塑性成形过程的振动应用技术

1、 金属铸锻焊技术2009 年 1 月CastingForgingWelding塑性成形过程的振动应用技术温 彤， 裴春雷， 李昌坤（重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044） 摘 要：振动塑性加工是利用相关装置对金属塑性成形过程中的模具或坯料进行一定的激振，以降低坯料与 模具之间的摩擦、提高坯料的成形极限，得到更好的成形效果。 介绍了振动塑性加工的研究现状，以及以超声波为主的振动在拉拔、冲压等塑性成形过程中的应用情况。 关键词： 塑性成形； 振动； 超声波 中图分类号：TG301文献标识码：A文章编号：1001-3814(2009)01-0114-04Application of Vi

2、bration inPlastic FormingProcessesWEN Tong, PEI Chunlei, LI Changkun(College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)Abstract： Vibration plastic forming is a technology that vibration is superimposed on dies or billet with some kind of apparatus during met

3、al forming process. Using the technology, the friction between billet and dies would reduce, the deformation ability of metal would improve and the good results could be obtained. The research on vibration plastic forming and application of ultrasonic vibration in drawing and stamping are reviewed.K

4、ey words：plastic forming； vibration； ultrasound振动广泛存在于各类机械设备的运行过程。在多数情况下，振动不仅会降低设备的精度、影响 设备的功能并产生噪声， 还可能缩短机械的寿命甚至造成事故， 因此通常被认为是有害的。 另一方面，人类利用振动也实现了很多特殊的应用，如 振动凿岩、振动筛选、振动密实、振动抛光、振动沉 桩、振动冲击、振动研磨、振动焊接、振动时效等， 共同构成了所谓“振动利用工程”的重要内容。 在材料成形或加工过程中，如果对被加工材料(或加工工具)主动施加一定方向、频率和振幅的可控振动，则有可能得到一些有利于成形的结果，这种方 式称为振动

5、辅助加工或振动加工1-6。例如，在传统机械切削中引入振动，可以减小切削力、提高表面 加工质量，还能实现对陶瓷等硬质、脆性材料的切 削加工；在粉末冶金中，应用超声波振动可以雾化金属液，得到超细颗粒，压制阶段应用振动还可以使压坯更加密实、均匀； 在铸造过程中， 利用振动可以细化晶粒，得到更好的材料性能总之，振 动加工为扩大材料的加工范围、 提高材料的可加 工性与加工质量、 节省材料和能源开辟了一条新的途径。需要指出的是，有资料将振动切削加工简称为振动加工，这是不准确的。 在传统的金属塑性成形过程中， 如果利用一定的装置对模具或工件进行激振（本文称之为“振动塑性加工”或“振动塑性成形”），不仅可以降

6、低工件和模具之间的摩擦力以及整体成形力， 同时还能提高材料的变形能力或成形性能， 得到更好的工件成形质量。迄今为止，人们已在线材、管材拉拔，以及板料冲孔、 剪切和精压、轧制、挤压、摆辗等塑性成形过程进行过振动加工的试验2-10。 本文主要介绍了振动塑性加工的基础研究， 以及以超声波为主的振动在拉拔、 冲压等塑性成形过程中应用的现状。 振动塑性变形的机理及研究迄今关于振动对塑性加工材料的表面及内部影响 的理论，均是建立在所谓“体积效应(volume effect)” 和“表面效应(surface effect)”两个概念的基础上4-6。 奥地利的 Blaha F 和 Langenecker B

7、最早发现1了体积效应。 1955 年，他们将超声波施加到单晶锌试样静态拉伸过程后， 观察到了材料屈服应力和流动应力的降低7，这种现象因此被称为 Blaha效应。通常的理解是坯料内部微粒产生振动后，材 收稿日期：2008-09-02作者简介：温彤（1968-），男，重庆人，副教授，博士后，主要研究方向为金属塑性成形工艺与模具、材料成形 CAD/CAE； 电话E-mail：114Hot Working Technology 2009, Vol.38, No. 1 上半月出版金属铸锻焊技术CastingForgingWelding料活性增大

8、、温度升高，出现与晶错有关的热释和定量的分析，其理论研究相对滞后。 致软化， 因此可以降低坯料的动态变形阻力。 此后， 许多学者对 Blaha 效应以及相关的问题进行了研究8-16。 Kempe提出了位错可能吸收振动能 量的三种机制，即：共振机制、松弛机制以及滞后 （hysteresis）作用。 Atanasiu14对超声振动下各种金属材料的屈服强度所给出的定量描述认为，屈服强度是超声强度的指数函数。 Nevill13则认为这种流动应力的降低包含了静态应力的叠加，何勍等15根据叠加原理的基本思想， 采用 Kirchner H O K 等对应变变化的基本假定， 给出了体积效应机理的数学描述。 “

