王成軍，韓董董，陳 蕾，蔣遠(yuǎn)遠(yuǎn)

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南 232001)

振動(dòng)技術(shù)在金屬材料鑄造成形中的應(yīng)用與發(fā)展

王成軍，韓董董，陳 蕾，蔣遠(yuǎn)遠(yuǎn)

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南 232001)

介紹了振動(dòng)技術(shù)在鋁、銅、鐵等金屬材料鑄造成形中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，就振動(dòng)類型和振動(dòng)對(duì)鑄造成形的機(jī)理作了闡述，分析了施加振動(dòng)對(duì)金屬鑄造成形時(shí)金屬內(nèi)部組織改善、強(qiáng)度性能提高的原因，指出現(xiàn)有振動(dòng)技術(shù)中存在的不足，介紹了多維振動(dòng)鑄造機(jī)的設(shè)計(jì)思路和研制進(jìn)展情況。振動(dòng)鑄造實(shí)踐證實(shí)，在金屬材料的鑄造成形工藝中施加多維振動(dòng)能明顯改善鑄件的性能，提高鑄造效率，多維振動(dòng)鑄造機(jī)的研制為今后多維振動(dòng)技術(shù)的研究和應(yīng)用提供參考。

振動(dòng)；鑄造成形；組織性能；多維振動(dòng)鑄造機(jī)

在金屬鑄造成形時(shí)，施加不同條件，所得到的鑄件晶粒細(xì)化程度也不同，致使鑄件使用性能良莠不齊。早在140多年前，學(xué)者切爾諾夫通過對(duì)鋼錠成形時(shí)施加振動(dòng)，得到了晶粒細(xì)化的鋼錠鑄件[1]。之后，振動(dòng)對(duì)鑄造成形的影響也被越來越多的學(xué)者關(guān)注。隨著振動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，振動(dòng)在很多方面得以應(yīng)用，如用于擠壓成形、振動(dòng)焊接、振動(dòng)消除應(yīng)力及鑄造成形工藝等方面[2]。經(jīng)過各國(guó)學(xué)者對(duì)各種純金屬和金屬合金的研究，振動(dòng)理論及技術(shù)也得到較快的發(fā)展，但目前仍存在很多不足之處有待進(jìn)一步改進(jìn)。

1 金屬材料鑄造成形中常用振動(dòng)方式

各國(guó)學(xué)者對(duì)金屬材料鑄造成形中常用的振動(dòng)方式進(jìn)行了研究，主要可以分為機(jī)械振動(dòng)、電磁振動(dòng)和超聲波振動(dòng)等。機(jī)械振動(dòng)頻率一般小于200 Hz，最典型的機(jī)械振動(dòng)為偏心凸輪帶動(dòng)鑄型振動(dòng)；電磁振動(dòng)頻率變化范圍較大，若使用變頻器，頻率可達(dá)到2 kHz；超聲波振動(dòng)按振動(dòng)方向可分為垂直、水平和旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，按振動(dòng)是否連續(xù)可分為連續(xù)振動(dòng)和非連續(xù)振動(dòng)，而周期振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)屬于非連續(xù)振動(dòng)。大量研究表明，機(jī)械振動(dòng)在工業(yè)生產(chǎn)中更容易得到應(yīng)用和推廣。

2 振動(dòng)技術(shù)在金屬鑄造成形中的研究現(xiàn)狀

近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)振動(dòng)技術(shù)在金屬鑄造等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了諸多研究，研究結(jié)果表明，在鑄造成形過程中施加振動(dòng)可以改善鑄件組織、消除內(nèi)應(yīng)力。

2.1振動(dòng)技術(shù)在鋁合金鑄造成形中的研究現(xiàn)狀

鋁合金已廣泛應(yīng)用在機(jī)械制造等行業(yè)中，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鑄造鋁合金的性能要求也越來越高，鋁合金也成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)研究的對(duì)象。

LIMMANEEVICHITR等對(duì)鋁合金成形進(jìn)行了研究，觀察在施加振動(dòng)時(shí)鑄件的凝固組織，并與半固態(tài)鑄造法相對(duì)比，研究振動(dòng)鑄造是否可以替代半固態(tài)鑄造[3]。MALEKSAEEDI等為了研究振動(dòng)對(duì)過濾速率和毛坯密度的影響，通過對(duì)亞微米氧化鋁粉施加振動(dòng)，驗(yàn)證了壓力注漿成型法[4]。

