Faits:
Faits:
A. A.a B._, ressortissant portugais né en 1958 - alors ouvrier-machiniste de presses auprès du Service d'assainissement de X._ - a été victime d'un accident professionnel le 28 octobre 1998. Il a chuté en descendant d'une échelle, ce qui a provoqué une rupture partielle du tendon du muscle sus-épineux avec conflit sous-acromial de l'épaule gauche, pour laquelle il a subi une intervention chirurgicale (arthroscopie et acromioplastie) le 12 avril 1999. La Caisse nationale suisse d'assurance en cas d'accidents (CNA) a pris en charge le cas.
Reprenant le travail au cours de l'été 1999, B._ a continué à souffrir de cervico-brachialgies gauches. En raison de l'aggravation des douleurs, il a été mis en arrêt de travail, d'abord partiel, puis total à partir du 4 juillet 2000 et adressé à la Clinique Y._, où il a séjourné du 4 octobre au 15 novembre suivant. Dans un rapport du 25 décembre 2000, les médecins de la clinique ont estimé que l'assuré, qui présentait notamment un état dépressif majeur, était totalement incapable de travailler dans sa profession, mais disposait d'une capacité de travail «quasiment totale» dans une activité adaptée (sans port de charges lourdes, ni mouvement répétitif en contrainte du bras gauche, ni ne dépassant l'horizontale). Après avoir requis l'avis du docteur S._, spécialiste FMH en chirurgie orthopédique, et examiné à son tour l'assuré, le docteur O._, médecin-conseil de la CNA, a indiqué que la mobilité passive de l'épaule était difficile à évaluer à cause d'une défense volontaire de la part du patient, l'impression qui prévalait étant celle d'un trouble fonctionnel sans relation avec les lésions organiques démontrables; il concluait qu'une capacité de travail entière dans une activité adaptée, exercée à hauteur d'établi, était exigible (rapport d'examen du 31 janvier 2002).
Par décision du 21 mars 2002, confirmée le 3 mai 2002 sur opposition de l'assuré, la CNA a alloué à B._ une rente d'invalidité fondée sur un taux d'invalidité de 39 % à compter du 1er mai 2002, ainsi qu'une indemnité pour atteinte à l'intégrité d'un taux de 5 %.
A.b Entre-temps, le 4 décembre 2000, l'assuré a présenté une demande de prestations de l'assurance-invalidité. Après avoir mis en oeuvre un stage d'observation professionnelle, l'Office de l'assurance-invalidité pour le canton de Vaud (ci-après: l'office AI) a recueilli des renseignements médicaux, notamment auprès de la doctoresse E._ de l'Hôpital Z._ (rapport du 6 février 2001). Il a par ailleurs chargé son Service médical régional (SMR) d'examiner l'assuré. Au terme d'un examen clinique et psychiatrique, les docteurs F._ et V._ ont diagnostiqué une limitation fonctionnelle sur contracture musculaire cervico-scapulaire après acromio-plastie arthroscopique et lésion partielle du sus-épineux de l'épaule gauche, ainsi qu'un trouble somatoforme douloureux; selon eux, cette atteinte psychique ne justifiait pas une incapacité de travail, l'assuré étant par ailleurs en mesure d'exercer une activité adaptée à plein temps (rapport du 10 septembre 2002). Se fondant sur leurs avis, ainsi que sur les pièces médicales de la CNA apportées au dossier, l'office AI a, par décision du 5 mars 2003, confirmée par décision sur opposition du 31 juillet 2003, rejeté la demande de prestations. Il a considéré que l'assuré était en mesure d'exercer une activité adaptée à plein temps qui lui permettait de réaliser un revenu de 45'016 fr. 80; la perte économique (de 38,09 %) en résultant par comparaison avec le revenu obtenu avant l'invalidité n'était pas susceptible d'ouvrir le droit à une rente.
