（机械电子工程专业论文）超声振动拉丝加工技术的实验研究.pdf

摘要 超声振动拉丝是超声塑性加工的一种，是在常规拉丝的过程中叠加超声 波振动能的新加工工艺。这一工艺可以降低拉拔力、改善表面质量和提高加 工效率，尤其是对解决难加工材料细丝的拉拔具有重要意义。 为了促进这一工艺应用于实际生产，本文从实验的角度对其进行了较全 面研究。按照超声振动拉丝实验系统原理和要求，研究和设计了半波纵向换 能振动装置，并根据其等效电路模型，在超声波驱动器和振动装置之间进行 了阻抗测试和匹配分析。在此基础上，利用压电加速度计进行了振动测试， 确保振动拉丝实验的有效进行。 在以拉伸机为平台的拉丝实验中，重点考察了超声振动下拉拔力的变 化，以及拉拔速度和振动强度对拉拔力的影响。通过对实验过程的定性地分 析，发现超声振动传递到模具上，引起了摩擦力的换向、摩擦系数的降低和 模具对丝的高速冲击作用，从而使拉拔力下降，但下降趋势逐渐平缓。 最后，为进一步研究超声振动的微观作用，通过拉伸机和电子扫描显微 镜进行了表面形貌和显微组织的观察和丝的力学性能试验，结果表明超声振 动改善了模具与丝之间的接触状况，减少了丝表面划痕、凹坑等缺陷，同时 能量较好地传递到金属内部，缓和了晶粒的变形和晶格的畸变，减轻了加工 硬化，改善了材料的使用性能和工艺性能。 关键词超声拉丝；高速冲击；摩擦力换向；力学性能；显微组织 a b s t r a c t a sak i n d o fu l t r a s o n i cp l a s t i cp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，w i r ed r a w i n gw i t h u l t r a s o n i ci san e wp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt h r o u g ht r a n s f e r r i n gu l t r a s o n i c v i b r a t i o nt oc o m m o nw i r ed r a w i n g i ti sm e a n i n gt os o l v et h ed r a w i n g p r o b l e mo f h a r d t o p r o c e s sm a t e r i a l s t h i nw i r e ，f o ri tc a nr e d u c ed r a w i n gf o r c e ，i m p r o v e s u r f a c eq u a l i t ya n di n c r e a s ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c y i no r d e rt oa c c e l e r a t et h i s t e c h n o l o g y sa p p l y i n gt op r o d u c e ，a c o m p r e h e n s i v es t u d yo ni tb ye x p e r i m e n ti sg o i n go ni nt h i st h e s i s b y t h e p r i n c i p l ea n dr e q u i r e m e n t so fw i r e d r a w i n gs y s t e mw i t hu l t r a s o n i cv i b r a t i o n s ， v i b r a t i o na p p a r a t u sw i t hah a l f - w a v e l e n g t hl o n g i t u d i n a lt r a n s d u c e ri sd e s i g n e d a l s o ，f o rt h es a k eo fe n s u r i n gw i r e d r a w i n ge x p e r i m e n t se f f e c t u a l n e s s ，v i b r a t i o n m e a s u r e m e n to ft h ev i b r a t i o n a p p a r a t u s i sr e a l i z e db yap i e z o e l e c t r i c a c c e l e r o m e t e ro nt h eb a s eo fm a t c ha n a l y s i so ft h eu l t r a s o n i cd r i v es u p p l ya n d t h ev i b r a t i o na p p a r a t u s ，a c c o r d i n gt ow h o s ec i r c u i tm o d e li m p e d a n c ei sm e a s u r e d b yai m p e d a n c ea n a l y z e r , t h r o u g hw i r e d r a w i n ge x p e r i m e n t onam a t e r i a l st e s t i n gm a c h i n e 。