超声振动塑性加工技术的现状分析

　　0　引言

　　超声波通常指振动频率高于16kHz的声波，超声波具有频率高、传播方向性强和易于获得集中声能等优点，因而在生产和科学研究中有着广泛的用途，已形成声学的一个重要分支—超声学科。超声振动金属塑性加工技术是伴随着金属塑性加工工艺和超声学科的发展而逐渐发展起来的[1]。

　　超声振动塑性加工技术是指在传统金属塑性成形加工工艺中，在工件或模具上主动施加方向、频率和振幅可调的超声振动，以达到改善工艺效果、提高产品质量的目的。超声振动塑性加工技术相对于传统金属塑性成形工艺通常认为具有以下优点：降低成形力，降低金属流动应力，减小工件与模具间的摩擦，扩大金属材料塑性成形加工范围，提高金属材料塑性成形能力，可获得较好的产品表面质量和较高的尺寸精度[2-3]。鉴于超声振动塑性加工的诸多优点，众多学者对该技术开展了广泛的研究，并将其在一定范围应用于拉拔、冲压和挤压等工艺。因此，掌握超声振动对塑性加工的作用机理，了解超声振动塑性加工的研究、应用现状，对于促进超声振动塑性加工技术的创新，推动其行业发展具有积极的现实意义。

　　1　超声振动塑性加工系统组成

　　超声振动塑性加工系统由超声波发生器、超声换能器、变幅杆和模具等组成，如图1所示。超声波发生器是用于产生并向超声换能器提供超声能量的装置，作用是将220V或380V的交流电转换成超声频的电振荡信号，通常输出功率为1～2kW，振动频率为20kHz。超声换能器的作用是将超声频电振荡信号转换为超声频的机械振动，输出振幅通常小于10μm。振动传递机构的作用是将超声换能器固定，并与外部的设备连接。变幅杆的作用是将超声换能器输出的机械振动振幅放大，以满足不同工况的使用要求，放大后的输出振幅可达100～150μm，模具安装在变幅杆的末端，超声振动通过模具完成对金属的塑性加工[1]。

　　2　超声振动对塑性加工的作用机理

　　超声振动塑性加工技术起源于20世纪50年代奥地利Blaha等[4]的一次材料拉伸试验，他们在对单晶锌进行静态拉伸试验时施加了超声振动，首次观察到材料屈服应力和流动应力降低的现象，这种现象也被称为Blaha效应。之后，许多学者对该现象进行了持续深入的研究，Blaha效应也被归纳为超声振动塑性加工中的体积效应(vol-ume　effect)。目前，有关超声振动塑性加工金属材料内部和表面的理论都基于两大基本效应：一为金属塑性流动时超声振动对金属内部应力影响的体积效应;二为超声振动对工件与模具间的外摩擦影响的表面效应(surface　effect)[2-3，5-6]。