A.b Entre-temps, le 4 décembre 2000, l'assuré a présenté une demande de prestations de l'assurance-invalidité. Après avoir mis en oeuvre un stage d'observation professionnelle, l'Office de l'assurance-invalidité pour le canton de Vaud (ci-après: l'office AI) a recueilli des renseignements médicaux, notamment auprès de la doctoresse E._ de l'Hôpital Z._ (rapport du 6 février 2001). Il a par ailleurs chargé son Service médical régional (SMR) d'examiner l'assuré. Au terme d'un examen clinique et psychiatrique, les docteurs F._ et V._ ont diagnostiqué une limitation fonctionnelle sur contracture musculaire cervico-scapulaire après acromio-plastie arthroscopique et lésion partielle du sus-épineux de l'épaule gauche, ainsi qu'un trouble somatoforme douloureux; selon eux, cette atteinte psychique ne justifiait pas une incapacité de travail, l'assuré étant par ailleurs en mesure d'exercer une activité adaptée à plein temps (rapport du 10 septembre 2002). Se fondant sur leurs avis, ainsi que sur les pièces médicales de la CNA apportées au dossier, l'office AI a, par décision du 5 mars 2003, confirmée par décision sur opposition du 31 juillet 2003, rejeté la demande de prestations. Il a considéré que l'assuré était en mesure d'exercer une activité adaptée à plein temps qui lui permettait de réaliser un revenu de 45'016 fr. 80; la perte économique (de 38,09 %) en résultant par comparaison avec le revenu obtenu avant l'invalidité n'était pas susceptible d'ouvrir le droit à une rente.
B. B._ a déféré cette décision au Tribunal des assurances du canton de Vaud qui a fait verser à la procédure le dossier de la CNA. Statuant le 9 septembre 2004, le tribunal a débouté l'assuré.
B. B._ a déféré cette décision au Tribunal des assurances du canton de Vaud qui a fait verser à la procédure le dossier de la CNA. Statuant le 9 septembre 2004, le tribunal a débouté l'assuré.
C. B._ interjette un recours de droit administratif contre ce jugement dont il demande l'annulation. Sous suite de frais et dépens, il conclut principalement à l'octroi d'une rente entière de l'assurance-invalidité; à titre subsidiaire, il demande le renvoi de la cause à la juridiction cantonale pour qu'elle ordonne une expertise psychiatrique.
L'office AI conclut au rejet du recours, tandis que l'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer.

Considérant en droit:
Considérant en droit:
1. 1.1 Le litige porte sur le droit du recourant à une rente de l'assurance-invalidité, singulièrement sur le degré d'invalidité qu'il présente.
1.2 Le droit applicable est déterminé par les règles en vigueur au moment où les faits juridiquement déterminants se sont produits, étant précisé que le juge n'a pas à prendre en considération les modifications du droit ou de l'état de fait postérieurs à la date déterminante de la décision litigieuse (<ref-ruling> consid. 1.2.1, 129 V 4 consid. 1.2). Aussi, le droit éventuel à une rente d'invalidité, qui prendrait naissance au plus tôt en juin 2001 (<ref-law>; cf. certificat médical du docteur D._ du 5 juin 2000 et courrier de la Ville de X._ à la CNA du 3 novembre 2000), est-il régi par les dispositions de la LAI en vigueur jusqu'au 31 décembre 2002 pour la période courant jusqu'à cette date, et par les nouvelles règles introduites par la LPGA pour la période postérieure (<ref-ruling> et les références; voir également <ref-ruling>). En revanche, les modifications de la LAI du 21 mars 2003 (4ème révision de la LAI), entrées en vigueur le 1er janvier 2004 (RO 2003 2852) ne sont pas applicables au présent cas.
1.3 Les premiers juges ont exposé les règles légales (dans leur teneur en vigueur à partir du 1er janvier 2003) relatives à la notion d'invalidité, à l'échelonnement du droit à une rente et à la manière d'évaluer le taux d'invalidité. Ils ont également rappelé la jurisprudence rendue en matière de troubles somatoformes douloureux (cf. <ref-ruling>), ainsi que celle sur l'appréciation de la valeur probante des rapports médicaux. Dès lors que la LPGA n'a pas modifié les notions d'incapacité de travail, d'incapacité de gain, d'invalidité et de méthode de comparaison des revenus dans l'assurance-invalidité (<ref-ruling>), il suffit de renvoyer à leurs considérants sur ces points.
