超声挤压强化技术的研究现状及发展前景

张勤俭，王会英，徐文胜，韩连江，刘成让

（1.北京交通大学数字化制造技术与装备研究所，北京 100044；2.济南山科数控设备有限公司，山东济南 250131）

采用常规挤压光整工艺提高工件表面质量的方法中，作用力一般都较大，工件表面金属变形情况不够理想，在许多情况下尚不能达到预期效果，工具头与工件间的摩擦状况往往不佳，因而挤压工具头磨损较快，还易出现切刮、起皮及工艺系统颤振等不良现象。如对于薄壁、细长类工件，用常规挤压强化很难达到要求。把超声波引入常规挤压过程中，就能使其强化过程发生一些有利的变化。

超声挤压主要是利用超声驻波特性，使金属塑性增加，变形抗力下降，坯料与模壁的摩擦系数减小，润滑效果增大，因而可充分发挥设备潜力，提高零件质量和模具寿命，简化表面处理，改善劳动条件，降低成本。与常规挤压相比，超声振动挤压工艺有以下特点[1]：①挤压过程平稳，作用力小，且工件受力均匀；②工具头与工件间的摩擦状况改善，工具头的耐用度提高；③挤压过程中产生的热量少，不必用冷却液；④经过振动挤压的工件，其表面质量大幅提高，因而使用寿命也大幅提高。

1 超声挤压技术国内外发展情况

1955 年，Blaha 等[2]利用超声激发对金属进行了弹塑性变形的实验研究。随后一些学者利用超声振动对金属拉丝和挤压技术进行了研究[3-6]，在不同条件下对金属进行复杂的操作加工，并利用有限元模拟方法进行分析。Stan 等[7]研究分析了加工参数在超声注射和挤压技术中的影响。20 世纪90 年代初，王义首先提出了超声振动挤压表面强化技术，对其工艺原理及实验装置进行了介绍，并对该强化方法的工艺效果及工具头的磨损情况进行了试验分析；随后，又对超声振动挤压强化工艺中的变幅杆设计问题进行了深入探讨，试验分析了超声振动挤压强化工艺中的最佳挤压力问题。研究结果表明，当挤压力取在最佳挤压力附近时，振动挤压工艺效果最佳[8-10]。李华等[11]提出了超声振动挤压加工系统的设计原则和方法，根据实际使用条件，选择结构参数，即可满足使用要求。郑建新等[12-13]在超声挤压不同工艺参数下，对45 钢轴进行了正交试验研究，对轴的表面粗糙度和显微硬度进行了分析。实验结果表明，刀具半径、预压力、加料速度和旋转速度对表面粗糙度和表面显微硬度的影响较明显，并给出了最优值。Akbari Mousavi 等[14]引入有限元分析方法对超声挤压过程进行研究，发现超声振动挤压可降低挤压力和材料屈服应力，但对材料塑性应变影响不大；相对于振幅，振动频率对挤压力的影响不大；工具与工件之间的摩擦对纵向振动影响很大。吴树森等[15]将超声振动挤压技术应用在铸造领域，使铸造过程的冷却率提高，粒径尺寸减小。

2 超声挤压技术特点

超声振动挤压强化金属表面是一种冲击式的压力光整加工方式。它利用金属在常温下的冷塑性特点，采用专门的强化工具，对工件表面施加一定的压力，使其产生塑性流动。其结果是将工件表面原有的微观波峰熨平，使其填入波谷；同时，表层金属产生塑性变形强化，形成压应力，提高了零件表面的耐疲劳强度，从而使工件表面质量提高。

2.1 挤压过程中的超声作用

所谓超声，实质是一种频率在16 kHz 以上的机械振动。在挤压加工时，通过超声系统将超声机械振动传给变形金属或模具，使金属成形变得容易。在挤压过程中，超声的主要作用表现在以下几点：

