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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)，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力(圖5)。

圖5在聚能器上應力和振幅分布

1-應力；2-振幅

應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，指吸收超聲波能量，改變組織狀態(tài)，導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，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，指金屬上作用有一個高頻的交變應力，可降低變形抗力。

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