振动成型工艺基础(fundamental of vibroforming technology)

利用振动机械使模具内的炭素糊料在强烈振动过程中致密及成型的机理，诸如周期激动力的产生、单轴或双轴振动台的振动特性、各种工艺因素和振动成型参数对产品质量的影响等。较早使用振动成型工艺的是建材工业和电解铝工业，生产建筑用混凝土制品或铝电解槽使用的预焙阳极(炭阳极)，振动成型可以生产出大尺寸的长方形块并在上部带有两个母螺纹孔的预焙阳极，而挤压成型是无法完成的。到20世纪80年代，许多冶金炉用的大型炭块和大直径的炭质电极也使用振动成型工艺生产。实践证明，在选择适宜的振动成型设备及工艺条件的基础上。振动成型完全可以生产出质量符合使用要求的产品。振动成型设备结构比较简单，投资少，上马快，已经成为中国许多炭紊厂生产铝用炭素制品及炭质电极、石墨电极的主要成型设备之一。

周期性激动力的产生振动成型工艺离不开振动台，稳定的连续不断的振动需要有周期性的激动力，目前有机械振动、电磁振动和超声振动等多种方式，其中机械振动是主要的方式。惯性力是经常作为机械振动的激动力来源，从力学公式知道，惯性力等于其速度正在改变的物体重量和运动加速度的乘积，而它的方向与加速度的方向相反，物体沿圆形轨道平移时产生的加速度为法线加速度或向心加速度，相应的惯性力称为离心力。由不平衡质量回转时引起的离心惯性力，其垂直分力和水平分力都在不断变化，因而使物体产生振动，因此机械振动通常采用回转的不平衡质量作为振动系统所需要的振动源，以产生周期激动力，这种不平衡质量称为偏心子，这样的机构称为惯性式偏心振动子。机械振动的振动台可以产生两类振动定向振动和圆形振动，后者在某些情况下实际上为椭圆形振动。定向振动时，振动台连同上面的物体(模具及装在模具内的物料)是沿一直线往复运动，其所经过的路程是从一个边缘位置到另一个边缘位置(称为幅度)，幅度的二分之一称为振幅。

单轴振动台的振动特性单轴(单个偏心子)振动台的圆周振动过程示于图1。图l的上部位表示单轴偏心子式振动子，从偏心振动子的重心到它的回转轴线的距离称为偏心振动子的偏心距r₀。当质量为研的偏心振动子环绕轴线x-x以角速度w回转时，产生离心惯性力P(激动力)，可以有条件认为，它的大小近似地等于偏心振动子质量m与偏心距r₀和角速度w’平方的乘积。实际上，它总是小于这样的乘积。

单轴偏心子式振动器引起振动台圆周(或椭圆).振动。圆周振动过程表示在图1的下半部，设振动系统B具有质量M，而偏心子D的质量为m，假如对由质量M和m组成的两质点系统没有更多的外力作用，按照质量中心的力学定理，这个系统应该保.持静止。在这样的系统中重心位于把8点和D点连接起来的直线上，并且把它们之间的距离分隔成为与它们的质量成反比的线段。我们以O点表示重心的点，从O点到B点的距离以A表示，当偏心振动子回转起来后，B点沿半径A的轨道产生圆周振.动。但是正如在图1看到偏心振动子的绝对运动将是围绕。点沿半径为(r₀-A)的圆周运动。经过四分之一转，振动系统..将位于B₁点，而偏心子则在D₁点。偏心振动子的离心惯性力为

式中w为偏心振动子的回转角速度，rad／s。

从上式中可以看到偏心振动子的离心惯性力与振动系统的振幅A有关，而在一般情况下小于mr₀w²的乘积。偏心振动子的离心惯性力，在O点被沿半径A的圆周上运动的振动系数质量M所产.生的离心惯性力所平衡：