1.4 Le jugement entrepris porte sur des prestations de l'assurance-invalidité. Selon l'art. 132 al. 1 OJ dans sa version selon le ch. III de la loi fédérale du 16 décembre 2005 portant modification de la LAI (en vigueur depuis le 1er juillet 2006), dans une procédure concernant l'octroi ou le refus de prestations d'assurance, le Tribunal fédéral des assurances peut aussi examiner l'inopportunité de la décision attaquée et n'est pas lié par la constatation de l'état de fait de l'autorité cantonale de recours. En vertu de l'art. 132 al. 2 OJ, ces dérogations ne sont cependant pas applicables lorsque la décision qui fait l'objet d'un recours concerne les prestations de l'assurance-invalidité. Selon le ch. II let. c de la loi fédérale du 16 décembre 2005, l'ancien droit s'applique aux recours pendants devant le Tribunal fédéral des assurances au moment de l'entrée en vigueur de la modification. Dès lors que le recours qui est soumis au Tribunal fédéral des assurances était pendant devant lui au 1er juillet 2006, son pouvoir d'examen résulte de l'art. 132 OJ dans sa teneur en vigueur jusqu'au 30 juin 2006.
1.4 Le jugement entrepris porte sur des prestations de l'assurance-invalidité. Selon l'art. 132 al. 1 OJ dans sa version selon le ch. III de la loi fédérale du 16 décembre 2005 portant modification de la LAI (en vigueur depuis le 1er juillet 2006), dans une procédure concernant l'octroi ou le refus de prestations d'assurance, le Tribunal fédéral des assurances peut aussi examiner l'inopportunité de la décision attaquée et n'est pas lié par la constatation de l'état de fait de l'autorité cantonale de recours. En vertu de l'art. 132 al. 2 OJ, ces dérogations ne sont cependant pas applicables lorsque la décision qui fait l'objet d'un recours concerne les prestations de l'assurance-invalidité. Selon le ch. II let. c de la loi fédérale du 16 décembre 2005, l'ancien droit s'applique aux recours pendants devant le Tribunal fédéral des assurances au moment de l'entrée en vigueur de la modification. Dès lors que le recours qui est soumis au Tribunal fédéral des assurances était pendant devant lui au 1er juillet 2006, son pouvoir d'examen résulte de l'art. 132 OJ dans sa teneur en vigueur jusqu'au 30 juin 2006.
2. La juridiction cantonale a retenu que l'assuré disposait, sur le plan physique, d'une capacité de travail entière dans une activité adaptée (à savoir n'impliquant pas de mouvement du membre supérieur gauche au-delà de 90°, ni port de charges lourdes et mouvements répétitifs contraires au membre supérieur gauche). Elle a par ailleurs nié le caractère invalidant du trouble somatoforme douloureux diagnostiqué par les médecins du SMR, conformément aux conclusions de leur rapport du 3 septembre 2002 (recte 10 septembre). Elle en a déduit que l'invalidité du recourant ne résultait que d'atteintes somatiques et que l'office AI avait correctement apprécié le degré d'invalidité de l'assuré en le fixant à 38.09 %.
Le recourant reproche aux premiers juges de n'avoir pas mis en oeuvre une expertise psychiatrique, alors qu'une telle mesure d'instruction était nécessaire en présence d'un trouble somatoforme douloureux et que le rapport des médecins du SMR ne permettait pas de se prononcer sur les questions déterminantes relatives à cette atteinte (genèse de la pathologie psychiatrique, existence d'un trouble de la personnalité, mise en valeur d'une capacité de travail éventuelle). Le recourant soutient également que les limitations physiques et psychiques dont il est atteint l'empêcheraient certainement d'exercer une activité lucrative lui permettant d'obtenir un revenu atteignant 62 % de celui qu'il réalisait sans invalidité et que son taux d'incapacité de travail aurait dû être fixé à 100 %.