潘迪等將振動(dòng)用于ZL101鋁合金鑄造成形中，研究振動(dòng)對(duì)ZL101成形的影響[5]，結(jié)果表明，在靜置時(shí)，晶粒尺寸較大,α樹枝晶在振動(dòng)作用下破碎，晶粒變的細(xì)小，晶粒錯(cuò)位難，抗拉強(qiáng)度高。研究結(jié)果還表明，隨著頻率的增加，合金內(nèi)部針孔減少，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率會(huì)先增大后趨于平穩(wěn)。趙忠興等學(xué)者利用水模擬實(shí)驗(yàn)，探討了超聲波發(fā)生器工具頭對(duì)不同直徑的鑄件的影響[6]。分析超聲波對(duì)ZL102合金結(jié)晶的影響，結(jié)果表明，超聲波功率越大，介質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)現(xiàn)象越明顯；在不同R值條件下，超聲波產(chǎn)生的效果也不同，當(dāng)R接近1時(shí)，效果最明顯，R越小時(shí)，熔體的枝晶越大，細(xì)化越不明顯。

2.2振動(dòng)技術(shù)在銅合金鑄造成形中的研究現(xiàn)狀

銅具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、抗腐蝕性能，在電氣、輕工及國(guó)防等領(lǐng)域得以應(yīng)用，同樣在機(jī)械制造業(yè)中也越來越受關(guān)注。

楊志杰等以99.9%的銅為對(duì)象，研究了振動(dòng)對(duì)鑄造成形組織的影響[7]，結(jié)果表明，在靜置時(shí)鑄件內(nèi)幾乎沒有等軸晶，隨頻率的增大，等軸晶逐漸增多，當(dāng)頻率為100 Hz時(shí)，等軸晶區(qū)增大到最大值；當(dāng)改變振幅時(shí)，純銅凝固組織的平均晶粒面積和等軸晶率呈不規(guī)律變化，當(dāng)振幅為10 mm時(shí)效果最好；實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，振幅對(duì)純銅組織的影響比頻率的作用明顯。易榮喜等針對(duì)斜坡振動(dòng)澆注工藝，研究不同因素對(duì)Al4.5Cu4Ce組織的影響[8]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)澆注溫度下降時(shí)，晶粒尺寸變小，呈球形且變得均勻分布；隨著電壓的增加，晶粒細(xì)化程度越大，位置分布越均勻。李軍文等利用Al-0.8%Cu研究超聲波對(duì)合金熱裂傾向性的影響[9]。觀察宏觀組織結(jié)果顯示，經(jīng)超聲波處理的Al-0.8%Cu試樣，組織內(nèi)的晶粒細(xì)小，隨處理時(shí)間的增加，細(xì)化效果越明顯；觀察宏觀斷口顯示，經(jīng)超聲波處理，熱裂斷口變?yōu)榧?xì)小的等軸晶，減小了熱裂的可能性。

2.3振動(dòng)技術(shù)在鑄鐵鑄造成形中的研究現(xiàn)狀

鑄鐵的工藝性能主要有鑄造性、焊接性和切削性，鑄鐵的熔點(diǎn)低，鐵水流動(dòng)性好，其鑄造性能優(yōu)于鋼，因而通常采用鑄造方法制成鑄件使用。

肖伯濤等利用BF-LD-TF型雙向電磁振動(dòng)臺(tái)制備白口鑄鐵和球墨鑄鐵[10]。研究振動(dòng)對(duì)鐵合金成形的影響，研究表明，在施加振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)破壞了凝固過程，在熔體內(nèi)增加了周期性的“拉力-壓力”，初生奧氏體破碎，初生奧氏體的尺寸與試樣厚度成反比，含量與試樣厚度成正比；實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，厚度較大的試樣在凝固前，振動(dòng)對(duì)液體的作用時(shí)間長(zhǎng)，使得游離的細(xì)小晶粒增多，致使石墨數(shù)量增多，且增加了“牛眼狀”組織，減少了碳化物。