t h e v a r x e t y o fd r a w i n g - f o r c eu n d e ru l t r a s o n i ca n di t sv a l u ea f f e c t e db yv i b r a t i o n i n t e n s i t ya n dd r a w i n gv e l o c i t ya r ew o r t ht 。ob ea t t e n t i v e i ti sd i s c o v e r e dt h a t u l t r a s o n i cv i b r a t i o ncanr e d u c ed r a w i n gf o r c ea n dt h ed o w n t r e n di sb e c o m i n g s l o ww h e nt h ei n p u tv o l t a g ei su pt os o m ev a l u e b yq u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft h e e x p e r i m e n t ，t h ee f f e c t so fu l t r a s o n i ct od r a w i n gf o r c eo w n s t 。oc h a n g i n go f f r i c t i o nv e c t o r sd i r e c t i o n ，r e d u c t i o no ff r i c t i o n f a c t o ra n dt h ed i e sh i g h - s p e e d i m p a c ti ow i r e ，w h i l eu l t r a s o n i cv i b r a t i o nt r a n s f e r st e it h e d i e f i n a l l y , i no r d e rt or e s e a r c ho nm i c r o c o s m i ce f f e c t so fu l t r a s o n i cv i b r a t i o n s ， a n o t h e rs e r i e so ft e s to nw i r e si si m p l e m e n t e db yam a t e r i a l st e s tm a c h i n ea n da s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，s u c ha s t e s tonm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， s u r f a c et o p o g r a p h ya n dm i c r o s t r u c t u r et o p o g r a p h yo fc o p p e r - w i r e t h er e s u l t s s h o wt h a tu l t r a s o n i cv i b r a t i o n 【i m p r o v e st h et o u c hs t a t eb e t w e e nt h e d i ea n dt h e w i r e ，a n dr e d u c ew i r e ss u r f a c ed e f e c t n i c ka n dc o n c a v e ，e r e a tt h es a m et i m e ， w i t hu l t r a s o n i cp o w e rt r a n s f e r r i n gi n t om e t a li n n e r ，g r a i n sd i s t o r t i o na n dc r y s t a l l a t t i c e sa b e r r a t i o na r em i t i g a t e d i nc o n c l u s i o n ，u l t r a s o n i cv i b r a t i o na l l e v i a t e s 1 1 p r o c e s s i n gh a r d e n i n ga n da m e l i o r a t e sm e t a l su s ea n dt e c h n i c a lp r o p e r t i e s k e y w o r d sw i r e 。d r a w i n gw i t hu l t r a s o n i cv i b r a t i o n ，h i g h s p e e di m p a c t ，c h a n g i n g o fl 、r i c t i o nv e c t o r sd i r e c t i o n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m i c r o s t r u c t u r et o p o g r a p h y 1 1 1 哈尔滨工业太学t 学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 超声工程是主要研究各种超声应用技术中超声波的产生、传输和接收系 统的工程设计及工艺研究的一门学科。