（1）增大塑性，降低变形抗力。超声应力同模具静应力叠加，增大了金属变形，超声能易被晶界及位错吸收，超声强度和作用位置等对增大塑性、降低抗力都有影响。

（2）降低坯料与模具之间的接触摩擦系数。在传统的挤压生产中，40 %～60 %的挤压力消耗在克服摩擦力上，这不仅浪费能源，还影响产品质量。当设置超声振动装置时，振动效应势必使坯料与挤压筒、模具之间产生微小的、肉眼不易发现的离合作用，这一作用能大大降低它们之间的摩擦系数。

（3）润滑效果增强。超声能使金属表面活化，使润滑剂易渗入到变形金属与模壁的接触处（普通挤压时，一般来说，润滑剂很难在此处立足），从而大大改善了润滑状况。

（4）影响金属纤维微观晶粒组织。超声振动压力使金属材料的微观晶粒间发生离合作用，增强了晶间滑移，有助于金属变形，使晶粒变得更均匀。

2.2 超声挤压强化工艺效果

把超声振动引入常规挤压过程，其工艺效果明显改善，主要表现在以下几个方面[8，16]：

（1）表面粗糙度值降低。超声振动挤压强化工艺是一种光整工艺方法，最明显的效果之一就是工件表面粗糙度值显著降低，降低的程度与工具头表面粗糙度和工件的原始表面粗糙度有关。表面粗糙度值降低，对提高零件接触面的耐磨性、防止零件表面应力集中、提高零件疲劳强度都有好处。

图1 是采用SK-MC20 型超声挤压强化系统加工的部分试样。图2 是超声强化前后不锈钢材料表面粗糙度对比。可看出，超声强化后的效果非常明显，表面粗糙度值由Ra0.402 μm 降到Ra0.022 μm。

图1 超声强化后的部分样件

图2 超声强化前后材料的表面粗糙度对比

（2）工件表面金属硬化。工件经挤压强化，表层金属在塑性变形过程中，随着冷作硬化，表面硬度得到提高。试验表明，经过振动挤压的工件表面硬度一般可提高25 %～50 %，甚至更高。预压力是影响工件表面硬化程度最大的因素，振动挤压后的工件表面显微硬度随着预压力的增大而升高[8]。

（3）工件表面产生残余压应力。同其他冷压强化工艺方法一样，超声挤压强化的工件也会产生残余压应力，但因表层金属受压向四周扩张时，受到内层金属的牵制，所以内层产生拉应力，表面产生压应力。随着挤压预应力的增加和挤压次数的增多，工件表面残余应力绝对值（即压应力）加大，这是塑性变形加剧的结果。

（4）消除表面微观缺陷，提高疲劳强度。振动挤压不但能降低工件表面粗糙度值，使工件表面形成硬化层，造成残余压应力，还能消除由前道加工工序所造成的微观表面缺陷，完全消除了鳞刺缺陷，使工件表面质量最大幅度地得到提高。

2.3 超声挤压强化工艺设备

超声振动挤压强化装置[17]由超声波发生器、换能器、变幅杆和强化工具头等部分组成。超声波发生器将普通交流电变成有一定功率输出的超声频电振荡，以提供振动能量。换能器把这种电振荡转化为同频率的机械振动。与换能器焊接在一起的变幅杆，可将换能器的振幅放大，同时使超声振动能量集中传给工具头，使其完成挤压强化过程。

从变形金属与超声系统的关系看，有开式及闭式超声系统之分。在开式超声系统中，坯料或部分模具的尺寸可任意选择，即不必考虑与整个系统的共振。这类系统仅适用于在静应力很小的情况下，挤压变形抗力小的高塑性金属或温热挤压。当然，也可用于挤压截面尺寸较小的制品。而闭式超声系统能有效地利用超声能，可在较高的挤压力下工作，因而获得了广泛应用。