式中m为偏心振动子的重量，kg；M为振动系统的.重量(包括振动台及其合面上的、模具和物料重)，kg；r₀为振动子的偏心半径，cm。

偏心振动子的重量与它的偏心距的大小的乘积.称为偏心力矩，偏心力矩是惯性式振动系统的基本特性之一。偏心力矩以kg•cm表示。从式(5)中看到，没有反抗力时，振动系统的振幅等于偏心力矩除以振动系统的总重量(它的自重加上偏心振动子重)之商。这个简单的关系式具有很重要的实际意义，因为很多振动系统在工作时，介质阻力很小，可以忽略不计。

双轴振动台的振动特性为了得到定向振动，可以各用一台相同规格的电动机分别驱动。

在图2中可以看到，两组质量相同的偏心振动子在水平方向的分力。在任何角度下都是大小相等方向相反，因而互相抵消了，只剩下两个垂直分力则作用于振动台上，因而双轴振动台的振动在理论上只有垂直走向振动。

两组偏心振动子离心惯性力的垂直分力最大值为

式中A为振动台的振幅。

若以∑m代表偏心子式振动器的总重量，对于安装有4组振动器的双轴振动台的离心惯性力(即引起强迫振动的激动力)计算式如下：

式中∑m为四组振动器的总质量，kg；r₀为偏心子的偏心距，kg•cm；w²为强迫振动的圆频率(=2πf)，.S^-2。

比较图1、2后可以看到，单轴振动台偏心振动子每转一周(360^。)，所产生的激动力在纵向和横向的分力，将出现4次高峰值，即纵向两次、横向两次，双轴振动台偏心振动子每转一周(360^。)，在理论上仅在纵向有两次高峰值，而横向任何时候都为零值。但在实际上，由于设备制作及安装中总有一些偏差，因此双轴振动台也存在一些横向振动，不过横向振动的振幅比纵向振幅小得多所以双轴振动台一般只考虑其纵向振动(即台面的垂直方向振动)而忽略其横向振动。

振动成型设备振动成型机主要包括振动台、上部加压装置和成型模具3大部分，现代化的振动成型机组增加了定量装料机构和真空吸气装置。振动台是机组中的主体设备，双轴振动台的稳定性。

典型的双轴振动台有一对方向相反、同步旋转的振动器，每个振动器由两段相同尺寸的旋转轴并.通过万向联轴器传动。每一根轴支持在一对装有单.列向心球面轴承座上，每一根轴上装有一组振动子。振动子是由两片相同尺寸的扇形钢板组成，每片扇形钢板上按照给定位置钻若干个孔，只要调整重合孔的位置即可调节振动台台面的振幅及激动力的大小。

中国制造的大吨位双轴振动台每根轴用一台电.动机驱动，不仅激动力大，而且比较安全可靠。能够做到零振幅启动和零振幅停机，因而避免了启动和停机时振动台出现的共振现象。激动力在振动过程中可调，可控制振实时间和制品的体积密度，向模具内装糊料时，振动台采用较小的激动力，装糊结束时，上部加上压力后再增大激动力。为了提高制品的体积密度和生坯内部结构的均匀性，该振动成型系统的模具和底模采用插入式结构，模具不需要在振动台的台面上固定，而底模板插入模具下部30cm处，因此振实时激动力直接作用于被振实的糊料上。由于振动成型一般只在上部加压，因而成型后的生坯全长方向体积密度有一定差异，特别是立振长度大于2m的大型炭紊制品时更为明显，最新颖的双轴振动台不仅在上部有油压系统，底部靠近台面也.安装了油压系统，有利于在生坯的全长方向减少体积密度差异。小型的振动成型机组可以用固定质量.的重锤实施从模具上部对模具内的糊料加压，但压力不能调节，20世纪后期制造的较大的振动成型机组多数采用液压油缸加压。