按超声振动辐射大小可将超声工程分 为功率超声和检测超声两类。用超声波使物体或物性变化的功率应用，称为 功率超声。利用超声波获得若干信息的应用技术称为检测超声。 功率超声技术【l 】是以物理、机械振动、电子、材料等学科为基础的高新 技术之一。它是以超声能量使物体或物性某些状态发生变化的功率应用技 术，在国民经济建设中对提高产品质量、降低生产成本、防止环境污染、提 高生产效率等具有特殊的潜在能力。目前功率超声广泛应用于机械、电子、 冶金、化工、医药、焊接、材料等许多重要领域【2 “】，超声加工就是功率超 声的一个重要分支。 所谓超声加工，是指工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加 工的方法 5 】。超声加工起源于2 0 世纪5 0 年代初期，最早研究超声加工技术 的国家是同本。日本研究人员不但把超声加工用在普通设备上，而且在精密 机床、数控机床中也引入了超声振动系统，并且试图将超声加工引入超精密 加工机床。随后，原苏联，中国和美国的超声加工研究很快也开始超声加工 的研究，在超声车削、钻孔、磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应 用，并取得了良好的经济效果，推动了超声加工的应用， 般来说，与传统的机械加工相比，超声加工具有以下几个方面的工艺 效果6 8 】： ( 1 ) 切削温度和切削力大幅度降低，并且大幅度降低表面粗糙度和显著 提高加工精度。这是超声加工引起的被加工材料的弹塑性变形和摩擦系数的 f 降造成的。 ( 2 ) 工具寿命大幅度提高，切屑处理容易，提高了切削液的使用效果。 ( 3 ) 提高已加工表面的耐磨性和耐腐蚀性。 ( 4 1 解决普通加工难以解决的问题。 由于超声加工有良好的工艺效果，其在生产中获得了广泛的应用，如超 声切削、超声磨削、超声光整加工、超声焊接和超声塑性加工等等。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 2 超声振动拉丝概述 常规拉丝，是指在被拉伸材料的前端施加一定大小的拉拔力，使其通过 断面逐渐减小的模孔，从而实现断面减缩和长度增加的塑性变形过程。这 样，拉拔后金属获得与模孔相同的尺寸和形状，如图l 一1 所示。 图1 - 1 拉丝原理幽 f i g 1 1p r i n c i p l eo f w i r e d r a w i n g 细丝的拉拔存在如下两个特点：第一，拉拔时，材料是在一定的拉拔力 的作用下产生塑性变形的，因而主应力为一向拉应力和两向压应力。第二， 用于拉拔的都是断面较细的杆料和丝料，它与拉模接触表面积与变形体积之 比较大，摩擦力大。 可见，在拉丝过程中，金属丝与拉丝模的接触锥面产生很大的摩擦力， 其方向与金属丝的运动方向( 变形力的方向) 相反，因而使变形力增大。这 种情况既降低了加工效率，也造成拉丝变形不均匀和拉丝模磨损。由于变形 力的作用，使许多材料的拉拔非常困难，甚至无法进行，尤其是一些细丝和 异型线材的拉拔，往往非常困难。为了降低拉拔中的摩擦系数，常规拉拔 时，经常采用各种润滑剂以及各种表面预处理和涂敷等等措施，多数情况往 往采用中间退火的方法，从而使拉拔工艺复杂化。因此，拉拔中的一个重要 课题是寻求更合理的拉拔方法，以便有效地降低拉拔力，提高加工效率，缩 短工艺流程，解决难拉拔材料的拉拔问题。 超声振动拉丝是超声塑性加工的一种，是在常规拉丝的过程中叠加超 声波振动能的加工工艺。具体地说，就是线材以拉拔速度流动，拉丝模 以振动频率厂、振幅a 沿着拉拔方向振动，并满足条件v 。 1 ， ( g + e ) _ i ( c f ( 1 + _ i r 。) ，所以 ( 、3 - 1 1 ) = ：=：= ：= 墼鎏三些奎茎三茎堡圭兰堡篁圣：= ： ： 旷：尘：足口 圪2 f 2 勋 f 3 1 2 ) 从式( 3 1 2 ) 可以看出，电荷放大器的输出电压与加速度计本身的电容及 电缆的等效电容无关，仅与换能器的振动加速度成正比( 系数_ i r 可在电荷 放大器中归一化) 。这样，换能器的振动频率和幅值就可以简易地通过加速 度来衡量。 3 2 2 测试实验与分析 测量时，将压电加速度计粘到拉丝装置的小端面，c a 一3 电荷放大器设 置在加速度测量档，其输出电压通过h p 3 5 6 7 0 a 进行f f t 分析和显示。当 超声驱动器的输入电压u = 2 0 v 时，动态信号分析仪的测量结果如图3 7 所 示。在f = 2 6 8 6 5 h z 处，振子发生谐振，输出电压u o = t 4 9 2 6 3 v ，达到最大。 i 、6 _ _ _ 。! 