2.4 超声挤压系统的研究

超声系统的设计目的是力求以最小的能耗，将超声能量传输或集聚到变形金属处，并保证在整个挤压过程中，超声系统工作稳定。超声系统设计的几个关键问题是：

（1）超声工作频率的选择。超声工作频率一般取20 kHz 为宜。频率过低，则变幅杆及换能器尺寸增大，成本提高，更为严重的是会出现噪音公害的问题；频率过高，不易维持稳定的工作状态，且此时调节超声系统各部分尺寸及相对位置也较困难。

（2）挤压模位置的确定。由驻波特性可知，欲最大限度发挥超声效果，挤压模必须置于超声振动的位移波腹处或应力波腹处。

（3）复合换能器的设计。为了减少超声能量在传导过程中的损耗，单个换能器直径应小于λ/4。据此，再适当选择贝赛尔函数的阶数，便可确定转换器的尺寸。

（4）频率自动跟踪系统。为使超声挤压系统在超声挤压过程中处于最佳共振状态，避免出现频率漂移现象，必须设置有效的频率自动跟踪系统。按照从金属变形区反馈来的信号，随时自行调整超声系统。

（5）工具头及挤压力。工具头与工件间的摩擦状况不佳，挤压工具头磨损较快，还易出现切刮、起皮及工艺系统颤振等不良现象[18]。静态挤压力是工艺参数中对挤压工具头磨损影响较大的工艺参数。如挤压力选取过大，将会导致工具头磨损加快，这一点在挤压塑性较大的材料时，应特别注意。此外，还应保证工具头与工件表面始终以一定的预压力保持接触。

（6）振动挤压系统。振动挤压系统能产生稳定、可控的超声振动，并便于制造和调整[19]；系统还应具有较好的频率响应特性，在主轴的工作转速范围内不产生共振，对工件表面的变化和振动干扰具有良好的线性随动性能。

（7）超声振动挤压工艺参数的正确选取[20]。经大量试验分析结果显示，挤压速度取35～45 m/min，进给量取0.08～0.12 mm/r。对于静态挤压力，挤压碳钢时，取P=60～200 N；挤压淬火钢时，取P=100～300 N；挤压黄铜、铸铁、不锈钢等材料时，取P=60～100 N，工具头振动振幅以控制在4～10 μm 为宜。

3 超声挤压强化技术应用前景

超声振动挤压强化工艺具有脉冲性特点及能量集中效应；超声振动挤压使工艺系统变形减小，即有“刚化”工艺系统的作用；工件表层金属的变形更规则，趋于理想化；超声振动改善了挤压过程中工具头与工件之间的摩擦状态。这些变化是工艺效果大幅提高的主要原因。

超声波表面光整加工设备可用于加工内外圆表面、平面，如各种液压缸内外孔、活塞杆、冶金轧辊等，可直接替代珩磨和磨削。借助数控设备或专用工装后，可加工各种异型面，如汽轮机叶片、航空发动机叶片、飞机蒙皮等。可加工的材料包括碳钢、工具钢、合金钢、不锈钢、铸铁、铸钢、铜及铜合金、铝及铝合金、铝镁合金等，所加工材料的硬度最高可达60 HRC。对加工的零件来说，越是大型零件越具有优越性，可应用于工程机械、压力机、石油机械、煤矿机械、汽车、轧钢等行业，具有十分广阔的应用前景。

4 结语

超声振动挤压技术发展较快，研究成果丰富，但尚有些问题需进一步探索。一般来讲，超声振动加工工艺装置都较复杂，设计、制造、安装后，不一定就能使系统在设计的共振频率下正好处于共振状态，还要作适当调整。研究挤压过程中超声振动声学系统的频率和振幅的变化规律，对影响加工效果的工艺参数，应进行必要的检测和标定；变幅杆形状尺寸如何确定，它与工具连接后，会对整个超声振动系统的频率、振幅等参数产生什么样的影响，这一直是超声加工领域中的重要研究课题之一。对于超声振动挤压工艺装置，这些问题也是不可避免的。此外，工具头与变幅杆连接后，超声振动频率及振幅都将变小，这一点在设计变幅杆和工具头时，都应加以考虑。

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