超声波在金属塑性加工中的应用

超声金属塑性加工亦称超声金属成形。在金属冷加工过程中，将超声振动能通过加工工具传递给加工材料，金属的拉应力会出现突然减小的“软化现象”，利用它可以改善工艺效果，提高产品质量。

6.7.5.1 超声金属塑性加工的基本原理

超声金属塑性加工对金属变形作用的原理，可由以下几种超声效应来解释。

（1）超声波的体效应 超声振动使正在变形的原子产生受迫振动，给偏离平衡位置的原子以更多的复位机会，延缓晶格畸变的速率，防止材料硬化。超声振动还会使金属原子贡献出更多的自由电子，加强“电子云”密度，增加原子结合力，提高材料塑性。

（2）力叠加效应 采用纵向振动的拉丝和拉管工艺中，力的叠加效应主要是指静加工力（接触压力）和超声振动力的叠加，可使加工力减小。

（3）旋锻效应 在拉丝和拉管工艺中，增加周向加工力，使纵向加工力减小。旋锻效应的大小一般取决于模具入口角、摩擦系数及垂直于拉拔方向的振动力。当模具入口角小于摩擦角，而且摩擦因数又相当大时，此效应就显得特别显著。

6.7.5.2 超声金属塑性加工的类型

超声金属塑性加工常见类型有：超声拉丝、超声拉管、超声铆镦、超声弯管和校直、超声粉末压缩成形、超声拉伸成形、超声滚轧和冷锻等。

1.超声拉丝

超声拉丝指拉拔金属丝材过程中附加超声作用，实现截面减缩的工艺过程。

（1）超声拉丝的基本原理 把高频超声振动加到工作中的拉丝模上，使得金属丝与拉丝摸之间呈断续接触，丝材表面的粗糙峰会软化和熔化，润滑液更易进入变形区且其化学活性会增加，从而减小摩擦因数；当模具的振动速度超过工件的运动速度时，阻碍工具和工件相对运动的摩擦矢量改变方向，从而有助于相对运动。同时，由于超声振动，力叠加效应、旋锻效应等体效应也发生作用。这些因素共同作用的结果，降低了拉拔力，提高了拉丝速度，丝材表面质量和力学性能得到改善。

超声拉丝特点明显：增加截面减缩率；降低摩擦力，减少模具磨损，延长模具寿命；防止咬粘模壁，降低断线率；能有效地解决难拉拔材料的拉拔问题。超声拉丝已应用于铝、铜、钢、锡合金、钛、铍和钼的生产中。

图6.7-16 超声拉丝装置示意图

1—换能器 2—变幅杆 3—拉丝模 4—金属线材

（2）超声拉丝装置 在普通拉丝机上安装超声装置即构成了超声拉丝装置。它把超声振动直接传递给拉丝模，形式有单模和多模之分。图6.7-16所示为超声拉丝装置示意图。变幅杆及其前端圆盘由同种材料制作成-体，能量损耗小，降低拉拔力的效果好。圆盘直径要小，拉丝模放置在波腹上。拉拨粗丝或细棒且压缩率高、低速冷拔时更适用；拉拔塑性小、难加工的丝材时优点更突出，但此时需要大功率超声设备。超声拉丝往往可以省去退火环节，不需要预先进行表面处理，可适当减少拉拨道次，提高拉拨速度。

2.超声拉管(www.xing528.com)

超声拉管指在拉制金属管材的工艺过程中附加超声振动，改善拉管效果。

（1）超声拉管的原理与特点 和超声拉丝原理和特点基本相同，工艺装置原理如图6.7-17所示。

超声冷拔金属管与一般冷拔方法比较，减少了中间热处理环节；外模施加超声振动拉管，可使拉拔力降低15%～20%；给内模施加超声振动，可使总拉拔力降低10%以上；棒芯受力可减少65%以上；提高伸长系数，减少拉拔道次；钢管不易开裂；表面粗糙度值明显降低；改善润滑，延长模具寿命；提高直径厚度比：直径厚度比可达500∶1，比常规方法提高10倍。

图6.7-17 超声拉管装置示意图

1—外模 2—传振杆 3—波导杆 4—换能器 5—金属管

（2）超声拉管装置 在通常的拉管设备上安装超声纵向振动系统即构成超声拉管装置，它将振动由变幅杆直接传递给内模或外模，即形成超声拉管。一般的钢管拉机都可以安装超声系统。一般需要大功率超声波，为此常采用多个换能器共同推动外模。功率大小可以用多组R-L振动方向变换器多级连接而得到，如每节R-L安装10个500W的压电换能器，用5节级连接，其电功率容量可达25kW。变幅杆采用阶梯形，传输杆将超声直传给外模时，外模要放在振幅最大处，直传给内模时，心棒顶端要放在振幅最大处。

在冷拔过程中，超声振动施加于外模或内模均可。施加于内模时一般采用纵向振动，有固定内模和浮动内模两方式。施加于外模时，纵向振动径向振动均可。同时施加于外模和内模，效果会更好。

超声拉管时产品变形小，晶粒保留着完整的晶界，使加工硬化现象得到改善。

3.超声挤压、铆镦等塑性加工

1）超声挤压指在传统金属挤压工艺中，对挤压模、顶头或挤压筒附加超声振动。超声挤压可提高挤压速度1.5～3倍；可使挤压力减少一半，挤压金属粉末时挤压力可减小90%；挤压多孔陶瓷材料，可以减少水和增塑剂的含量，增加密度，提高均匀性，降低表面粗糙度，消除裂损及改进管件的同心度等；减少被挤压材料与模具间的摩擦力，改善金属流动及表面质量。同时对两个部件附加超声振动，挤压效果会更好。

2）超声铆镦指在铆钉的轴向施加超声振动来完成铆接。可使镦力减小，铆钉头的高度降低且不易开裂，连接强度升高。超声铆镦设备一般为手提式。

3）超声拉深成形包括在压波纹、扩管、深拉和压平工艺时附加超声。超声压波纹技术能够消除裂纹及皱纹，可以压制厚度达1mm的铝及钛合金的波纹板。超声振动扩管不需预处理，没有材料破裂，精度高，表面粗糙度低。超声拉深成形比加热成形的效果好。

4）超声弯管和校直指在弯管或校直时施加超声振动。超声弯管使弯曲力矩显著减小、摩擦减少；弯管时外侧管壁的变薄量大大减小；可用较薄壁管来进行弯管，节省材料，减轻质量。超声校直金属板时内部应力可以得到释放，表面光滑。超声绕制弹簧时，不需要预处理而且能减少回弹。

在轧制和深冲工艺中引入超声，同样能得到降低加工力、增加伸长系数、改善加工质量的效果。