矿飞 氍、一；b n + p 一刃 图3 7 动态信号分析仪输出( u = 2 0 v ) f i g 3 - 7o u t p u to f d y n a m i cs i g n a la n a l y z e r ( u , = 2 0 v ) 类似地，分别设定超声驱动器的输入电压酝为1 5 v ，2 0 v ，2 5 v ， 3 0 v ，3 5 v ，4 0 v ，4 5 v ，：5 0 v 和5 5 v ，可以测得在f = 2 6 8 5 6 h z 时的峰值电 压，整理后如图3 8 所，示。当电压在3 0 v 以下，输出从1 3 6 0 1 v 增至 1 5 ，7 8 2 7 v ，增长较快，即振幅随电压快速增大；当电压在3 5 v 以上时，输 出增速趋于平缓，即振幅随电压增长而缓慢增大。但是，根据系统测试原 理，经过换算可知换能器的振幅已达到振动拉丝加工的要求。 3 3 本章小结 图3 _ 8 系统输出输入关系曲线 f j 9 3 _ 8 c u r v e 。f o u t p u t i n p u to f s y s t e m 进行簇筹黧篓黧蒜淼鬻效地 熬器露嬲蘸蒜 篓蓑嘉薯蓑等篓篓笫嚣絮；。等簇翥君嚣茎薯茎嚣言器蓑 试了翥翥委譬嚣黎蔷譬茎嚣蒸茎萎喜嚣蔷善妻嚣茎雾，不同输入电压下，测 - 2 4 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第4 章超声振动拉丝加工实验 在前述章节中，已经设计了超声波驱动器、超声拉丝实验机械振动装 置，并对其进行了测试和性能的分析，确保系统正常的工作。本章将在其 摹石f 上，开始进行拉丝加工实验，考察超声振动对拉丝工艺的影响。 4 1 实验准备 按照超声振动拉丝加工实验系统的组成，选择德国z w i c k 拉伸机作为 拉丝实验的平台。 对于实验中的拉丝模，通常有金刚石和硬质合金两种材料。由于金刚石 材质硬，表面磨光和抛光质量越好1 4 ”，金属丝不易与拉丝模接触表面发生 粘结，而且其耐磨性高，寿命长。所以，选用金刚石材质的拉丝模。 另外，为了将拉丝实验装置的机械本体部分可靠地安装在拉伸机上，按 照二者的连接位置及要求，设计了夹具如图4 1 所示。 4 2 实验方案与结果 图4 - 1 夹具结构图 f i g 4 1s t r u c t u r eo ft h ec l a m p 一均拈 实验选择直径为0 3 m m 的t 2 紫铜丝作为待) j n t 的丝材，拉丝模孔径为 o2 6 m m ，断面减缩率为2 5 。为了考察超声振动对拉拔力、拉拔速度等重 啥尔滨工业人学工学硕士学位论文 要的工艺参数的影响，设计的实验内容主要包括： ( 1 ) 比较在拉丝过程中，在其他工艺参数相同的条件下，施加超声振动 拉丝与常规拉丝时拉拔力的大小： ( 2 ) 在不同的拉丝速度下，施加相同的超声振动时，拉拔力的变化： ( 3 ) 在相同的拉丝速度下，在拉丝的过程中施加不同振幅的超声振动 时，拉拔力的变化； 除了拉丝工艺的实验外，本文还设计了工艺效果相关实验，探讨了超声 振动拉丝对丝的质量性能的影响，详见第五章。 实验前，要用粗砂纸将直径o 3 m m 的待加工丝材上一段磨细，穿过直 径o 2 6 m m 的拉丝模孔，然后通过压盖和螺钉固定在变幅杆前端。这样，利 用设计的央具，将拉丝装置连接在拉伸机上就可以进行实验了，如图4 2 所 k 。 图4 - 2 实验系统安装图 f i g 4 2f i x i n go f t h ee x p e r i m e n ts y s t e m 4 2 1 超声振动有无对拉拔力的影晌 在不施加超声振动时，拉丝加工时测得的力的变化情况如图4 3 中曲线 a 所示。当驱动器的输入电压为6 0 v 时，对拉丝装置施加超声振动拉丝 时，力的变化曲线如图中b 所示。可以看出，与常规拉丝相比，施加超声 振动时，拉拔力的波动略显大一些，应该不会对拉拔加工带来明显的影响， 但是振动引起了拉拔力的减小。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图4 - 3 拉拔力位移曲线 f i g 4 3c u r v eo fd r a w i n gf o r c e - d i s p l a c e m e n t 为了更准确地了解超声振动引起拉拔力下降的程度，分别在超声驱动器 输入电压为6 0 v 和0 v ( 无振动) ，拉拔速度在9 0 0 m m m i n 时，测量拉拔力 的变化如表4 1 所示。可见，施加超声振动可有效降低拉拔力，表中所示降 幅达5 。 表4 - 1 驱动器输入电压不同时的拉拔力 t a b l e4 - 1d r a w i n g - f o r c ew i t ht h ed r i v e sd i f f e r e n ti n p u tv o l t a g e 组号 l2 34 平均值 拉拔力lu , = 6 0 v 1 8 1 2 1 9 21 8 1 6 5 6 21 8 1 3 5 6 41 8 1 6 l l5181 4 6 0 8 ( n ) l 奶= 0 v 1 90 8 8 9 4 1 9 0 0 0 5 81 9 0 8 9 4 91 9 0 9 6 3 4 1 90 6 8 8 3 4 2 2 拉拔速度对拉拔力的影响 改变拉伸机的拉拔速度，分别设定速度为3 0 0 m m m i n ，6 0 0 m m m i n ， 9 0 0 m m m i n ，1 2 0 0 m m m i n ，1 5 0 0 m m m i n ，1 8 0 0 m m m i n ，在施加超声和不 施加超声两种情况下，测定拉拔力的大小。