董學(xué)武等實(shí)驗(yàn)研究了激振頻率對(duì)鑄件的鑄造殘余應(yīng)力的影響[11]。研究結(jié)果顯示，不同的激振頻率導(dǎo)致鑄型各個(gè)部位的振幅不同，因而消除鑄造殘余應(yīng)力水平也不同，靜置時(shí)，試件有較大殘余應(yīng)力，而采用鑄型的固有頻率進(jìn)行振動(dòng)處理，鑄型各部位的振幅達(dá)到最大，降低鑄造殘余應(yīng)力效果最佳。

李軍文等利用超聲波振動(dòng)處理裝置對(duì)灰鑄鐵熔體施加超聲波，探討石墨形態(tài)的變化[12]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)超聲波處理過的組織，主要是由粗大的石墨形成，隨處理時(shí)間增長(zhǎng)，石墨越細(xì)小，其硬度及沖擊韌度越高，然而超聲處理時(shí)間不宜過長(zhǎng)。

2.4振動(dòng)在金屬鑄造成形中的作用機(jī)理

在金屬鑄造充型過程中，由于金屬熔體屬于黏性流體，流動(dòng)分為層流和紊流，層流只出現(xiàn)在充型結(jié)束或流動(dòng)末端，所以一般認(rèn)為充型為紊流狀態(tài)。增加振動(dòng)后，隨著振動(dòng)的增強(qiáng)，導(dǎo)致紊流程度增加；再者，振動(dòng)本身的周期性會(huì)進(jìn)一步增加紊流速度[13]，因此振動(dòng)增強(qiáng)，流動(dòng)性增加，但是，同樣使由振動(dòng)產(chǎn)生的垂直于流動(dòng)方向的脈動(dòng)和紊流附加阻力增大，增加能量損失，當(dāng)能量損失過大時(shí)，流動(dòng)性會(huì)減弱。

在鑄造凝固過程中，施加振動(dòng)，使金屬液各部位之間的速度產(chǎn)生黏性剪切，使已生成的晶粒破碎，獲得更細(xì)的等軸晶；而且，振動(dòng)使金屬液局部壓力增大，使結(jié)晶過冷度增加，增大形核率；其次，金屬液產(chǎn)生的對(duì)流，使界面處枝晶斷裂，使析出的晶粒來不及長(zhǎng)大，從而形成更多細(xì)小的晶粒[2]。在凝固結(jié)束后，繼續(xù)施加振動(dòng)，加速金屬內(nèi)部的原子的振動(dòng)，可以減少鑄件的殘余內(nèi)應(yīng)力，提高鑄件性能。

3 多維振動(dòng)鑄造機(jī)的研制

目前在金屬材料的鑄造成形工藝中使用的振動(dòng)設(shè)備比較單一，如振動(dòng)消除應(yīng)力和振動(dòng)凝固設(shè)備，且多數(shù)采用單自由度激振模式，振動(dòng)方向無法控制和調(diào)節(jié)，而在金屬材料的鑄造成形過程中需根據(jù)鑄型的不同采用多維振動(dòng)，且在不同振動(dòng)方向上采用不同的振幅、頻率等振動(dòng)參數(shù)，要求各振動(dòng)參數(shù)的調(diào)節(jié)相對(duì)獨(dú)立。

