量描述; ②振动频率以及塑性加工工况分别对体积效应和表面效应的本质影响有待澄清, 体积效应在高塑性变形速度下存在失效; ③由于超声振动系统功率相对偏低,从而影响超声振动塑性加工的工业化应用; ④如何将振动有效地传递到材料的塑性变形区,其中包括寻求更合理的激振方式和设计最佳振动传输系统;⑤机器在振动下疲劳损坏问题,以及振动对环境的污染问题等。
对于上述问题的解决,一个直接的思考,便是在金属材料学的最新研究成果中寻求新的线索。金属材料学的长足发展,为振动加工提供了材料学方面的理论基础。甚至可以认为,体积效应和表面效应的机理研究之所以还没有取得突破,关键在于人们过分强调了Blaha效应的工业应用,忽视了机理的物理本质。只有触及到机理本质,才能有效地指导振动在加工过程中的合理应用。另外,为了探索振动加工的机理,应足够重视单轴拉伸等原理性试验的研究,在原理性试验基础上,更精确细致地考虑所有可能的加载工况和步骤,对不同金属材料进行试验,以获得较为普遍的结果。
在低频振动加工方面,人们所进行的探索性实践都要比超声振动少一些。低频振动的工业应用价值更为明显,更应该重视低频振动加工的研究和工艺开发等工作。
总之,金属材料加工中的振动利用问题具有丰富的理论内涵和极为诱人的应用前景,需要进行不懈地探索。可以预料,随着人们对振动加工理论研究的不断深入、工业化应用的不断推行,振动材料加工会在许多工业工程领域中取得实质性进展,为人类做出更大的贡献。
