概述金属材料加工中的振动的作用

摘 要：振动的应用使得金属材料加工效率和加工质量都得到一定程度的改善，极大降低了金属材料的变形阻力，减少金属材料加工过程中能源的不必要损耗，从而在降低加工和生产成本的同时提高金属产品加工的质量和效率。

关键词：金属材料；加工；振动应用

1.振动加工的概述

1.1 振动加工的原理

振动器和振动电源是振动加工的核心技术，其技术是施加一定频率、方向和振幅在被加工材料或加工刀具上，进行瞬间、往复和间断的断续接触加工，与连续接触传统加工相对应。振动加工的系统可以制成加工中心式、机床附件式和专业机床式。

1.2 振动加工应用的优点

振动加工的应用可以降低被加工材料的变形阻力，进而使加工能耗得到降低，改善金属产品加工的质量。具体体现在以下主要几个方面：

（1）振动加工用于难加工材料的优点

对高强度材料，如钛合金、高钢筋的加工、不锈钢和高温合金等，进行振动攻丝，可以节省特殊丝锥的费用。对粘性材料，如铝、钢炮等的加工，进行振动铰孔，可以降低粗糙度，使由积屑瘤引起的表面深沟划痕得以消除。

（2）振动加工用于难加工结构的优点

对弱刚度结构，如细长杆、薄壁筒等的加工，进行振动车削，可以降低切削力，使加工变形显著得以降低。对难达到的结构，如曲面、死角和阶梯面等的加工，进行振动研抛，可以提高精度，进而提高研抛的效率。

（3）振动加工用于难加工表面完整性

振动去毛刺，可以将节流棱边和流量孔的毛刺去除，使雾化或流量的稳定性得以保证。振动挤压强化，可以将镀层内部和表面的缺陷消除，使表面压应力得以实现，进而使疲劳和气密性的寿命得到提高。振动去内部应力、振动少无应力切削，可以将内部和表面应力消除，使精度得到持久的保持。

2.金属材料加工中的振动应用

2.1 振动拉伸在金属材料加工中的应用

振动拉伸是最早在金属材料加工中得到应用的，低频振动拉伸和超声振动拉伸是振动拉伸的两大类型。由我国陈元平发明的超声波拉丝装置，其特征在于，包括具有拉丝孔的拉丝模头、依次连接的换能器、变幅杆和工具头，所述换能器与超声波驱动电源相连，所述拉丝模头通过连接件安装于工具头上。其在金属材料加工中，具有提高拔丝速度、降低拉伸力、提高线材表面质量和成品率、增加断压面压缩率、节约拔丝模和减少拉伸时粘结拉伸和断线的现象的特点。由此可见，振动拉伸具有降低变形抗力，在改善产品的加工质量和提高材料加工特性方面具有很大的优势。同时还具有简化工艺、减少退火次数、提高生产率、降低工件和模具之间的摩擦和节省剂的功能。

2.2 振动切削在金属材料加工中的应用

上世纪六十年代，振动切削加工作为一种先进的制造技术发展起来了，振动切削是一种新型的非传统的特种切削加工方法，它是给刀具（或工件）以适当的方向、一定的频率和振幅的振动，以改善其切削功效的脉冲切削方法。按振动频率可分为超声振动切削（15kHz～35ktz）和低频振动切削（20 Hz～150 Hz）。其经过多年在金属材料加工中的应用表明，相比普通切削，振动切削具有降低切削温度和切削力、加工精度高、表面粗糙度小、刀具使用寿命长、切削液使用效果好和提高已加工表面的耐腐蚀性及耐磨性等优点。目前，超精密加工和精密加工已成为振动切削加工重要发展方向，振动切削可以提高切削质量，不仅超声振动切削能达到优异的工艺效果，同时低频振动切削也能达到类似的工艺效果。由于低频振动切削比超声振动切削更易实现，技术难度较小，因此具有更大的实用价值。

2.3 振动剪切在金属材料加工中的应用

上世纪八十年代，开始了振动剪切的实验，由谢正礼研究发明的一种能够将金属板材剪切出各种复杂形状的振动剪切机，其原理是在机体内装有主轴，主轴外设有偏心装置，通过球型连杆，并经滑块调节装置与上剪切刀联接，在与上剪切刀对应的位置上固定有下剪切刀，通过上、下剪切刀的相对移动，将金属板材剪切出各种复杂形状。其在金属加工中的应用表明在振动剪切中，剪切力被振动集中在刀刃局部很小的范围内，减小了材料的受力范围，使材料原始晶体的结构较稳定。刀具在振动剪切过程中的振动使实际切削的速度得到了提高，有利于塑性金属处于脆性状态，进而使塑性变形得到了减小。

2.4 振动轧制在金属材料加工中的应用

金属材料在加工中最主要的方式就是轧制。传统的轧制靠的是轧件和轧辊在轧辊转动时之间产生的摩擦力咬入轧件， 轧件形状和尺寸的改变是通过施加静压在轧辊上实现的。因此能源消耗大、静压大、驱动力矩和驱动力大成为了传统静态轧制的特点。振动的应用实现了低能耗，低轧制力的高效轧制工艺。由北科大研究发明的一种半固态金属材料连轧工艺，其特征在于，电磁搅拌或电磁与振动复合搅拌获得的组织均匀、晶粒细小的金属半固态浆料经过浆料导流管直接沿垂直方向，从轧机上部输送至第一架轧机入口处，并通过导卫装置进入轧制变形区，半固态浆料经第一架轧机轧制变形后，边冷却边进入下面机架继续轧制变形，轧机布置成垂直段、扇形段、水平段三段，浆料通过多机架进行连续轧制。其在金属材料加工中的应用实现了稳定控制半固态金属连续轧制，扩大产品加工的尺寸范围和品种，并且生产成本低，设备结构简单，维修操作方便。由此可见，变形实现的方式不同是传统静态轧制和振动轧制之间的最大区别。在振动轧制中轧辊既施加静压在材料上，使材料的变形区也受到振动的作用，进而较大的改变了材料的变形抗力，使轧制能力得到提高。

3.结束语

振动在金属材料加工的应用，可以降低被加工材料的变形阻力，进而使加工能耗得到降低，改善金属产品加工的质量。同时，振动加工对加工材料适用范围的扩大、能源和材料的节约开辟了一条新的道路，也使那些难成型、高强度和高硬度材料的加工工艺得到了更新和提高。可见，对金属材料加工中的振动应用进行科学合理的分析研究至关重要。

参考文献：

[1]闻邦椿.“振动利用工程”学科近期的发展[J].振动工程学报，2007（05）.

[2]张楠，侯晓林，闻邦椿.超声振动特性在磨削加工系统中的应用[J].工具技术，2008（11）.

[3]韩清凯，郝建山，闻邦椿.金属材料加工中的振动利用问题[J].中国机械工程2001（05）.

作者简介：

李娜（1981.09―），女，汉族，内蒙古呼和浩特，实验师，研究生学历，研究方向为材料加工工程。