安徽理工大學(xué)王成軍等在國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下，先后設(shè)計(jì)了四自由度振動(dòng)鑄造機(jī)、三維并聯(lián)振動(dòng)鑄造機(jī)[14-16]等具有多個(gè)振動(dòng)自由度的振動(dòng)鑄造設(shè)備，用于金屬材料的鑄造成形過程。上述多維振動(dòng)鑄造機(jī)可用于金屬材料的砂型鑄造、消失模鑄造、熔模鑄造等鑄造成形工藝中，如砂型振實(shí)、振動(dòng)凝固、鑄件應(yīng)力消除和落砂等工藝環(huán)節(jié)。筆者在具有4個(gè)振動(dòng)自由度的多維振動(dòng)鑄造試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上利用完全解耦的混聯(lián)機(jī)構(gòu)2PRRR-P(2R)開發(fā)了更實(shí)用的三維并聯(lián)振動(dòng)鑄造機(jī)，以同步反向工作的并聯(lián)雙振動(dòng)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)砂箱沿X,Y,Z3個(gè)方向往復(fù)振動(dòng)，并可通過變頻器調(diào)節(jié)X,Y,Z3個(gè)方向的振動(dòng)幅度、頻率，振動(dòng)電機(jī)通過對(duì)稱布置，實(shí)現(xiàn)激振力的疊加。三維并聯(lián)振動(dòng)鑄造機(jī)具有完全解耦的混聯(lián)結(jié)構(gòu)，控制容易、運(yùn)動(dòng)精確、可靠性高[14-15]，且成本較低。大量的振動(dòng)鑄造實(shí)踐證實(shí)，在鋁合金、鑄鋼、鑄鐵等材料的鑄造成形工藝中對(duì)鑄型施加多維振動(dòng)有利于提高液態(tài)金屬的充型能力，提高鑄件的整體力學(xué)性能和鑄造效率，降低鑄件廢品率，簡(jiǎn)化澆注系統(tǒng)、減少金屬浪費(fèi)；不足之處在于，在非金屬型鑄造工藝中使用多維振動(dòng)鑄造機(jī)時(shí)，若振動(dòng)鑄造機(jī)的振動(dòng)強(qiáng)度過大，則鑄型易開裂，需改進(jìn)鑄型設(shè)計(jì)。

圖1為多維振動(dòng)鑄造試驗(yàn)臺(tái)，圖2為多維振動(dòng)鑄造機(jī)試驗(yàn)臺(tái)在安徽鑫宏機(jī)械有限公司進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆注試驗(yàn)場(chǎng)景。

圖1 多維振動(dòng)鑄造試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Multidimensional vibration casting testbed

圖2 多維振動(dòng)鑄造機(jī)及待澆注模型Fig.2 Multidimensional vibration casting and casting model

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著振動(dòng)理論和技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)振動(dòng)技術(shù)在金屬鑄造成形中的應(yīng)用做了大量研究，振動(dòng)可以改善鑄件組織結(jié)構(gòu)、提高力學(xué)性能。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，與單自由度振動(dòng)相比，多維振動(dòng)能有效提高金屬的鑄造性能、鑄造效率，降低鑄件廢品率，減少鑄造工藝中的金屬浪費(fèi)，但是當(dāng)振動(dòng)鑄造機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度過大時(shí)，鑄型易開裂。將多維振動(dòng)應(yīng)用到金屬材料的鑄造成形中，為今后對(duì)多維振動(dòng)技術(shù)的研究和應(yīng)用提供參考。

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Application and development of vibration technology in metal casting molding

WANG Chengjun，HAN Dongdong，CHEN Lei，JIANG Yuanyuan

(College of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

The current research status of vibration technology in aluminum, copper, iron and other metal materials casting molding are introduced. The types of vibration and the vibration mechanism for casting molding are illustrated as well. The reasons of improving metal internal organization and enhancing strength properties are analyzed when applying vibration on metal casting forming. The existing shortcomings in the vibration technology are pointed out. The design idea and development progress of multidimensional vibration casting machine are introduced. Vibration casting practice shows that applying multidimensional vibration in metal casting forming process can significantly improve the performance and the efficiency of casting. The development of the multidimensional vibration casting machine provides the reference for research and application of multidimensional vibration technology in future.

vibration； casting molding； structure property； multidimensional vibration casting machine

2014-03-08；

2014-03-28；責(zé)任編輯：王海云

國(guó)家自然科學(xué)基金 (51205003)；安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目(KJ2012A089)

王成軍(1978-)，男，江蘇漣水人，副教授，博士，主要從事智能機(jī)械與機(jī)器人、多維振動(dòng)理論與技術(shù)等方面的科研與教學(xué)工作。

E-mail:cumt1279@163.com

1008-1542(2014)03-0229-04

10.7535/hbkd.2014yx03003

TQ21

A

王成軍，韓董董，陳 蕾，等.振動(dòng)技術(shù)在金屬材料鑄造成形中的應(yīng)用與發(fā)展[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,35(3):229-232.

WANG Chengjun，HAN Dongdong，CHEN Lei，et al.Application and development of vibration technology in metal casting molding[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2014,35(3):229-232.