Le recourant reproche aux premiers juges de n'avoir pas mis en oeuvre une expertise psychiatrique, alors qu'une telle mesure d'instruction était nécessaire en présence d'un trouble somatoforme douloureux et que le rapport des médecins du SMR ne permettait pas de se prononcer sur les questions déterminantes relatives à cette atteinte (genèse de la pathologie psychiatrique, existence d'un trouble de la personnalité, mise en valeur d'une capacité de travail éventuelle). Le recourant soutient également que les limitations physiques et psychiques dont il est atteint l'empêcheraient certainement d'exercer une activité lucrative lui permettant d'obtenir un revenu atteignant 62 % de celui qu'il réalisait sans invalidité et que son taux d'incapacité de travail aurait dû être fixé à 100 %.
3. 3.1 Au vu des rapports médicaux au dossier, il est établi que l'assuré souffre d'une limitation fonctionnelle sur contracture musculaire après acromioplastie arthroscopique et lésion partielle du sus-épineux de l'épaule gauche; si cette atteinte l'empêche de reprendre son ancienne activité d'ouvrier-machiniste, le recourant dispose cependant d'une capacité de travail entière dans une activité adaptée. Ainsi, selon le docteur O._, il n'y a pas lieu de considérer le recourant comme mono-manuel et une capacité de travail entière est exigible dans une activité légère, exercée à hauteur d'établi (rapport d'examen du 31 janvier 2002). Le docteur S._ confirme pour sa part les bonnes mobilités de l'épaule gauche, déjà signalées par les médecins de la Clinique Y._ en décembre 2000, attestant d'une récupération fonctionnelle complète, ainsi qu'une excellente conservation des masses musculaires (cf. rapport d'examen du 26 septembre 2001). Sur la question de la capacité de travail du recourant du point de vue somatique, le jugement entrepris n'est dès lors pas critiquable.
3.2 Sur le plan psychiatrique, les docteurs F._ et V._ ont diagnostiqué un trouble somatoforme douloureux, en précisant que l'état dépressif majeur dont avait fait état le docteur A._ de la Clinique Y._, le 13 octobre 2000, n'était plus présent lors de leur examen. Selon eux, l'affection psychique diagnostiquée ne justifiait pas une incapacité de travail, ni ne limitait la reprise d'une activité professionnelle adaptée à à plein temps.
Contrairement à l'avis des premiers juges, cette appréciation n'emporte pas la conviction. Dans la partie de leur rapport (du 10 septembre 2002) consacrée à l'évaluation psychiatrique du recourant, les médecins du SMR se sont en effet limités à décrire l'entretien avec la psychiatre de manière relativement sommaire («statut psychiatrique»), puis à en déduire quelques lignes plus loin («diagnostic et appréciation consensuelle du cas») le diagnostic de trouble somatoforme douloureux qualifié de non invalidant. Leur conclusion n'est cependant pas mise en relation avec les constatations précédentes, de sorte qu'il n'est pas possible de voir sur quels éléments les médecins se sont fondés pour arriver à leur diagnostic.
Par ailleurs, comme le relève à juste titre le recourant, le rapport du SMR ne permet pas de se faire une opinion sur la vraisemblance de l'état douloureux qu'il présente, ni sur ses ressources psychiques. Les médecins constatent certes que l'assuré reste dans l'ensemble fixé sur ses douleurs, sans toutefois porter une appréciation sur la symptomatologie douloureuse et tout en affirmant que le trouble somatoforme douloureux n'atteint pas le seuil diagnostic invalidant. Leur rapport ne contient pas non plus les éléments nécessaires pour examiner les critères dégagés par la jurisprudence (et rappelés dans le jugement entrepris) qui sont susceptibles de fonder, exceptionnellement, le caractère non exigible de la réintégration dans le processus de travail (cf. <ref-ruling>, consid. 2.2.4 et les arrêts cités). Sur ce point, il comporte quelques affirmations selon lesquelles la vie sociale du recourant est maintenue et il ne présente pas de troubles dépressifs ou anxieux au moment de l'expertise, sans que les médecins ne cherchent à expliquer pourquoi l'assuré «reste complètement fixé sur sa symptomatologie douloureuse et paresthésique». Or, le docteur F._ avait précisément relevé auparavant la nécessité que l'expert chargé d'une évaluation psychiatrique donne des renseignements sur l'existence éventuelle d'un trouble susceptible d'expliquer l'abandon (tout au moins partiel), par l'assuré, de l'utilisation du membre supérieur gauche, ainsi que sur la genèse du trouble dépressif (diagnostiqué par le docteur A._) et la «curieuse attitude adoptée 2 ans après l'opération de l'épaule gauche» (avis médical du 25 juillet 2002). On ne peut trouver aucune des explications requises dans son rapport du 10 septembre 2002.