9、表面效应”主要针对振动对模具与材料之间外摩擦的影响， 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。 可能产生表面效应的原因有17-20：加工工件与工具之间由于振动而产生瞬间分离； 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； 局部热效应的作用使得局部粘焊现象减少； 另外， 振动还可能改善了加工润滑条件。 为了定量分析表面效应，一些资料20采用了非局部的摩擦理论对表面效应进行研究。 实际上， 振动塑性加工的基本过程与传统塑性成形方法相同， 关键是如何实现与应用外加振动系统。 现有研究大都采用超声振动， 即以大功率超声波（称为功率超声）的振动为

10、主。 但有关研究表明， 低频振动亦能降低金属塑性变形过程中 的平均应力以及外摩擦， 达到与超声振动相似的加工效果4。 唐获和王先进 在21薄带摩擦试验中， 用电磁振荡器在正压力上叠加低频振动， 研究了频率、振幅、拉速、正压力以及板料表面状态对摩擦力的影响。发现在一般摩擦条件下，随着正压力的增加摩擦 系数稍有下降， 即使叠加了振动这一规律仍然有效。当正压力较大时（5 MPa），叠加振动可以使摩擦力降低 20%左右，振动频率大约在 515 Hz 范围。在正压力比较小时（5 MPa）， 可以通过叠加振动使摩擦的峰值下降， 此时频率的影响较大。需要注意的是，低频振动往往需要较好的隔振措施，噪声污 染相

11、对较大。 由于振动对金属塑性成形过程的影响十分复 杂，从总体上看，现有关于振动塑性变形的理论都 存在局限， 对振动效应的机理尚无完善的理论阐 振动拉拔与挤压对振动拉拔的研究已有较多， 应用也相对成熟， 特别是振动拉丝和振动拉管已取得了较好的经济效益6，22-25。在拉拔过程中，通过超声波振动可以有效提高临界拉拔速度， 且径向施加振动比轴向施加振动效果更好22。 与常规拉拔对比，振动拉拔工艺具有表面质量好、拉拔力小、道次压缩比大及模具寿 命长等优点。 振动拉拔的缺点是投资较大， 操作人员需专门训练及需用相匹配的模具。 今后的研究重点之一， 将是针对一些难成形材料或异形断面型材一类的复杂断面形状产

12、品的拉拔。 振动挤压也可以减少摩擦力， 降低挤压成形力并改善产品表面质量。 这方面也有不少研究成果3,26。 例如，Akbari Mousavi 等人的研究表明26， 振动挤压时， 压力的降低幅度与挤压的速度和振 幅都有较大的关系。 2123振动冲压目前主要应用于板料的拉深。 例如 PasierbA27等在桶形件拉深的实验中， 采用特殊的径向超声振动凹模并附加一个压边圈。 对铝、铜、锌和黄铜板的拉深实验表明， 应用超声振动时载荷明显降低， 且工件在凸模与凹模之问的定位更准确。Jimma2,28等将超声波振动应用到拉深过程后，大大提高了 LDR（极限拉深比），超过了理想无摩擦工具条件下的 LDR

13、 理论值。Smith2等人在对铝板的拉深实验中，采用超声波振动拉深将 LDR 分别提高了 6%20%。 实验表明，压边力的大小对成形极限的影响甚大，通常以 13 MPa 为宜。 压边 力太低易引起振动，使加工不稳定；太高又难以产 生振动，振幅减少，都会使 LDR 降低。 振幅增大 时，凸模负荷下降。但是，随着振幅的增大，破裂极限随之降低， 其原因是振动使材料已成形部分发热，摩擦作用减弱，变形抗力降低。因此，在选择振幅的大小时 应注意上述两个方面的作用。 Jimma28总结了如图 1 所示的几种超声波振动拉深的振动方式。 通过比较各种振动形式，发现轴向振动（振动方式、）对提高 LDR 的作用更

14、大，但装置结构的实现比振动方式、更困难。 热加工工艺 2009 年第 38 卷第 1 期115 金属铸锻焊技术2009 年 1 月CastingForgingWeldingJ 中国机械工程，2001，12（5）：594-597 曹乃光， 谢建新 日本冲压成形工艺研究的近期进展J 轻合金加工技术，1984，（10）：37-43 马道章 超声波在金属塑性加工上的应用J 上海有色金属，1980，（3）：31-40 何勍，闻邦椿 振动塑性加工的进展及若干问题J 辽宁工学院学报，1999，（4）：5-9 刘新忠，孟永钢，苗金鱼 超声波在塑性加工中的应用研究 J 锻压技术，1998，（5）：12-15 张

