金屬材料加工中的振動(dòng)應(yīng)用研究

【摘 要】振動(dòng)在金屬材料加工中的應(yīng)用，極大降低了金屬材料的變形阻力，使金屬材料加工的能耗得到了降低，改善金屬產(chǎn)品加工的質(zhì)量。正文通過(guò)對(duì)振動(dòng)加工的概述，進(jìn)一步研究分了振動(dòng)在金屬材料加工中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】金屬材料加工;振動(dòng)應(yīng)用;研究

振動(dòng)應(yīng)用到金屬材料的加工中，即振動(dòng)加工。振動(dòng)是施加一定頻率、方向和振幅在被加工材料或加工刀具上，使被加工材料在振動(dòng)中產(chǎn)生塑性變形。振動(dòng)加工在特定的場(chǎng)合下，可以降低被加工材料的變形阻力，進(jìn)而使加工能耗得到降低，改善金屬產(chǎn)品加工的質(zhì)量。因此。振動(dòng)加工對(duì)加工材料適用范圍的擴(kuò)大、能源和材料的節(jié)約開(kāi)辟了一條新的道路，同時(shí)也使那些難成型、高強(qiáng)度和高硬度材料的加工工藝得到了更新和提高。目前，振動(dòng)加工已經(jīng)應(yīng)用到金屬材料的擠壓、沖孔、軋制、精壓、超聲霧化和剪切制造、金屬粉末的加工、異型材料、管材和線材的拉拔等中。振動(dòng)加工的理論研究相對(duì)其廣泛的應(yīng)用比較滯后，低頻振動(dòng)加工要比超聲振動(dòng)加工的研究較少，因此，科學(xué)、合理和系統(tǒng)的研究分析振動(dòng)在金屬材料加工中的應(yīng)用具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

一、振動(dòng)加工的概述

1、振動(dòng)加工的原理

振動(dòng)器和振動(dòng)電源是振動(dòng)加工的核心技術(shù)，其技術(shù)是施加一定頻率、方向和振幅在被加工材料或加工刀具上，進(jìn)行瞬間、往復(fù)和間斷的斷續(xù)接觸加工，與連續(xù)接觸傳統(tǒng)加工相對(duì)應(yīng)。振動(dòng)加工的系統(tǒng)可以制成加工中心式、機(jī)床附件式和專業(yè)機(jī)床式。

2、振動(dòng)加工應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

振動(dòng)加工的應(yīng)用可以降低被加工材料的變形阻力，進(jìn)而使加工能耗得到降低，改善金屬產(chǎn)品加工的質(zhì)量。具體體現(xiàn)在以下主要幾個(gè)方面：

（1）振動(dòng)加工用于難加工材料的優(yōu)點(diǎn)

對(duì)高強(qiáng)度材料，如鈦合金、高鋼筋的加工、不銹鋼和高溫合金等，進(jìn)行振動(dòng)攻絲，可以節(jié)省特殊絲錐的費(fèi)用。對(duì)粘性材料，如鋁、鋼炮等的加工，進(jìn)行振動(dòng)鉸孔，可以降低粗糙度，使由積屑瘤引起的表面深溝劃痕得以消除。

（2）振動(dòng)加工用于難加工結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

對(duì)弱剛度結(jié)構(gòu)，如細(xì)長(zhǎng)桿、薄壁筒等的加工，進(jìn)行振動(dòng)車削，可以降低切削力，使加工變形顯著得以降低。對(duì)難達(dá)到的結(jié)構(gòu)，如曲面、死角和階梯面等的加工，進(jìn)行振動(dòng)研拋，可以提高精度，進(jìn)而提高研拋的效率。

（3）振動(dòng)加工用于難加工表面完整性

振動(dòng)去毛刺，可以將節(jié)流棱邊和流量孔的毛刺去除，使霧化或流量的穩(wěn)定性得以保證。振動(dòng)擠壓強(qiáng)化，可以將鍍層內(nèi)部和表面的缺陷消除，使表面壓應(yīng)力得以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而使疲勞和氣密性的壽命得到提高。振動(dòng)去內(nèi)部應(yīng)力、振動(dòng)少無(wú)應(yīng)力切削，可以將內(nèi)部和表面應(yīng)力消除，使精度得到持久的保持。

二、金屬材料加工中的振動(dòng)應(yīng)用

1、振動(dòng)拉伸在金屬材料加工中的應(yīng)用

振動(dòng)拉伸是最早在金屬材料加工中得到應(yīng)用的，低頻振動(dòng)拉伸和超聲振動(dòng)拉伸是振動(dòng)拉伸的兩大類型。由我國(guó)陳元平發(fā)明的超聲波拉絲裝置，其特征在于，包括具有拉絲孔的拉絲模頭、依次連接的換能器、變幅桿和工具頭，所述換能器與超聲波驅(qū)動(dòng)電源相連，所述拉絲模頭通過(guò)連接件安裝于工具頭上。其在金屬材料加工中，具有提高拔絲速度、降低拉伸力、提高線材表面質(zhì)量和成品率、增加斷壓面壓縮率、節(jié)約拔絲模和減少拉伸時(shí)粘結(jié)拉伸和斷線的現(xiàn)象的特點(diǎn)。由此可見(jiàn)，振動(dòng)拉伸具有降低變形抗力，在改善產(chǎn)品的加工質(zhì)量和提高材料加工特性方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)還具有簡(jiǎn)化工藝、減少退火次數(shù)、提高生產(chǎn)率、降低工件和模具之間的摩擦和節(jié)省潤(rùn)滑劑的功能。