每个拉拔速度下，进行多次拉 伸，对测得的结果取平均值，如表4 。2 所示。 将表4 2 中计算所得的结果绘制成直观的折线图如图4 - 4 所示。从图中 可以清晰地看到，超声振动拉丝有效地降低了拉拔力。同时可以看出，无论 拉拔过程中有无超声振动，拉拔力都随着拉拔速度的增大而增大，但两种情 况下拉拔力增大的速率是不同的。随着拉拔速度的增大，超声振动引起的拉 拔力的降低作用有减缓趋势。即在拉拔速度较低时，超声振动的降载作用更 加明显一些。 哈尔滨工业大学t 学砸l ：学位论文 表4 2 不同拉拔速度下的拉拔力 t a b l e4 - 2d r a w i n g - f o r c ew i t hd i f f e r e n td r a w i n gv e l o c i t y 速度 力( n ) 平均值 ( m m m i n )( n ) 第一组第二鳃第三组 u3 0 01 7 1 6 6 9 31 7 2 0 7 5 31 7 1 8 9 1 21 7 1 8 7 8 6 ：6 0 v 6 0 01 7 6 6 2 6 21 7 6 7 2 3 91 7 7 5 3 6 71 7 6 9 6 2 3 有 9 0 01 8 1 6 5 6 21 8 1 1 6 3 61 8 1 3 5 6 41 8 1 3 9 2 l 超 1 2 9 9l8 4 3 0 4 61 8 4 3 2 0 81 84 2 0 8 2l8 4 2 7 7 9 出 1 5 0 01 8 7 8 7 0 9l8 7 8 7 7 5l8 7 6 2 2 818 7 7 9 0 4 u 3 0 01 8 0 7 0 9 31 7 9 5 5 5 41 8 0 6 7 3 81 8 0 3 1 2 8 = 0 v6 0 01 8 4 9 7 9 81 8 4 6 51 8 5 1 6 8 91 8 4 9 3 2 9 无9 0 01 9 0 8 8 9 41 9 0 0 0 5 81 9 0 8 9 4 91 9 0 5 9 6 7 超 1 2 0 01 9 2 0 4 6 41 9 1 8 1 7 21 9 1 7 1 1 51 9 18 5 8 4 出 1 5 0 01 9 4 2 9 5 51 9 3 6 5 5 91 9 4 2 2 0 819 4 0 5 7 4 2 。 1 9 5 z 1 9 蠢慨s 鼎 1 8 1 7 5 l t - h 一j - ， 2 ， ， 3 0 06 0 09 0 02 0 01 5 0 0 拉拔速度m mn t i 3 i 图4 - 4 拉拔力拉拔速度关系曲线 f i g 4 - 4c u r v eo fd r a w i n gf o r c e - v e l o c i t y 一w it h u 【l r s o n lo 4 2 3 超声振动强度对拉拔力的影响 保持拉伸机的拉拔速度为3 0 0 m m m i n 不变，改变驱动器的输入电压分 别为2 0 v ，4 0 v ，6 0 v ，8 0 v ，1 0 0 v ，以增大振动的强度，测得的拉拔力与 输入电压之间的关系曲线如图4 - 5 所示。 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 1 8 1 7 5 1 7 乏1 6 5 蠢1 6 掣1 5 5 1 5 1 4 5 1 4 2 04 06 08 0 1 0 0 输入电压v 图4 - 5 拉拔力驱动器输入电压关系曲线 f i g 4 5c u r v eo fd r a w i n gf o r c e i n p u tv o l t a g eo ft h ed r i v e 从图4 5 可以看出，随着驱动器输入电压的增大，振动的增强，拉拔力 逐渐减小。超声振动越强，引起的拉拔力的降低越明显。在输入电压在6 0 v 以下时，拉拔力随电压的增大而降低的比较快；当输入电压继续增大时，拉 拔力的降低趋于平缓。 4 3 实验分析与结论 从以，t 的工艺实验可以看出，在拉丝加工的过程中施加超声振动可以有 效地降低拉拔力，改善拉拔工艺，下面对其进行分析。 在任何变形过程中，使金属成形的总载荷由三部分组成：第一部分是使 金属产生理想变形所需的力，它由下式确定 l = 6 0 a l n r ( 4 - 1 ) 式中占扩一一变形金属的屈服极限( n m 2 ) ； 爿一承受载荷的截面面积( m 2 ) ； r 截面减缩量 第二部分是克服外摩擦所需的力，这个力的大小取决于变形金属与工具 之间的压力、金属材料与工具之间的摩擦系数以及会属材料和工具表面之问 的接触面积等因素的联合作用。第三部分是克服多余的功所需的力。在拉丝 中，以多余功形式消耗的载荷随拉模角增大而增加，在达到同样的变形效果 前提下，使用角度较大的拉模比使用小角度的拉模所需的能量大。 对于本次实验，拉丝模没有更换，故可以不考虑拉拔力中的第i 部分 研究超声振动对第一和第二部分的影响即可。 4 3 1 摩擦力方向的影响 研究表明：当对变形金属施加超声振动时，超声波振动可以降低模具与 工件之间的摩擦力及变形阻力，其机理包括两个方面：外摩擦和内摩擦，或 者说从宏观和微观两个角度考虑。