中国大型铝厂从德国KHD公司引进了多台专.门用于生产预焙阳极的三工位转台式振动成型机.组，加料、振实和脱模分别在3个工位上进行，这3个工位处于同一水平面上，3个工位之间的夹角为120^。，每一个工位只承担一项功能，生产时，每个工.位上都有一个成型模具，当第一工位装料时，第二工位(已装入定量的糊料)开始振动，第三个工位则将.已经振实的生坯脱模。振动台是可以升降的，振动台置于液压缸之上，当振实操作结束时，液压缸减压使振动台下降，转台转动120^。，把已经装入糊料的成.型模转动到振动工位，同时将已经振实好的成型模转到脱模工位，再把脱模后的空模具转动到装料工位，然后液压缸将振动台顶起来，3个工位周期性地.连续操作，全过程可实施自动化控制1台这样的三工位振动成型机组年产预焙阳极生坯4～6万t。

成型模具是生产各种不同规格产品的必要工具，成型模具都是用8～20mm厚的普通钢板切割后焊接而成，为了便于脱模和保持生坯表面的光洁，成型模四周焊上加热夹套(内通蒸汽或导热油加热)。成型后生坯的脱模有两种方式，对规格不大的圆形.立振产品可从上部将成型模具提起，生坯留在振动台上，此时模具的设计成略带梢度(即上部直径略小于下部)。另一种是非圆形型产品(如方形或长方形产品)模具设计成对角线能打开的活模(装糊料前用活动螺杆把紧)。成型模的内部尺寸应考虑产品在焙烧和石墨化过程中的体积收缩，比成品的额定尺寸稍有放大。

产品质量各种工艺因素及振动成型参数对产品质量的影响有如下几个方面。

干料粒度组成的影响用不同颗粒组成的各种配方生产同一规格产品(表2)，经焙烧后或石墨化后取样测量都表明，采用较细颗粒配方较采用粗粒配方振动成型得到产品的体积密度较大、孔度较小、抗压强度稍高，按照对炭素制品通常要求的物理性能.指标衡量其质量也是比较好的。虽然这种产品结构比较致密，但颗粒组成较细的配方生产的产品在焙烧及石墨化过程中产品出现裂纹的机会多，成品率些，但有时也有例外，这种例外主要是由于黏结剂用量、凉料温度及重锤比压或振动参数的影响。黏结剂用量的影响挤压成型时糊料通过料缸及挤压嘴子对料缸壁及嘴子壁的外摩擦阻力较大，因此要求糊料具有较大的塑性，因而即使同样颗粒组成挤压成型也必须用较多的黏结剂才能得到较好可能偏低。