Dès lors que l'avis des médecins du SMR, pas plus qu'une autre pièce médicale au dossier, ne permet de répondre à la question décisive qui se pose en présence de troubles somatoformes douloureux: celle de savoir si la personne concernée possède en elle suffisamment de ressources psychiques pour faire face à ses douleurs et réintégrer le circuit économique, eu égard aux critères dégagés par la jurisprudence, une nouvelle expertise psychiatrique s'impose. Aussi, convient-il de retourner la cause à l'office intimé pour instruction complémentaire sous la forme d'une telle expertise - dans le cadre de laquelle il incombera à l'expert de répondre aux questions soulevées ci-dessus -, et nouvelle décision.
Dès lors que l'avis des médecins du SMR, pas plus qu'une autre pièce médicale au dossier, ne permet de répondre à la question décisive qui se pose en présence de troubles somatoformes douloureux: celle de savoir si la personne concernée possède en elle suffisamment de ressources psychiques pour faire face à ses douleurs et réintégrer le circuit économique, eu égard aux critères dégagés par la jurisprudence, une nouvelle expertise psychiatrique s'impose. Aussi, convient-il de retourner la cause à l'office intimé pour instruction complémentaire sous la forme d'une telle expertise - dans le cadre de laquelle il incombera à l'expert de répondre aux questions soulevées ci-dessus -, et nouvelle décision.
4. Vu la nature du litige, la procédure est gratuite (art. 134 OJ). Le recourant, représenté par un avocat, obtient gain de cause, de sorte qu'il a droit à des dépens à la charge de l'intimé (art. 159 al. 1 en corrélation avec l'art. 135 OJ).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral des assurances prononce:
Par ces motifs, le Tribunal fédéral des assurances prononce:
1. Le recours est admis en ce sens que le jugement du Tribunal des assurances du canton de Vaud du 9 septembre 2004 et la décision de l'Office de l'assurance-invalidité pour le canton de Vaud du 31 juillet 2003 sont annulés, la cause étant renvoyée audit office pour qu'il procède conformément aux considérants.
1. Le recours est admis en ce sens que le jugement du Tribunal des assurances du canton de Vaud du 9 septembre 2004 et la décision de l'Office de l'assurance-invalidité pour le canton de Vaud du 31 juillet 2003 sont annulés, la cause étant renvoyée audit office pour qu'il procède conformément aux considérants.
2. Il n'est pas perçu de frais de justice.
2. Il n'est pas perçu de frais de justice.
3. L'intimé versera au recourant la somme de 2'500 fr. (y compris la taxe sur la valeur ajoutée) à titre de dépens pour la procédure fédérale.
3. L'intimé versera au recourant la somme de 2'500 fr. (y compris la taxe sur la valeur ajoutée) à titre de dépens pour la procédure fédérale.
4. Le Tribunal des assurances du canton de Vaud statuera sur les dépens pour la procédure en première instance au regard de l'issue du procès de dernière instance.
4. Le Tribunal des assurances du canton de Vaud statuera sur les dépens pour la procédure en première instance au regard de l'issue du procès de dernière instance.
5. Le présent arrêt sera communiqué aux parties, au Tribunal des assurances du canton de Vaud et à l'Office fédéral des assurances sociales.
Lucerne, le 13 juillet 2006
Au nom du Tribunal fédéral des assurances
p. la Présidente de la IIe Chambre: La Greffière: