振動利用在金屬材料加工中的工藝分析

摘 要：材料在工業(yè)的發(fā)展中占有舉足輕重的地位，工業(yè)想發(fā)展，材料要先行，金屬材料的加工對行業(yè)進步和社會發(fā)展有直接的影響。在研究加工方面，新技術(shù)和新理論是提高金屬材料加工水平的前提，這些新技術(shù)和新理論的出現(xiàn)可為行業(yè)和社會發(fā)展提供更加可靠的基礎(chǔ)，也能促進現(xiàn)代金屬材料加工水平的提升。為了對金屬加工技術(shù)進行全方位的理解，著重在振動拉伸、振動切削、振動剪切3個方面進行了全方位論述。

關(guān)鍵詞：金屬材料；加工振動；振動切削；振動剪切

中圖分類號：TH161.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.070

1 將振動轉(zhuǎn)化為應(yīng)用的意義

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，先進的科學(xué)技術(shù)和理論在各行業(yè)越來越多，這些新技術(shù)的應(yīng)用大大推動了各領(lǐng)域生產(chǎn)水平的提升。金屬材料加工方面也不例外，先進的金屬材料加工技術(shù)和理論不斷涌現(xiàn)，使金屬材料加工水平越來越高，這大大改善了金屬材料的質(zhì)量和性能。振動利用是金屬材料加工過程中常用的手段，在加工過程中對振動進行利用，能對金屬材料的加工質(zhì)量和效率進行改善。隨著振動在金屬材料中的不斷應(yīng)用，也出現(xiàn)了很多與振動相關(guān)的技術(shù)和理論。為了更好地提升現(xiàn)代金屬材料加工的水平，對振動利用問題進行分析具有非常重大的意義。

在材料加工過程中，易出現(xiàn)各種不利因素，影響了正常的加工時間，或由于操作過程中發(fā)生的一些失誤，影響了材料性能及質(zhì)量。在材料加工過程中，必須避免這些負影響，振動是其中要避免的因素之一。因此，很多的專家學(xué)者始終將通過減少振動來提高工作效率、加工質(zhì)量作為材料加工行業(yè)的重點研究。但到目前為止，始終沒有找到很好的消除振動的補救措施。任何問題有利即有弊，既然在加工過程中消除不了振動，是否可把這種不利因素轉(zhuǎn)化為有利因素，這樣既可以解決振動問題，還可以提高加工效率和質(zhì)量。在振動過程中，必須對被加工材料或加工過程中使用的刀具按照設(shè)計嚴格控制振動頻率和振幅。這樣一方面有利于通過消除變形阻力降低對被加工材料的蠕動變形；另一方面，有利于提高加工質(zhì)量。鑒于此，應(yīng)把此技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬材料的加工過程中，在金屬材料加工中推廣使用振動加工技術(shù)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 被加工金屬材料的范圍更大

各種金屬材料的性質(zhì)是不一樣的，對于含碳量高、硬度大的金屬材料，刀具易嚴重磨損，工作效率低下，特別是具有超級硬度、超級脆性的材料，由于加工過程中的變形阻力特別大，加工難度大，要求操作技術(shù)水平高，易導(dǎo)致操作困難。對于含碳量高、硬度大、脆性大的這些金屬材料，在加工過程中應(yīng)推廣使用振動技術(shù)，從而對加工材料效率和質(zhì)量兩個方面技術(shù)標準進行改善。如果采用普通加工過程對一些具有粘接性的材料進行加工時，則易出現(xiàn)積屑的情況，加工過程中易產(chǎn)生不連續(xù)性，進而降低了加工效率和質(zhì)量，甚至導(dǎo)致刀具被破壞。因此，建議在加工過程中盡量利用振動技術(shù)來確保加工材料的質(zhì)量。

1.2 被加工材料結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用更廣

有些被加工的金屬材料結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，加工時的操作技術(shù)含量高、操作難度大，采用普通的加工方式很難達到滿意的效果，通過振動技術(shù)可有效解決這個問題。比如，直接利用金屬板材等加工密度較高的可沖制結(jié)構(gòu)和形狀較為復(fù)雜的薄制品，常用的材料有碳鋼、合金鋼等。為了改善薄壁工件易出現(xiàn)的持久受力和變形問題，采用普通的加工刀具很難保證連續(xù)性。應(yīng)用振動技術(shù)在這些材料的加工中，被加工的材料按照一定的頻幅緩存受力，可確保被加工材料的彈性恢復(fù)的過程，易實現(xiàn)薄壁工件的加工標準。

1.3 可有效提高加工精度

加工過程中常出現(xiàn)被加工材料表面不圓滑或毛刺的情況，加工精度達不到標準，甚至出現(xiàn)廢品。通過振動應(yīng)用這一工藝，可盡量避免不光滑和毛刺的出現(xiàn)，有效提高被加工金屬材料的質(zhì)量。遇到大直徑、較深的孔加工時，經(jīng)常缺乏成熟的刀具解決方案。傳統(tǒng)的加工方法不能為較大而且較長的孔加工提供令人滿意的解決方案，使生產(chǎn)過程變得緩慢，并降低工藝的可靠性，采用振動利用可使這些加工工藝更高效、更可靠。

2 振動應(yīng)用的幾種方法

2.1 振動拉伸

我國振動拉伸的實驗工作起步比較早，由于在拉伸金屬過程中常會出現(xiàn)拉伸力突然發(fā)生變化的問題，這一現(xiàn)象在多種金屬中均會出現(xiàn)。在拉伸金屬時，通過應(yīng)用超聲波技術(shù)不僅能簡化工藝，還能提高效率，降低金屬材料的抵抗變形能力。這種方法已經(jīng)在生產(chǎn)實際中應(yīng)用在了強度高、成型難的金屬材料加工中，通過拉拔、沖剪和軋壓等手段可以進行高精度加工，有利于降低能耗。

2.2 振動切削

振動切削是通過刀具對被加工金屬零件以一定方位、適度頻率和一定的振動幅度達到改進切削效果的。對于振動切削的實驗工作，可通過振動降低切削力和切削能耗、提高加工準確性、改進加工表面性質(zhì)、改進工件表面密度。這種方法最典型的是利用超聲波切削技術(shù)，把超聲波振動按照特定的頻率施加在加工件上進行周期性的切割與分離，實現(xiàn)被加工工件的可靠成型。

2.3 振動剪切

剪切時施加振動會減小剪切力和剪切功。增大振幅對降低剪切力和剪切功的作用明顯，而改變頻率和剪切速度則作用很小。在實驗過程中觀察到，振動幅度對剪切力的影響大，在不斷增加振動幅度的情況下，剪切力持續(xù)下降。同時，降低振動的剪切功也在同步減小。因此，要統(tǒng)籌考慮可能出現(xiàn)的不足，以保證加工效率和效果。

3 結(jié)束語

振動在常規(guī)的金屬材料加工過程中是一種不期望出現(xiàn)的因素，因振動的出現(xiàn)會影響金屬材料的加工精度，還會對金屬材料的性能造成一定的影響。將振動應(yīng)用于金屬材料的加工過程中，不僅能減弱振動造成的影響，還能更好地提升加工效率和加工質(zhì)量。在金屬材料的加工過程中，振動技術(shù)是常用的加工利用方式，通過利用振動技術(shù)能減小振動對加工效果的干擾，同時，能對加工質(zhì)量和效能進行有效提升。

作者簡介：劉鈺莎（1996—），女，北京人，北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院在讀本科，工程力學(xué)專業(yè)。

〔編輯：張思楠〕