15、士宏 金属材料的超声塑性加工 J 金属成形工艺， l994， 12(3)： 102-106 Blaha F, Langenecker B. Elongationofzincmonocrystalsunder ul- trasonic action J. Die Natur Wissenschafen,1955, 42(20): 556 Langenecker B Effectsofultrasound ondeformation character- istics of metals J IEEE Transactions on Sonics and Ultrason- ics， 1996，

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18、7D8图 1超声波振动辅助板拉深 Fig.1 Vibration methods used in deep drawing9其他振动塑性加工蔡改贫等对振动摆动辗压成形进行了研究29， 发现振动摆动辗压在摆辗力、 形变特征、 高径比HD 和成形质量方面与常规摆动辗压相比具有显著的优越性，不仅可以降低成形力，还提高了成形的填充性和表面质量。 松木贤司等30-31在研究 Zn-22wt%AL 合金的超塑性压缩变形时引入了超声振动， 除了测试应力应变、温度应变等特性，还研究了材料的微观组织等。此外，松术贤司等还研究了 Zn-22wt%Al 超塑性合金的超声振动闭模挤压过程， 实验所用超声振动的振幅为

19、3.5 m。 结果表明，加上超声振动后挤压力和摩擦力都有所减小。 针对镁及其合金在室温下塑性差的特点，本文认 为利用振动塑性加工的原理， 取代或者配合加热的方式来提高变形镁合金的塑性成形性能， 也是非常值得尝试的。 5结束语410111213 Nevill G E, Brotzen F R. The effect of vibrations on the static yield strength of a low-carbonsteel A. Proceeding - American Society for Testing MaterialC. Philadelphia: ASTM,195

20、7. 751-754.14Atanasiu N. Metal forming in the ultrasonic field A. Advanced Technology of Plasticity, Proceedings of ICTP-2 C. Tokyo: ICTP, 1984.799-804.何勍， 闻邦椿 金属振动塑性加工中体积效应的机理分析 J 金属成形工艺，l998，16（6）：35-36 蔡改贫，姜志宏，翁海珊 低频振动塑性加工粘弹塑性模型的体积效应分析J 机械强度，2007，29（2）：346-350 Jung-Chung Hung， Yu-Chung Tsai， Chin

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23、较之普通的塑性成形方法， 振动塑性加工能 够降低材料的塑性变形力、提高其变形极限、改善产品加工质量并降低加工能耗。 目前振动塑性加工在基础理论与实际应用方面还存在着一些问题，制约了19该技术的进一步推广应用，但随着功率超声、 新材料以及现代测控等相关技术的发展和研究的不断深入， 以超声振动为主的振动塑性加 工技术将具有非常广阔的市场前景。 202122 Masahiro Hayashi ， Masahiko Jin ， Sutasn Thipprakmas ， etc Simulation of ultrasonic- vibration drawing using the finite el

24、e- ment method (FEM) J Journal of Materials Processing Tech- nology， 2003， 140： 30-35 参考文献:1 韩清凯，郝建山，闻邦椿 金属材料加工中的振动利用问题 116Hot Working Technology 2009, Vol.38, No. 1 上半月出版金属铸锻焊技术CastingForgingWeldingdeep-drawing and drawing process of thin-walled products with utilizationofultrasonicvibrationsJ Jour

25、nal of Materials Pro- cessing Technology 1992， 34： 489 - 494.28 Takashi Jimma， Yukio Kasuga An application of ultrasonic vi- bration to thedeep drawing processJ Journal of Materials Pro- cessing Technology， 1998， 80-81： 406-412 23 Schwaller P， Groning P， Schneuwl y A Surface and friction characteriz

26、ation by thermoelectric measurements during ultra- sonicfrictionprocessesJ Ultrasonics， 2000， 38： 212-214 24 Mordyuk BN， Mordyuk VS， Buryak VV Ultrasonicdrawing of tungsten wire for incandescent lamps production J Ultra- sonics， 2004， 42： 109-111 25 Siegert K， Mock A Wiredrawingwithultrasonicallyosc

27、illating dies J Journal of Materials Processing Technology， 1996， 60： 657-660 26 Akbari Mousavi SAA， Feizi H， Madoliat R Investigations on the effects of ultrasonic vibrations in the extrusion processJ Journal of Materials Processing Technology， 2007， 187-188： 657-661 27 Pasierb A， Wojnar A An experimental Investigation of29蔡改贫，罗会铭，翁海珊 纵向振动摆动辗压精密成形试验研究J 机床与液压，2004，（5）：28-29 松木贤司 超塑性 Zn- 22 w t%Al 合金压缩变形应力及超音波振动付加影响 J 轻金属， 1985， 35 (8) ： 463-470 松木贤司 超塑性 Zn- 22 w t%Al 合金盛上变形举动及超音波振动影响 J 轻金属， 1985， 35 (8) ： 471-477 3031!圣泉集团股份 封面说明 国家重点高新技术企