金属材料的超声塑性加工分析

肖家源

中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西省西安市，710089

摘要：金属材料的超声塑性加工技术作为强塑性变形领域中广泛应用的一种技术方法，可有效提升材料在加工过程中的能量传输效率，具有频率高、应变率大的特点，该塑性变形机制是其他强塑性变形技术所不具备的。该技术在工业生产领域具有较为广泛的应用前景，深入研究该技术有利于金属加工领域的技术进步。本文通过对金属材料的超声塑性加工技术进行论述，希望能够对相关人员提供指导借鉴。

关键词：金属材料；超声塑性加工；超声振动

前言：超声塑性加工作为近些年来发展较为迅速的工业生产领域中的金属加工技术，其优秀的振动压缩、拉丝等技术，相较于过去传统的金属加工技术，减少了加工过程中能量的流失，提升了工业生产中机械设备的工作效率，对工业生产具有积极意义。现如今，超声振动技术的绿色可持续应用的特点被人们熟知，在工业生产中的应用潜力巨大，且具有成本低、原材料普遍等特点，该技术的进一步发展对金属加工领域的进步具有积极影响。

1超声塑性加工技术

1.1超声拉拔金属

超声波振动金属加工技术最早应用于金属塑性加工领域，其中发展最快的技术是超声振动拉管技术。该技术的主要原理是通过对样本材料施加一定频率的振动，根据材料加工要求，使用不同大小的晶体材料做阻挡，沿样品材料的轴线方向上增加振动频率，减少单纯金属加工过程中的对抗力，加工出符合生产要求的材料形状，其中包括拉管超声塑性加工技术。借助于辅助设备中的内外模设计，可对样品材料进行有效固定，保证加工过程中材料的稳定性。研究发现，通过对内外模施加不同程度的振动频率，也可加强材料的变形程度。由于正常加工过程中，材料的受内外模的挤压使施加于样品材料的振动频率较少损耗，同时对相同轴线方向上的内外模施加超声波振动，使得样品材料的总的拉拔力量减少，继而实现材料加工效率的提升，对相同加工环境下，只通过向样品材料施加振动时的阻力减少。在正向放置加工设备时，通过对比不同振动方式下的冷拔效果，可观察到当样品材料的管壁较厚时，增加外模的振动频率对加工材料的振动效果较好，而当管壁较薄时，通过采用与施加力相反的纵向振动效果较好。

该技术在实际加工过程中，相比于一般的冷拔加工技术，在其他环境因素相同的情况下，可有效降低金属对抗力的30%，较有利情况下甚至可以达到70%，极大的降低了加工过程中的能源损耗，减少加工机械的金属疲劳程度，降低生产过程中因施加润滑液而导致的机械故障，延长机械设备的使用寿命。因此，在实际生产加工中，按照生产要求可在不同固定模式下，差异化的进行振动频率调试。例如钛金属的加工中，由于钛类金属具有难以成型的加工特点，借助于超声振动加工技术，降低了加工过程中设备的磨损程度，还能够提高样本材料表面的粗糙程度，尤其是与振动方向相同的内管壁摩擦程度。在核电站的核反应堆管材加工作业中，异型管数量较多，传统加工模式不能够满足使用要求，即可借助超声振动加工，且传统生产模式下，相应的管道拐角处的平均厚度在3.7mm左右，若通过超声塑性加工技术，可实现拐角处1mm的最小厚度，大大提升了管材的使用契合程度，降低了原材料的厚度成本[1]。此外，超声振动加工技术还可应用于某些高精度管材的制造，如航空航天以及具有高精度要求的压力表管道等领域。

1.2超声拉丝、棒

超声波振动加工技术在金属拉丝等加工领域也具有应用价值。在金属拔丝加工领域，超声拔丝具有明显的优势，即降低了拉拔过程中金属的抵压力，加快了生产加工的速度，使得机械需产生的总拉力减小，低速加工时，拉力最多可减少75%。实践证明，一半的金属拉丝加工方法须通过14个模具依次进行拉拔处理才能实现样本材料由粗到细之间0.075mm的变化，而超声振动拉拔技术仅需要9个模具。其中根据拔丝方向的不同可分为纵向、扭转以及弯曲振动的方式实现超声振动加工，提高了加工材料表面的粗糙程度，增加了加工过程中直径的密度，使加工后的材料更加均匀，减少材料断裂的情况，尤其针对细丝加工效果最好。