配方的粒度组成对电阻率的影响不明显，一般到糊缸或成型模中。凉料的目的是为了适当降低料认为电阻率大小主要由原料性能和产品的焙烧或石温和散去糊料中夹带的烟气。为了加速降温及逸出墨化程度决定。在多数情况下，颗粒组成较细配方烟气，经常用轴流风机对准摊在凉料台上的糊料吹的产品比配方颗粒组成较粗的产品物理性能要好一些。压机的料缸，然后经过预压后再将糊料从挤压嘴挤.出来切成所需要的长度。模压一般是一次压一块产.品，糊料按重量一份一份地加入到成型模中。振动.成型基本上与模压法相似，所不同的是振动成型糊料可以在较高的温度下加入到成型模中去。用一般蒸汽加热的混捏锅，当蒸汽压力0.5MPa时，加热1h糊料出锅温度可达135～145℃；如蒸汽压力在0.4MPa加热1h也可达125～135℃(黏结剂为中温沥青)。挤压成型大规格产品时凉料温度到105℃左.右较合适，而振动成型大规格产品糊料装入成型模.时是130℃左右较合适，所以供振动成型的糊料如果出锅温度在130℃附近，则可以不经凉料直接加入成型模，如果出锅温度在140℃左右则应将糊料稍加翻动散去一些沥青烟气并适当降低料温到130℃左右再装入成型模。当振动成型生产小规格制品时，锅糊料若一时用不完，就需要对倒在凉料台上的糊.料采取一些保温措施(如用毛毡盖上)以防其温度下降太快而不能用于成型。振动成型时糊料温度允许较高一些，这与振动成型本身的工艺特点有直接关系，振动成型主要是依靠强烈振动使成型模内的糊.料不断密实，由于强烈而定向的振动使糊料颗粒获得一定的运动速度和加速度，从而克服糊料内部由内聚力及内摩擦力造成的移动阻力及糊料对成型模壁的外摩擦力，糊料温度较高则内摩擦阻力较小，“流动性”好有利于振实。糊料本身的“流动性”对产品密实过程有很大的影响，而糊料本身的“流动性”在很大程度上受到黏结剂黏度的影响。煤沥青是热塑性材料，在软化温度以下呈固体状态，加热到软化温度附近呈软化状态，再进一步加热呈液体状态。.温度越高，液体状态的沥青黏度越小，流动性越好。不同产地的煤沥青由于沥青组分总有一些差别，即使软化温度相似，但黏度大小及其变化规律也有一定差别。振动成型的糊料温度不是越高越好，因为.温度越高沥青的氧化及分解作用加速，沥青会“老化”，并使糊料中夹带的气体增多，虽然加料及振动过程中可以排出部分气体，但气体太多了也排不净。这样，成型后的产品不仅体积密度低，而且容易产生裂纹，因此要不断总结经验，选择合适的下料温度。

模具的温度对振动成型产品的质量也有较大影响，特别是对产品表面粗糙度的影响，模具温度高，产品表面就比较光洁。遇有下料时糊块温度不一，可通过模具的热量将糊料全部加热到软化状态，使.糊料温度和模具温度差不多。如下料温度为130℃左右模具温度也应达到这个水平，如能再高出5～10℃则更好，这有利于减少糊料对成型模壁的摩擦力，当成型上部形状比较复杂的产品时(如顶面带导电杆塞孔的大型预焙阳极)直接压在料面上的压帽也应当设法加热。

振动时间的影响炭素制品的振动成型属周期性生产，每一个生产周期包括固定成型模、加料、振.动、脱模等操作过程。振动常占去生产周期的一半或一半以上时间，很明显，振动时间对一台设备的生产能力、电耗以及产品质量都有直接的影响，因此对每种规格的产品应选择一个合适的振动时间，这个振动时间既能保证产品质量，又能使设备的生产效率比较高。振动成型经常采用的操作方法是一边振动一边加料，待加料到成型模上口齐平时(或测量到.指定高度)即下降重锤，重锤压在料面上继续振动，振动时间是指重锤下降到接触料面时算起，为了研究产品密实过程(由重锤不断下沉程度间接观察)与.振动时间的关系，曾多次测定了双轴振动台的不同产品振动时间与重锤下沉程度的关系，见图4。

从图4可以看到，重锤接触料面后的开始阶段，重锤下沉速度较快，1min以后渐趋缓慢，5min以后下沉量越来越小，接近平衡状态。当然重锤下沉速度与重锤重量大小(或每单位面积的受压面受到压力的大小)也有关系，但是不管重锤比压多大，总是压上重.锤后的初始阶段重锤下沉较快，越往后下沉量越小，到一定时间后就不再下沉了。a图曲线表示以无烟.煤为主体的炭块糊料，b图曲线表示以石油焦为主体生产石墨电极的糊料，两种料在加上重锤后的下沉速.度有所不同，炭块糊料的可压缩量较小(即重锤下沉.程度较小)，而生产石墨电极的糊料的可压缩量较大，这是因为两种糊料虽然同样是一边振动一边加料，但是炭块配方的黏结剂用量较小，糊料一般呈散粒状，当一边加料一边振动时已得到较大程度的密实，故加.重锤后，压缩量就比较小。通过试验，凡符合图4振.动规律的，其合适的振动时间为：小规格制品如其细长比不太大，重锤比压又较大，振动3～4min；中等规格产品，振动5～6min；大规格产品如比较高，应振动8-10min；如不太高，可振动6～8min。这些经验数据不一定适合所有情况，只能作参考。振动时间以压上重锤后开始计算，并且以经过若干分钟后重锤已不再下沉时作为可以停止振动的标准。