2、振動(dòng)切削在金屬材料加工中的應(yīng)用

上世紀(jì)六十年代，振動(dòng)切削加工作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)發(fā)展起來(lái)了，振動(dòng)切削是一種新型的非傳統(tǒng)的特種切削加工方法，它是給刀具（或工件）以適當(dāng)?shù)姆较颉⒁欢ǖ念l率和振幅的振動(dòng)，以改善其切削功效的脈沖切削方法。按振動(dòng)頻率可分為超聲振動(dòng)切削(15kHz～35ktz)和低頻振動(dòng)切削(20 Hz～150 Hz)。其經(jīng)過(guò)多年在金屬材料加工中的應(yīng)用表明，相比普通切削，振動(dòng)切削具有降低切削溫度和切削力、加工精度高、表面粗糙度小、刀具使用壽命長(zhǎng)、切削液使用效果好和提高已加工表面的耐腐蝕性及耐磨性等優(yōu)點(diǎn)。目前，超精密加工和精密加工已成為振動(dòng)切削加工重要發(fā)展方向，振動(dòng)切削可以提高切削質(zhì)量，不僅超聲振動(dòng)切削能達(dá)到優(yōu)異的工藝效果，同時(shí)低頻振動(dòng)切削也能達(dá)到類似的工藝效果。由于低頻振動(dòng)切削比超聲振動(dòng)切削更易實(shí)現(xiàn)，技術(shù)難度較小，因此具有更大的實(shí)用價(jià)值。

3、振動(dòng)剪切在金屬材料加工中的應(yīng)用

上世紀(jì)八十年代，開(kāi)始了振動(dòng)剪切的實(shí)驗(yàn)，由謝正禮研究發(fā)明的一種能夠?qū)⒔饘侔宀募羟谐龈鞣N復(fù)雜形狀的振動(dòng)剪切機(jī)，其原理是在機(jī)體內(nèi)裝有主軸，主軸外設(shè)有偏心裝置，通過(guò)球型連桿，并經(jīng)滑塊調(diào)節(jié)裝置與上剪切刀聯(lián)接，在與上剪切刀對(duì)應(yīng)的位置上固定有下剪切刀，通過(guò)上、下剪切刀的相對(duì)移動(dòng)，將金屬板材剪切出各種復(fù)雜形狀。其在金屬加工中的應(yīng)用表明在振動(dòng)剪切中，剪切力被振動(dòng)集中在刀刃局部很小的范圍內(nèi)，減小了材料的受力范圍，使材料原始晶體的結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。刀具在振動(dòng)剪切過(guò)程中的振動(dòng)使實(shí)際切削的速度得到了提高，有利于塑性金屬處于脆性狀態(tài)，進(jìn)而使塑性變形得到了減小。

4、振動(dòng)軋制在金屬材料加工中的應(yīng)用

金屬材料在加工中最主要的方式就是軋制。傳統(tǒng)的軋制靠的是軋件和軋輥在軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)之間產(chǎn)生的摩擦力咬入軋件， 軋件形狀和尺寸的改變是通過(guò)施加靜壓在軋輥上實(shí)現(xiàn)的。因此能源消耗大、靜壓大、驅(qū)動(dòng)力矩和驅(qū)動(dòng)力大成為了傳統(tǒng)靜態(tài)軋制的特點(diǎn)。振動(dòng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了低能耗，低軋制力的高效軋制工藝。由北科大研究發(fā)明的一種半固態(tài)金屬材料連軋工藝，其特征在于，電磁攪拌或電磁與振動(dòng)復(fù)合攪拌獲得的組織均勻、晶粒細(xì)小的金屬半固態(tài)漿料經(jīng)過(guò)漿料導(dǎo)流管直接沿垂直方向，從軋機(jī)上部輸送至第一架軋機(jī)入口處，并通過(guò)導(dǎo)衛(wèi)裝置進(jìn)入軋制變形區(qū)，半固態(tài)漿料經(jīng)第一架軋機(jī)軋制變形后，邊冷卻邊進(jìn)入下面機(jī)架繼續(xù)軋制變形，軋機(jī)布置成垂直段、扇形段、水平段三段，漿料通過(guò)多機(jī)架進(jìn)行連續(xù)軋制。其在金屬材料加工中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定控制半固態(tài)金屬連續(xù)軋制，擴(kuò)大產(chǎn)品加工的尺寸范圍和品種，并且生產(chǎn)成本低，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修操作方便。由此可見(jiàn)，變形實(shí)現(xiàn)的方式不同是傳統(tǒng)靜態(tài)軋制和振動(dòng)軋制之間的最大區(qū)別。在振動(dòng)軋制中軋輥既施加靜壓在材料上，使材料的變形區(qū)也受到振動(dòng)的作用，進(jìn)而較大的改變了材料的變形抗力，使軋制能力得到提高。

結(jié)論

振動(dòng)在金屬材料加工的應(yīng)用，可以降低被加工材料的變形阻力，進(jìn)而使加工能耗得到降低，改善金屬產(chǎn)品加工的質(zhì)量。同時(shí)，振動(dòng)加工對(duì)加工材料適用范圍的擴(kuò)大、能源和材料的節(jié)約開(kāi)辟了一條新的道路，也使那些難成型、高強(qiáng)度和高硬度材料的加工工藝得到了更新和提高?？梢?jiàn)，對(duì)金屬材料加工中的振動(dòng)應(yīng)用進(jìn)行科學(xué)合理的分析研究至關(guān)重要。

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