超声波振动拔管(tube drawing with ultrasonic vibration)

在对拔管模或芯棒或同时对两者施加超声波振动的条件下进行的管材冷拔。超声波振动拔管原理是将高频电谐振通过换能器转换成机械振动，并将振动能量通过聚能器传播到变形区中，改变金属变形的性质和应力状态，系统框图如图l。实用的振动外模的声传递系统如图2。采用这一传声系统是为了换模方便和不增加锤头长度。振动芯棒的声传递系统如图3。

图1超声波振动拔管系统框图

 

图2实用声波传递系统

1一外模；2一外套；3固定点；4聚能器；5一振子

图3拔制内凸筋管时超声振动芯棒系统

1、2、3-换能器；4、5、6-聚能器；7-压力轴承8-拉杆；9-芯棒；10-外模；11-管料

换能器部件之一的振子是采用镍片叠合而成的。利用磁性材料在外磁场作用下产生微小宏观变形在单方向伸长和缩短，也可能产生体积收缩或膨胀(磁致伸缩效应)，将高频电谐振变为机械振动。处于工作状态的磁致伸缩换能器的等效电路如图4。图中左侧虚线框内是超声波发生器的输出等效电路，由高频正弦激励电源e’和内阻抗乏z’组成；右侧虚线框内是换能器的等效电路，z₁’、z₂’分别为钳定阻抗和动态阻抗。

图4等效电路

换能器中流过的电流是激励电流I和极化电流I₀之和。I₀是直流电源e提供的恒定常量，激励电流I是正弦交变量。电抗器L_c对I₀的阻力很小，而对I的阻力很大，耦合电容C只允许I通过，而不允许I₀通过，所以换能器中流过的电流是I和I₀。I₀在换能器铁芯内产生极化磁场，I产生激励磁场。聚能器为一圆锥体，其长度按振幅分布使端点具有最大的振幅和最小的应力(图5)。

图5在聚能器上应力和振幅分布

1-应力；2-振幅

应用超声波振动拔管的效果有：可降低拔制力，增加道次变形量，改善产品表面质量，减少空拔管内残余应力；可降低对润滑剂的要求，提高工具寿命，减少断头和废品(提高成材率)；可加工难变形材料以及降低能耗等。

研究者对振动效果的机理提出3种见解：

(1)体积效应，指吸收超声波能量，改变组织状态，导致金属的变形抗力降低和塑性加工性能的改善。

(2)表面效应，指改变拉拔中金属与工具间摩擦状态，减少外摩擦阻抗，使接触面分离，表面发热，有利于润滑剂吸入和排出，有净化表面作用以及摩擦力换向等。

(3)旋锻效应，指金属上作用有一个高频的交变应力，可降低变形抗力。