超声波振动在实际生产领域中，主要应用于铝、铜金属等常见材料的加工处理。较具代表意义的有工业生产中的硼丝加工，在纤维复合材料的生产中具有一定作用。超声振动所需的材料要求较低，在简单的金属加工设备上进行改造即可投入使用，推广难度较低。现如今需要解决的难题主要体现在超声振动的效果与工业生产所要求的速度不匹配，若强行提高振动速度，则会导致样本材料对抗力的下降缓慢，不适应工业生产的实际水平，工业生产推广受到一定限制。

1.3超声挤压

超声振动可实现金属样本的直接挤压以及经过粉末化处理的二次挤压，可通过激发内外模、样本材料顶头以及挤压筒的振动强度，实现材料的挤压成型。一般情况下，同时挤压内外模时，产生的震动效果最佳，在进行常见金属材料的挤压过程（如、铜金属）中，可有效提升挤压速度的150%-200%，减少挤压力的50%，还可降低材料与模具之间的摩擦力，提升样本材料以及成品材料的加工质量。

1.4超声振动弯管矫直

在日常生活中，大多通过上述三种方法进行材料的加工处理，而对于航空以及核工业等精密加工技术要求较高的工业来说，需更加完善的加工技术支持。通过电脑微机控制的弯管矫正技术，是精密加工行业的重要技术之一。飞行器工业中，由于对材料的强度以及重量都具有很高的要求，常见金属的加工技术不适用于该行业，可通过加工过程中施加超声振动的方式，降低芯棒加工过程中的摩擦损耗，同时还能够提高样本材料的管壁厚度均匀程度，实现对材料加工程度的可控，对飞行器等精密器械加工具有重要意义。

2超声塑性加工对材料形变的影响

2.1软化效应

在超声振动应用历史上，超声振动主要作为一种辅助方法适用于各种金属设备的制造过程中，包括机械设备加工、成型。通过实际加工过程中对金属材料的形变进行观察可发现，超声振动会引起材料的“软化效应”，即在加工过程中，超声波振动的多频率叠加会显著降低样本材料中新晶粒的产生。同时，超声波振动辅助加工过程中，样本材料的整体性能得到提升，主要表现为力学特征下，材料的变形特征不同于传统形变，晶粒性质得到大幅度细化，最终形成“软化效应”[2]。此外，在进行超声振动金属处理后，成品材料的表面质量也得以提升，相比传统加工过程，超声振动减少了样本材料加工过程中的材料裂缝等情况的发生，大大提高了产品的成型度。

2.2纯铜实验

通过对施加于纯铜材料的不同振动强度以及振动幅度，进行对比实验，探究最佳的超声振动范围。

设置不同变量的两种对照组，环境温度、样本材料性质相同，设置唯一变量：振动幅度；第二组设置唯一变量：振动频率。通过实验可以得出：在施加不同程度的超声波振动频率和幅度时，材料的流动面积显著增加，对比两种变量下不同组的结果，发现超声振动幅度的变化更容易因其材料的流动面积改变。

结束语：金属材料作为日常生活中最为常见的物质，须通过矿石冶炼加工最终得到相关产物。但随着社会的发展，资源需求量的增加以及自然资源开采过度导致能源告急，因此，在技术上寻求革新，提升原材料的利用率是减少能源浪费的有效途径。超声塑性加工作为一种金属材料加工过程中的辅助技术，对减少加工过程中的原材料损耗以及实现精密加工等具有积极意义。

参考文献：

[1]吝雨晨,师现云,易永根,等.超声振动辅助塑性变形技术的应用与发展[J].焊管,2022,45(06):19-26.

[2]刘吉宇.冷等离子体调控难加工金属材料切削界面特性机理研究[D].大连理工大学,2022.作者简介：肖家源（1987.09—），男，汉族，湖北省黄冈市人，本科，工程师，研究方向：金属材料塑性加工成形