从宏观角度看超声振动降低了模具与工件 的摩擦力，此即外摩擦；从微观角度看，超声波的作用相当予一定的温度作 用，实际上也是一种能量形式，使坯料内部微粒产生高频振动，活性增大， 温度升高，坯料发生动态变形的阻力得到显著降低，此即内摩擦的降低。本 节主要考虑外摩擦对拉拔力的影响，关于内摩擦的影响的分析详见第五章。 首先来分析一下拉拔过程中金属的流动特性。稳态振动拉拔过程中，流 动金属微元体在变形区内一般经历弹性变形和塑性变形的交替变化。为简化 分析，设在模具变形区表面处的流动金属一同进入弹性变形或塑性变形状 态，并将模具出口端之外的金属流动近似看作均匀流动。同时，在分析金属 流动时简化模具振动为简谐振动，如图4 - 6 所示。 图4 - 6 模具与流动金属的速度时阃曲线 f i g 4 6c u r v eo fv e l o c i t y t i m eo ft h ed i ea n dt h ef l o w i n gm e t a l 如图4 - 6 所示曲线v d 为模具振动速度，v 。为被拉拔金属在出e l 处的流 动速度，7 1 为模具振动周期。图中，o , c ，e 各点处v f v 。模具速度曲线在其 一个振动周期( o a b e d e ) 内，o a 段为被拉拔金属相对于模具正向滑动段、a b 段为被拉拔金属的弹性加载段、b c 段为塑性发展阶段( 对应时间为t p ) 、c d 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 段为弹性卸载段，d e 段为被拉拔金属相对于模具的反向滑动段。 设v f c o s ( f ) ，一般在振动拉拔过程中，i i 乃。模具出口端流动金 属相对于模具的速度为 a v = 乃c o s ( 。f ) + i v 。i( 4 - 2 ) 塑性发展阶段，模具变形区内流动金属的流动速度可根据相对速度 v 、体积不变条件以及拉模的具体结构来确定。在正反向滑动阶段，模具 入口处的流动速度与出口处相同。弹性加载及弹性卸载阶段的流动情况较为 复杂，被加工金属与模具处于贴紧状态且相对速度往往较小。为分析方便， 以模具为受力分析对象，同时因滑动方向的变更，滑动阶段的模具阻力将以 非线性形式出现，所以分析模具受力时应考虑被加工金属的非线性惯性力。 以q 表示模具所受的非线性惯性力和滑动阶的摩擦力的总和，那么 f 以 ( 。a ) q 佛，屯，x d j = m m 诏( a b ，c d )r 4 3 、 l ( d e ) 式中一一模具的加速度( m s 2 ) ： 硝一一模具的速度( m s ) ； 勤一一模具的位移( m ) ； m 。一被加工金属参振质量( g ) ； 一滑动阶段的动摩擦力( n ) ，被加工金属所受的摩擦力9 一q 因此，由于超声振动拉拔过程中摩擦力的换向，模具和丝材之间的力 q 在一个振动周期内将出现摩擦力和拉拔力同向的情况，使总的拉拔力下 降，同时拉拔力非线性程度增大，波动增大。当振动增强时，模具的振速增 大，o c 段时间减小，c e 段时间变长，即o a 段时间缩短，d e 段时间增长，被 加工金属丝所受的摩擦阻力减少，摩擦动力增大，引起拉拔力下降幅度增 大。 4 _ 3 2 高速冲击效应 超声振动引起的拉丝模与被加工丝材之间的周期性接触，不仅影响了摩 擦力，也带来模具对丝材的高速冲击作用，模具与丝材之间接触状态示意图 如4 7 所示。 首先我们来考察模具对线材产生冲击的条件。为简化分析，作以下假 设： 哈尔滨工业大学二【学硕十学位论文 ( 1 ) 拉拔出口处，线材保持匀速v m ； ( 2 ) 拔丝模在线材变形区那一小部分区域( o n 图4 7 中虚线所示区域) 的材料各点的振动为轴向简谐振动。且振动幅度和相位相同； ( 3 )模具振动状态稳定，其振动位移s = a s i n ( u n 。 那么，只有当模具振动速度的幅值忙2 咖大于拔丝速度v 。时，模具 在振动过程中才有可能与线材发生间歇脱离并随后产生冲击，如图4 7 所 示。在这里，日、f 分别表示振幅和频率。因此，当k = v a v 。1 时，即使有超声 振动作用于拔丝模上，拉拔力也不会有改变。如果假设每次冲击时模具对线 材所做的功为 w = 2 r a y s i a ( 4 - 3 ) 式中y 一一线材穿过模孔时的平均屈服应力( n m 2 ) ； 野一一出口端的线材断面积( m 2 ) ； 口一一比例系数 ( a ) 无超声振动( b ) 振动产生脱离( c ) 振动产生冲击 图4 7 模具与丝材之间的接触状态示意图 f i g 4 - 7t o u c h i n gs t a t eo f t h ed i ea n dw i r e 设超声振动拉拔力为f ，那么在单位时间内，拉丝时输入系统的总能量 为 e = 胛w + f v 州( 4 - 4 ) 式中n 一一单位时间内发生高速冲击的次数，n = f - v , 2 嬲 e 就是拉丝过程中克服线材塑性变形所需的能量。显然，e 应当与无超声 振动时的拉拔力凡所做的功相等。因此 n w + f v 。= f o v 。( 4 5 ) 则 f = f o n w v 。( 4 - 6 ) 将( 4 3 1 式代入可得 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 f ：1 一竖二型! 