塑性成形过程摩擦测试的研究进展

[摘 要]在塑性过程中通过振动加工成形技术就是通过专门的装置对金属的塑性中所使用的模具和坯料进行激振，从而有效的减少坯料和模具之间发生的摩擦现象，增强坯料成形极限，进而取得更加完美的成形效果。本文对当前塑性成形的振动技术现状进行了分析，并介绍了目前振动技术在拉拔、冲压等塑性过程中的运用。

[关键词]塑性成形；振动；应用

中图分类号：TG301 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）16-0354-01

在各种设备运行过程中都存在着振动，在通常情况下，设备产生的振动不仅对设备自身精度和功能有着一定的影响，同时对设备的使用寿命造成一定的影响，甚至会造成各种安全事故，所以振动具有一定的危害性。但是，振动在企业特殊情况中也同样被广泛应用，比如凿岩、密实、抛光和冲击等方面，这些振动的特殊应用成为了“振动利用工程”的重要内容。在材料加工和成形中，通过保持一定的振动方向和频率等有利于材料的成形结果，这种加工方式被称之为振动辅助加工。通过这种振动的加工方式在扩大材料加工范围，提高材料性能和质量等方面都发挥着巨大的作用。到目前为止，人们意境将振动加工运用到了线材、拉拔管材、冲孔、剪切和静压等塑性成形过程中，并都取得了良好的工艺效果。

一、有关振动塑性成形的理论研究

有关材料内部和外部塑性成形加工中的振动技术理论，主要是建立在“体积效应”和“表面效应”这两种基本理论概念的基石之上。

最早发现体积效应的科学家是来自于奥地利的B1aha F和Langenecker B。早在1955年，这两位科学家在进行单晶锌试样静态拉伸实验过程中将超声波技术施加到了其中，发现材料所具有的屈服应力和流动应力都出现了明显的降低，后来人们将发生的这种现象称之为Blaha效应。对于Blaha效应可以这样理解，即材料的内部微粒再受到振动影响后，致使材料出现了温度升高和活性增强的结果，从而造成了和晶体位错相关的热软化，所以使材料的动力变形阻力得到了有效的降低。此后，大量的学者开始对Blaha效应进行深入的探究。英国科学家Kempe等于1956年指出了因位错可能吸收振动能量的出现了共振、松弛和滞后三种机制作用。Atanasiu针对不同种类金属材料在超声振动下出现的屈服强度进行了定量描述，指出超声强度的指数函数就是屈服强度。Nevi11指出在流动应力的减少包括了静态应力的叠加。

表面效应就是指的振动和模具材料之间的产生的外摩擦影响，在宏观上的主要体现为材料和工具的粘滑和磨损都出现了降低，从而使产品的表面质量得到了有效的提升。出现表面效应的主要原因有以下几个方面：因振动工件和工具出现瞬间分离；在振动过程中受摩擦力矢量反向的影响；热效应有效的降低了产品的粘焊现象；此外，加工润滑环境受振动的影响出现了变化。

总的来说，振动塑性成形过程在本质上和传统的塑性成形工艺有着极大的相似之处，主要区别就是外加振动系统的运用。在目前的塑性成形振动中采用的主要振动方式为超声振动，就是借助于大功率的超声波设施产生振动效应。但是经过人们的研究，发现低频振动也能对塑性变形的应力和外摩擦产生一定的影响，从而实现和超声波一样的振动加工效果。唐获和王先进就将低频振动施加到正压力上，借助薄带摩擦试验对频率、振幅和材料表面对摩擦力的影响进行了研究，通过试验表明摩擦系数会随着正压力的提高而有所微小的减少，就算将振动过滤叠加到其中仍有效。但是需注意在进行低频振动时要做好防震措施，具有较大的噪声污染。

二、振动技术在塑性成形中的运用

1、振动拉拔与挤压

有关振动拉拔的研究目前比较广泛，其运用情况也比较成熟，尤其是振动拉丝和拉管的应用都取得了良好的经济效果。通过超声振动能够有效的提升临界拉拔速度，并且采用的振动方向不同其效果也不同，通常径向效果要比轴向效果好。振动拉拔工艺相比常规的拉拔具有高质量的表面效果、较小的拉拔力以及模具使用时间长等优点。但是振动拉拔也存在一定的缺陷，就是资金投入比较大，需要专门的操作人员和模具，具有较强的专业性。今后振动拉拔的研究主要集中在难成形或者是异型断面材料中的拉拔。

通过振动挤压也能够有效的降低摩擦力和挤压成形力，从而提高产品的表面质量，在这一方面的研究也比较多，并都取得了优秀的成果。比如，Akbari Mousavi等人指出在进行振动挤压时，压力减少程度与挤压的速度、振幅都有着直接的联系。

2、振动冲压

震动冲压主要运用在板料的拉深中。比如PasierbA 等进行了桶形件拉深试验，借助特殊的径向超声振动凹形模具，在模具上添加压边圈进行拉伸试验。通过对不同的材质的金属材料分析发现，超声震动在载荷过程中出现了显著的降低，通过凸模和凹模使产品具有更加精确的定位。Jimma 等人在拉伸过程中加入超声波振动，使极限拉伸比出现了极大的提升，超过了在理想状态下无摩擦的极限拉伸比理论值。Smith等人对铝板进行了拉深实验，通过超声波振动使材料的极限拉伸比提升了7%，在试验中发现对成形极限拉影响最大的就是压边力。若压边力太低容易出现振动，增加了加工的不稳定性；压边力太高不容易产生振动，从而使振幅减少起极限拉伸比出现下降的情况。凸模负荷会随着振幅的增强而出现下降，破裂极限又会随着振幅的增强而出现下降的现象，主要原因是因为成形的部分受振动的影响出现了热效应，从而使摩擦作用和变形抗力都出现了降低。因此，在振幅大小的选取过程中要注意上述作用情况。

结束语

与普通塑性成形方法相比，振动塑性加工可以降低材料的塑性变形力和能源的消耗，提高变形极限和产品加工质量。但是在基础理论和实际应用中振动塑料加工，仍存在一些问题。但随着超声波的研究发展，新材料和现代控制技术将在超声振动加工中具有极大的发展前景。

参考文献：

[1]蔡改貧 姜志宏 翁海珊.低频振动塑性成形粘弹塑性模型的体积效应分析 [J].机械强度， 2007，（2）.

[2]蔡改贫 翁海珊 姜志宏 罗小燕.振动拉拔的非局部摩擦问题的近似求解及表面效应初探[J].机械工程学报，2006，（8）.

[3]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年04期.

[4]温彤，裴春雷，李昌坤；塑性成形过程的振动应用技术[J]； 《热加工工艺》 2009年01期.

作者简介：

作者：张娜；出生年月：1982年5月30；性别：女；籍贯：河北省保定市唐县；学历：本科；研究方向：塑形加工方向