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(duì)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(kuò)大材料加工的適用范圍、節(jié)約材料、節(jié)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(qiáng)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(jìn)行過(guò)振動(dòng)加工的試驗(yàn)。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(yīng)用,如振動(dòng)拉絲和振動(dòng)拉管在歐美已取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
雖然對(duì)振動(dòng)加工的試驗(yàn)已經(jīng)較為廣泛,但理論研究卻相對(duì)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(xiàn)有的不盡完整的試驗(yàn)結(jié)果表明,低頻振動(dòng)加工有時(shí)可以達(dá)到與超聲振動(dòng)加工相似的結(jié)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(duì)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(yàn),主要包括超聲振動(dòng)拉伸和低頻振動(dòng)拉伸兩類。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(xiàn)了拉伸力突然下降的現(xiàn)象,繼而人們對(duì)鋅、鋁、鎢和不銹鋼等多種金屬線材進(jìn)行超聲波振動(dòng)拉伸試驗(yàn),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(xì)絲及毛細(xì)管生產(chǎn),對(duì)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(jì)價(jià)值。
Blaha 的鋅單晶拉伸是一個(gè)經(jīng)典試驗(yàn), 這種變形抗力大大降低的現(xiàn)象后來(lái)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(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(yàn)中可以觀察到如下典型現(xiàn)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(yīng)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(xiàn)在試驗(yàn)的頻率范圍內(nèi)( 15～ 80kHz) ,振動(dòng)試驗(yàn)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(yīng)頻率的交變電能通過(guò)機(jī)械裝置轉(zhuǎn)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(lì)模具的振動(dòng),材料在振動(dòng)模具中拉拔,從而實(shí)現(xiàn)超聲波振動(dòng)對(duì)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(shù)發(fā)生變化, 摩擦力減少,同時(shí),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(cuò)運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)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)拉拔線材和拉拔管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)于振動(dòng)拉伸,現(xiàn)有如下幾點(diǎn)主要結(jié)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(jié)約拉絲模30%～ 50% ,并能有效地提高線材材質(zhì)。振動(dòng)拉伸還可以對(duì)減少中間退火次數(shù)、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(jié)省潤(rùn)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(dāng)?shù)姆较颉⒁欢l率和振幅的振動(dòng),以改善切削效能。一類以斷屑為主要目的,在進(jìn)刀方向上施加低頻(幾百赫茲)、大振幅(最高可達(dá)幾毫米)振動(dòng); 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(kuò)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(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(wěn)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(diào)的缺陷,工裝簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉。振動(dòng)切削的試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)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(kuò)大切削加工的范圍,使一些高強(qiáng)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?dòng)切削, 還可以減小機(jī)器本身的自激振動(dòng)。
3 振動(dòng)剪切
振動(dòng)剪切的試驗(yàn)工作開(kāi)始于20世紀(jì)80年代。在文獻(xiàn)描述的振動(dòng)剪切試驗(yàn)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(cè)得剪切力下降近50% 。
試驗(yàn)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(duì)剪切力的影響不大�？紤]到試驗(yàn)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(rèn)為振動(dòng)剪切的效能應(yīng)該好于該試驗(yàn)所得到的結(jié)果。
在振動(dòng)剪切過(guò)程中, 可以認(rèn)為振動(dòng)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(cè)由于刀具沖擊使刀刃處的材料產(chǎn)生滑移運(yùn)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(qiáng)。另一種觀點(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(duì)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(nèi)的`位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的變形來(lái)不及形成穩(wěn)定的位錯(cuò)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(kuò)展。這些僅是在機(jī)理上進(jìn)行一些推測(cè),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(zhǎng)期以來(lái),人們一直希望能夠?qū)⒄駝?dòng)引入以實(shí)現(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(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(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(dòng)力和驅(qū)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(qū),實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)軋制,以實(shí)現(xiàn)低能耗、高質(zhì)量生產(chǎn)的軋制過(guò)程。它與傳統(tǒng)靜態(tài)軋制的最大區(qū)別在于實(shí)現(xiàn)變形的方式不同。振動(dòng)軋制中,軋輥不僅對(duì)材料施加靜壓作用,而且材料的變形區(qū)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(shù)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(nèi),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(dāng)超過(guò)某振幅后軋制力和軋制力矩突然增大許多,對(duì)應(yīng)此時(shí)中性點(diǎn)位置突然前移了許多。