型! ! 竺堡! ：1 一( k - t ) a ! y s ，( 4 - 7 ) j jv ，f ；j j 可见，超声振动带来的冲击效应，降低了拉拔力f ( f o 的大小和模具结 构、材料屈服应力及摩擦等因素有关) 。当驱动器输入电压增大时，超声振 动增强，增大，k 增大，拉拔力下降更多。类似地，当拉拔速度v 。增大 时，k 减小，超声振动降低拉拔力的作用减缓。 4 3 - 3 超声减摩作用的影响 在超声振动实验过程中，可以发现这样的现象：当出现共振，振动表丽 摸匕去有“滑腻”的感觉。这种现象表明，超声振动使表面的摩擦系数减 小。在超声拉丝的过程中，也出现了这种情况，分析如下。 如前所述，当拉丝模具处在纵向振动状态时，在每个振动周期内，都存 在模具与丝材瞬间脱离的情况，如图4 7 所示。模具在脱离与其接触的表面 瞬制相当于与接触表面有瞬间的间隙存在。由于振动的周期性及振动的频率 很高，模具与丝材表面之间周期性出现楔形间隙。在出现间隙的瞬间，模具 与丝材之间相当于存在一层楔形高压空气薄膜，形成空气润滑的条件，故此 时的摩擦系数大大降低，摩擦系数大小的变化情况可以定性地用图4 8 表 示。这种摩擦系数的周期性变化相当于平均摩擦系数降低。 当驱动器的出入电压增大，模具的振动加速度增大，振幅增大，相当于 空气薄膜压力增大，摩擦系数降低更明显，随之拉拔力也有更大的降低。同 时，根据图4 6 、4 - 7 和4 8 可知，随着超声振动的增强，模具与被加工丝 材之问的相对速度增大，脱离时间增长，摩擦系数下降更大，这也是拉拔力 随振动增强而快速下降的原因。 f 薹阳二f 二p ：广 竺墼鉴塑兰些丝篁兰 另外，根据贺思源建立的接触模型和摩擦学理论可知，超声振动使模具 表面与缝材的接触面积变小，这也是摩擦系数减小的原因m 1 。同时，摩擦 系数的减小不仅减少了在拉拔过程中的摩擦力，从而直接降低拉拔力，而且 使金属材料变形时的变形应力容易向金属的中心部位传递，又间接地减小了 拉拔力。 4 3 4 其他因素 除了以上分析的因素外，还存在影响拉拔力的其他因素，如温度、布莱 哈效应和拉丝模的结构等。 在拉拔实验中，超声振动拉拔与无超声拉拔两种情况下，拉拔的温度无 明显变化。即由于超声振动而引起的温升微乎其微，对材料的变形抗力无明 显影响，故不会对拉拔力造成什么影响。 和菜哈效应【h 1 也是超声塑性加工中一种常见的作用，但一般要求超声 振动施加在被加工金属上，而且模具设置在振动应力最大处，所以，本实验 中的布莱哈效应不明显，不是降低拉拔力的原因。 由于本实验中，始终使用的是同一拉丝模，拉丝模结构对拉拔力的影响 对实验结果的对比无影响。 4 4 本章小结 以拉伸机为实验平台完成了拉丝实验，考察了超声振动对拉丝工艺的影 响： 1 实验现象表明，超声振动降低了拉拔力，但随着拉拔速度的增大，这 种降载作用有减缓趋势；拉拔力还随着振动强度的增大而减小，但当振动强 度增大至一定程度，拉拔力的减小趋于平缓。 2 根据实验现象，分析了超声振动的实验过程，发现超声振动引起的摩 擦力换向作用、冲击效应和超声减摩作用是拉拔力减小的主要原因a 晴尔滨工业大学工学硕士学位论文 第5 章超声振动对丝的质量性能和显微组织的影响 运用任何加工工艺进行机械加工，除了直接评价工艺本身的操作性和效 率等以外，更重要的衡量其对产品加工质量和性能的影响。因此，在进行了 超声振动拉丝加工的工艺实验的基础上，有必要对丝的机械加工质量和性能 进行评估。这不仅有利于全面研究超声振动拉丝加工的机理，也对进一步改 善加二 工艺，提高丝的性能十分有帮助。 5 1 概述 机械加工质量通常包括机械加工后的表面几何方面的质量和材料性能方 面的质量。表面几何方面的质量包括宏观和微观的几何形状误差。本文拟采 用表而形貌来表现超声振动加工对材料表面的影响。 材料的性能【4 9 j 是指主要指材料的使用性能和工艺性能。材料的使用性 能是指在服役条件下，能保证安全可靠的工作所必备的性能，其中包括材料 的力学性能、物理性能和化学性能。材料的工艺性能是指材料的可加工性， 如铸造性能、焊接性能、塑性加工性能等。材料的显微组织是指借助于显微 镜所观察到的材料的微观组成和形貌。 由工程材料学知识可知，材料的性能取决于材料内部的结构与组织，而 材料的加工 ：艺影响材料的结构和组织，从而也改变了材料的性能。因此， 要全面彻底地考察加工工艺对材料的性能的影响，需要研究材料微观组织的 变化。 另一方面，超声振动对拉丝过程的作用主要体现在宏观和微观两个方 面。宏观方面，主要表现为超声振动对拉拔力的影响，如第四章所述。微观 方面主要指超声振动对材料微观粒子的影响以及由此带来的应力变化，从而 使金属的使用性能和工艺性能得到改变。 因此，为衡量超声振动拉丝工艺对丝的质量性能的影响本文设计了相关 实验，主要包括表面形貌和显微组织观察、力学性能的考察，并通过分析确 定超声振动对丝的使用性能和工艺性能的影响。 喻尔滨工业大学工学硕j 学位论文 5 2 表面形貌 为了考察超声振动对丝材表面质量的影响，选取了两种拉拔速度下，有 超声振动和无超声振动两种加工工艺拉制的丝线进行表面形貌的观察。施加 超声振动拉丝时，驱动器输入电压为8 0 v 。