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超聲波振動拔管(tube drawing with ultrasonic vibration)

在對拔管模或芯棒或同時對兩者施加超聲波振動的條件下進(jìn)行的管材冷拔。超聲波振動拔管原理是將高頻電諧振通過換能器轉(zhuǎn)換成機械振動，并將振動能量通過聚能器傳播到變形區(qū)中，改變金屬變形的性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)，系統(tǒng)框圖如圖l。實用的振動外模的聲傳遞系統(tǒng)如圖2。采用這一傳聲系統(tǒng)是為了換模方便和不增加錘頭長度。振動芯棒的聲傳遞系統(tǒng)如圖3。

圖1超聲波振動拔管系統(tǒng)框圖

圖2實用聲波傳遞系統(tǒng)

1一外模；2一外套；3固定點；4聚能器；5一振子

圖3拔制內(nèi)凸筋管時超聲振動芯棒系統(tǒng)

1、2、3-換能器；4、5、6-聚能器；7-壓力軸承8-拉桿；9-芯棒；10-外模；11-管料

換能器部件之一的振子是采用鎳片疊合而成的。利用磁性材料在外磁場作用下產(chǎn)生微小宏觀變形在單方向伸長和縮短，也可能產(chǎn)生體積收縮或膨脹(磁致伸縮效應(yīng))，將高頻電諧振變?yōu)闄C械振動。處于工作狀態(tài)的磁致伸縮換能器的等效電路如圖4。圖中左側(cè)虛線框內(nèi)是超聲波發(fā)生器的輸出等效電路，由高頻正弦激勵電源e’和內(nèi)阻抗乏z’組成；右側(cè)虛線框內(nèi)是換能器的等效電路，z₁’、z₂’分別為鉗定阻抗和動態(tài)阻抗。

圖4等效電路

換能器中流過的電流是激勵電流I和極化電流I₀之和。I₀是直流電源e提供的恒定常量，激勵電流I是正弦交變量。電抗器L_c對I₀的阻力很小，而對I的阻力很大，耦合電容C只允許I通過，而不允許I₀通過，所以換能器中流過的電流是I和I₀。I₀在換能器鐵芯內(nèi)產(chǎn)生極化磁場，I產(chǎn)生激勵磁場。聚能器為一圓錐體，其長度按振幅分布使端點具有最大的振幅和最小的應(yīng)力(圖5)。

圖5在聚能器上應(yīng)力和振幅分布

1-應(yīng)力；2-振幅

應(yīng)用超聲波振動拔管的效果有：可降低拔制力，增加道次變形量，改善產(chǎn)品表面質(zhì)量，減少空拔管內(nèi)殘余應(yīng)力；可降低對潤滑劑的要求，提高工具壽命，減少斷頭和廢品(提高成材率)；可加工難變形材料以及降低能耗等。

研究者對振動效果的機理提出3種見解：

(1)體積效應(yīng)，指吸收超聲波能量，改變組織狀態(tài)，導(dǎo)致金屬的變形抗力降低和塑性加工性能的改善。

(2)表面效應(yīng)，指改變拉拔中金屬與工具間摩擦狀態(tài)，減少外摩擦阻抗，使接觸面分離，表面發(fā)熱，有利于潤滑劑吸入和排出，有凈化表面作用以及摩擦力換向等。

(3)旋鍛效應(yīng)，指金屬上作用有一個高頻的交變應(yīng)力，可降低變形抗力。

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