目前國(guó)外正積極對(duì)振動(dòng)軋制進(jìn)行研究,俄羅斯已做出了振動(dòng)軋機(jī)樣機(jī)。我們開(kāi)展了對(duì)振動(dòng)軋制機(jī)理的試驗(yàn)研究,如激振方式、頻率和振幅的關(guān)系等。但是,由于軋機(jī)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(xiàn)難以預(yù)見(jiàn)的諸多問(wèn)題。
5 振動(dòng)加工有關(guān)機(jī)理探索的評(píng)述
許多試驗(yàn)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(duì)此提出了各種各樣的解釋。最早是Blaha和Lang enecker提出的位錯(cuò)機(jī)理,在微觀上認(rèn)為由于吸收了振動(dòng)能量而使位錯(cuò)能變大,局部溫度升高,位錯(cuò)增殖,變形抗力降低。但是,位錯(cuò)機(jī)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(xiàn)象。
后來(lái), Daw so n等提出了“體積效應(yīng)”和“表面效應(yīng)”兩個(gè)概念,即金屬塑性變形時(shí)振動(dòng)對(duì)內(nèi)部應(yīng)力影響的體積效應(yīng)( vo lume effect )和振動(dòng)對(duì)模具與材料之間外摩擦影響的表面效應(yīng)( surface effect)。
一般認(rèn)為,體積效應(yīng)與振動(dòng)對(duì)金屬塑性流動(dòng)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(duì)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(cuò)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(lái)經(jīng)過(guò)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(duì)體積效應(yīng)沒(méi)有明顯的影響。
表面效應(yīng)與振動(dòng)對(duì)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(duì)此加以解釋。對(duì)于表面效應(yīng),認(rèn)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(yīng)的作用,使得局部粘焊現(xiàn)象減少;④振動(dòng)改善了加工潤(rùn)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(dāng)于潤(rùn)滑劑的作用; ⑤由于振動(dòng)作用,潤(rùn)滑液更容易進(jìn)入到變形區(qū),從而改善了潤(rùn)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(guò)一定值時(shí),加工材料出現(xiàn)了大幅度的熱軟化現(xiàn)象,而這一點(diǎn)就不可能再用應(yīng)力疊加原理來(lái)說(shuō)明。以后又有人進(jìn)一步提出了應(yīng)變疊加原理,盡管其推導(dǎo)過(guò)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?yàn)樵谠囼?yàn)過(guò)程或?qū)嶋H生產(chǎn)中,更為方便直接的控制對(duì)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(cè)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(guò)程更具可控性。振動(dòng)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響基本上達(dá)成這樣的共識(shí): 一定振動(dòng)能量范圍內(nèi),應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系并沒(méi)有改變,所觀察到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的改變只不過(guò)是平均值的改變; 當(dāng)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(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(duì)于振動(dòng)塑性變形的機(jī)理研究相對(duì)于試驗(yàn)要滯后些,但某些理論成果已具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r(jià)值,在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(lái),在工業(yè)生產(chǎn)中,人們把振動(dòng)同傳統(tǒng)的材料加工方法結(jié)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(yīng)用,創(chuàng)造出越來(lái)越大的經(jīng)濟(jì)效益。世界各國(guó)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(yàn)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(duì)產(chǎn)品有利的影響,其意義是不言而喻的。目前,對(duì)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(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(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(duì)振動(dòng)加工的微觀機(jī)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(duì)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(dòng)系統(tǒng)功率相對(duì)偏低,從而影響超聲振動(dòng)塑性加工的工業(yè)化應(yīng)用; ④如何將振動(dòng)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(jì)最佳振動(dòng)傳輸系統(tǒng);⑤機(jī)器在振動(dòng)下疲勞損壞問(wèn)題,以及振動(dòng)對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題等。
對(duì)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索。金屬材料學(xué)的長(zhǎng)足發(fā)展,為振動(dòng)加工提供了材料學(xué)方面的理論基礎(chǔ)。甚至可以認(rèn)為,體積效應(yīng)和表面效應(yīng)的機(jī)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(qiáng)調(diào)了Blaha效應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用,忽視了機(jī)理的物理本質(zhì)。只有觸及到機(jī)理本質(zhì),才能有效地指導(dǎo)振動(dòng)在加工過(guò)程中的合理應(yīng)用。另外,為了探索振動(dòng)加工的機(jī)理,應(yīng)足夠重視單軸拉伸等原理性試驗(yàn)的研究,在原理性試驗(yàn)基礎(chǔ)上,更精確細(xì)致地考慮所有可能的加載工況和步驟,對(duì)不同金屬材料進(jìn)行試驗(yàn),以獲得較為普遍的結(jié)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(yīng)用價(jià)值更為明顯,更應(yīng)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(nèi)涵和極為誘人的應(yīng)用前景,需要進(jìn)行不懈地探索�？梢灶A(yù)料,隨著人們對(duì)振動(dòng)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(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,為人類做出更大的貢獻(xiàn)。
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