观察用的实验设备是s - 5 7 0 型扫 描电子显微镜( s e m ) ，电镜照片如图5 1 、5 2 、5 。3 所示。 ( a ) 有超声振动( b ) 无超声振动 图5 - 1 放大4 0 0 倍的丝的表面形貌( 拉拔速度3 0 0 m m m i n ) f i g 5 1s u r f a c et o p o g r a p h yo fw i r em a g n i f i e d4 0 0t i m e s ( d r a w i n gv e l o c i t y3 0 0 m m m i n ) 图5 1 为拉拔速度为3 0 0 m m m i n 拉制的铜丝经扫描电镜放大了4 0 0 倍 的外表面形貌。图a 和图b 分别是有超声波作用和无超声作用时拉拔得到的 铜丝。图b 所示铜丝表面粗糙，有明显的划痕和裂纹，氧化起皮和麻坑也可 清晰看到，这些缺陷的造成都与拉拔时丝材的变形规律密切相关。拉拔过程 中，虽然外层金属沿轴向上比中心层受到的延伸变形却较小，但丝的外层金 属受到比中心层较大的剪切变形和弯曲变形，造成沿主变形方向有比中心层 较大的延伸变形，并且由于丝材表面受到摩擦的影响，外层金属沿轴向流速 1 3 3 - 中心层慢。所以，变形过程中，丝材表层产生附加拉应力，而在定径区中 被拉铜丝所受的沿轴向上的基本应力分布特点是周边层的拉应力大于中心层 的拉应力。因此，被拉铜丝周边层的实际工作应力比中心层要大得多，当此 种拉应力超过抗拉强度时，就发生表面裂纹和麻坑。另外，由于摩擦力大， 铜丝的表面温度高，容易发生氧化，从而导致起皮。与图b ) k h 比，从超声 振动拉丝试样的表面形貌图a ) 上，基本看不到大的裂纹与起皮，划痕也非 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 常轻微且数量明显少了，表面光滑得多。 ( a ) 有超声振动( b ) 无超声振动 图5 - 2放大8 0 0 倍的丝的表面形貌( 拉拔速度3 0 0 m m l m i n ) f i g5 - 2s u r f a c et o p o g r a p h yo fw i r em a g n i f i e d8 0 0t i m e s ( d r a w i n gv e l o c i t y3 0 0 m m m i n ) ( a ) 有超声振动( b ) 无超声振动 图5 - 3放大4 0 0 倍的丝的表面形貌( 拉拔速度1 5 0 0 m m m i n ) f i g5 3s u r f a c et o p o g r a p h yo f w i r em a g n i f i e d4 0 0t i m e s ( d r a w i n gv e l o c i t y1 5 0 0 m m m i n ) 图5 2 是放大8 0 0 倍的照片，图5 3 是拉拔速度为15 0 0 m m m i n 时的对 比照片，也可以看到这样的现象。可见，在拉丝过程中叠加超声振动可以明 显地减少拉拔形成的表面缺陷，改善丝的表面质量。 如前所述，拉丝过程中，超声振动使模具与丝之间存在时而接触时而分 离的情况，相当于丝材的变形被分解为多次完成，从而缓解了拉拔中急剧的 塑性变形和表面应力的不均匀，减少了表面裂纹、划痕等表面缺陷。另外， 这种接触情形降低了模具与丝之间的摩擦系数，且形成的楔形高压气膜有润 滑作用，都直接或问接地可以降低变形丝材的表面温度，从而铜丝的表面氧 化现象明显减少。可见，超声振动改善表面质量的现象，表明超声振动可以 改善丝材加工过程中的变形应力，同时也说明第四章对这种加工工艺分析和 解释的j f 确性。 5 3 金相显微组织 金属在受到外力作用时，会在其内部产生应力，并迫使原子离丌原来的 位置，从而改变了原子间的相互距离，同时引起原子位能的增高。当内部应 力超过该金属的屈服强度后，高位能的原子不能返回低能平衡位置，金属发 生塑性变形。 作为一种晶体材料，铜的塑性变形与每一个晶粒的变形行为有关，主要 有晶内变形和晶间变形两种变形机制。晶间变形指各晶粒之问的滑动和转动 变形，而晶内变形主要是晶粒内部的滑移，即晶体在切应力的作用下，一部 分相对于另一部分沿着一定的晶面( 亦称为滑移面) 产生的滑移现象。晶体 内部的各种缺陷，尤其是位错的运动，由于所需切应力较小，故更容易引起 滑移的发生。除了滑移外，孪生是另外一种变形机制。但对于面心立方结构 的铜来说，孪生不易发生。 随着变形的发生，拉拔时晶粒的滑移面将转向平行于外力的方向，各品 粒的取向会大致趋于一致，这就是拉拔变形而使晶粒具有择优取向的组织一 一形变织构 4 9 , 5 0 】。另外，金属塑性变形时，沿着变形方向晶粒将被拉长。当 变形量较大时，晶粒难以分辨，形成纤维组织。 总之，塑性加工工艺具有“改形、改性”的重要作用，在确保产品外形 尺寸的基础上，获得满足产品使用要求的内部质量乃是塑性加工工艺的重要 发展方向。在不同的加工工艺下，产品内部的变形情况是不同的，从而带来 其微观组织形貌的差异。为了了解超声振动对拉拔加工过程中丝材的变形情 况的影响，需要进行丝的金相观察实验。 5 3 1 金相试样的制备 金相试样的制备工作是在学校材料科学与工程学院金相实验室进行的。 3 8 ：篁垒量三些奎茎三茎堡圭兰堡兰兰 对在3 0 0 m m m i n 的拉拔速度下进行的常规拉丝和超