重锤比压的影响振动成型的重锤比压(每单位面积受压面的压力数)，对提高产品密度及缩短振.动时间有明显的影响，重锤的大小应视产品的规格大小而定。应根据产品截面尺寸及产品高度来选择，一般说来，对截面大而不高的产品的重锤比压可选小一些；对细长的产品的重锤比压应选大一些。重锤比压选择的一般规律如下：小规格而且不太高的产品，重锤比压0.1MPa左右即够。中等规格而又比较高的产品(如高度1～1.5m)，重锤比压应提高到0.15-0.25MPa，如质量不能令人满意时可提.高到0.3MPa左右。大规格产品，高度在1m以上应用0.1-0.15MPa的比压，高度在1m以内的可略小一些。目前，实际生产直径200～350mm、长度为1500mm的制品重锤重量可为2～4t。而大规格产品如截面直径600～1000m、高度在1m以内的制品，重锤应达到6～7t。形状细长的产品所用的重锤比压应该比“矮胖”的产品大一些，这是因为炭糊料对压力的传递能力较差，特别对形状细长的.产品如重锤比压较小，重锤压力自上而下衰减，中下.部的产品密实度就会受到影响。从另一方面来说，振动成型时的重锤压力并不是一种静止的压力，重锤也在不断振动中，所以实际上重锤对糊料的压力是高速运动下的冲击力(虽然振幅很小)，比重锤在静止状态下压力要大得多。“矮胖”产品比较矮，由糊料传递给重锤的振幅较大：而细长的产品由于糊料传递距离长，重锤振幅较小，即使是同样的重锤比压，实际产生的压强并不一样，“矮胖”产品糊料表面受到的压强要大一些，所以振动成型的加压不能单纯从重锤比压去考虑，而必须综合以上因素全面衡量。

激动力与振幅的影响对于不同物料及不同规.格产品振动成型应选用不同的激动力和不同的振幅，在实际生产中，激动力和振幅虽然可以调整，但.调整起来也比较费事，如产品的品种和规格变化不大时，只要事先选择一个恰当的激动力和振幅后，就不必经常去调整了；但如产品规格变化较大，则必须.调整激动力，否则会影响产品质量。激动力的大小，一般由克服被振动物体(包括振动台本体、成型模和.糊料的全部重量、反共振弹簧的预紧力等)重量的惯性力决定，显然，被振动物体重量越大，惯性力也应越大，因此生产小规格产品的小型振动台其所需的.激动力比较小，而生产大规格及特大规格产品的大.型振动台所需的激动力比小型振动台大得多。被振.动物体的惯性力在振动频率为一定时，依振幅的大小而变化，即振幅越大，为了克服惯性力所需的激动力也应越大。所以首先要确定适宜的振幅，最适宜的振幅(当振动频率不变时)应使被振动的糊料获得足够的交变速度和加速度去克服糊料内部的内聚力和内摩擦力，以及糊料对成型模的外摩擦力，这样糊.料颗粒便有较好的“流动性”。但是振幅太大了，不仅影响设备寿命，而且噪声也大，从振幅和频率的关系可知，当选用较小振幅时可用较高的频率，而选用.较大振幅时可用较低的频率。目前对一般炭素制品的振动成型来说，振幅在1mm左右就够了，大一些的产品可提高到1.5mm左右。从实际生产中可知，.生产短、粗、胖的产品和细长的产品所要求的激动力应有所不同，这是由于炭素糊料对外力传递作用较差，要使细长产品远离振动中心的糊料也获得足够的交变速度和加速度，就必须采用较大的激动力，否则会影响产品的密实度。如在试制直径880mm、高1600mm的石墨化阳极时，开始用激动力为6.6mm×10⁴N的单轴振动台、6t重锤，产品质量较差；以后改用激动力大得多的双轴振动台，重锤质量只增加到7t，但由于激动力较大所以产品的振实效果就好得多。两种不同的振动台生产的产品在石墨化后的质量比较列于表4。

综上所述，对振动成型所需要的激动力应首先同规格产品在不同位置取样的测量结果。

从表5的分析数据可以看到，产品下部质量比高度方向的分布。一般来说，模压产品的高度受一上部质量好，下部体积密度比上部大0.05g／cm³，抗定限制，单向压制尤其如此。压强度下部比上部大4MPa(上述产品重锤比压为0.05MPa，振动时间为3min)。产品下部质量比上部质量好的原因是：第一，振动成型主要靠振动台的激动力，产品下部直接接触振动台台面，成型模下部：的糊料受到的激动力要比上部大，所以密实度较上部好。第二，产品在焙烧过程中，都会出现黏结剂偏析现象，一般认为挤压产品沿纵长方向的密实度是一样的，但按产品高度方向装入焙烧炉，经焙烧后产品上端一般比下端体积密度小。强度也差一些，那是由于黏结剂部分偏析造成的。振动成型产品同样图5模压成型的单向压制时，产品密度沿高度方向的分布也存在这种现象。由于振动成型生产的生制品本身存在着上下密实程度不致的特点，所以振动成型产品焙烧后的上下部位质量差别一般会更大一些，特别是形状细长的产品。针对上述两种原因，将产品密度较小一头装在下部焙烧，就可以使产品由于成型所引起质量的不均匀性得到改善。

表6所列出的数据是从将生制品密度较大的较好的密实效果。但因糊料对激动力和重锤压力头冲上、而密度较小的一头冲下焙烧的产品取样测的传递同样存在着“沿高度方向的衰减”(自下而上量出来的，由于焙烧过程中沥青下沉恰好改善了原或自上而下)，所以产品的不同部位，特别是形状细来密实程度较差头的质量，使焙烧后上下质量差别相对减少。

从表中测量结果比较可以看到，从密实程度看直接接触振动台台面的产品下部质量1t；或中部质量好，体积密度上部与下部相差0.03g／cm³，抗压强度上部与下部相差7.3MPa。

从上面4个表中比较可以看出，截面较大产品即使采用重锤比压不大，其上下部体积密度可能差别不大，但中部密实度较差，中部体积密度比上部(或下部)低0.069／cm³，抗压强度中部比上部低4.5MPa，比下部低5.1MPa(产品重锤比压为0.0835MPa，振动时间为5min)。

鉴于振动成型产品沿高度方向密度的不均匀性，而且产品越是细长，这种不均匀性越是显著，根据产品的中间部位的密度低于两头的规律，在产品许可的情况下，将立振改为卧振就可以改善产品的这种不均匀性。圆形截面产品改卧振是不大好办的，方形或长方形产品是可以卧振的，但改卧振受到产品长度的一定限制。立振改卧振后，重锤应相应加大以保证重锤比压不变。改卧振后受压面总是要成倍的增加，用原有重锤则比压相应减小，如后(受压面为400mm×1300mm)受压面的面积增加将近1.7倍，所以继续用2t重锤时单位压力下降到不足0.4kg。为了要保持原有重锤比压，则应该将重锤加大到4t。表9列举了850mm×475mm×1050mm大型预焙阳极用卧振方法成型、焙烧后在不同部位取样测量的结果。

从上述结果可以看到，卧振产品沿高度方向密度不均匀性已得到大大改善，产品中间部位的体积密度只比上部或下部小0.01g／cm³(产品重锤比压为0.8kg／cm³，振动时间为3～4min)。