高頻/超聲振動輔助微成形技術(shù)研究進(jìn)展與展望

王春舉，郭斌，單德彬，張曼曼

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)（Micro E-lectro Mechanical System，MEMS）和微系統(tǒng)技術(shù)（Micro System Technology，MST）等由于具有節(jié)省空間、節(jié)約能源、易于重組、便攜輕巧等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、通信領(lǐng)域、軍事應(yīng)用、微電子產(chǎn)品等民用和軍用諸多領(lǐng)域備受青睞［1—3］。法國權(quán)威科技市場研究與分析機(jī)構(gòu)Yole Development于2013年發(fā)布的研究報(bào)告指出，2013年MEMS的全球市場額約為120億美元，預(yù)計(jì)2018年將達(dá)到230億美元，年增長率為13%［4］。該技術(shù)的興起和廣泛應(yīng)用，帶來微型零件需求量的顯著增大，從而對微型零件的制造成本、效率等提出了更高的要求。傳統(tǒng)的微制造技術(shù)在可加工材料種類、制造效率和成本以及微型構(gòu)件類型等方面存在不同程度的不足，限制了其廣泛應(yīng)用，這促進(jìn)了微成形技術(shù)的產(chǎn)生和快速發(fā)展。微成形技術(shù)是采用塑性變形方式制造微型零件的工藝方法，通常定義為成形零件的尺寸或其特征尺寸至少在2個(gè)方向上小于1 mm［1］。微成形技術(shù)繼承了傳統(tǒng)塑性成形的諸多優(yōu)點(diǎn)，如成形效率高、材料利用率高、成本低、工藝簡單以及成形零件性能優(yōu)良和尺寸精度高等，可以采用沖裁、拉深、擠壓、鍛造、模壓和彎曲等多種塑性成形方法，滿足各種復(fù)雜形狀微小零件制造需求，具有巨大的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用前景。然而，微成形技術(shù)并不是傳統(tǒng)塑性成形工藝的簡單等比例縮小，而是一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域。由于存在介觀尺度效應(yīng)，建立在宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)上的塑性變形理論不再適用，傳統(tǒng)的塑性成形設(shè)備和工藝方法已經(jīng)不能滿足微成形的需要。近年來，隨著微成形技術(shù)研究的不斷深入，介觀尺度材料非均勻性、充填流動性能差以及接觸摩擦力大等問題，對微成形工藝的限制越加明顯。為此，一批新的復(fù)合成形工藝如超聲振動、電場、激光等物理場輔助成形，受到了人們的廣泛關(guān)注并獲得了快速發(fā)展。其中，高頻/超聲振動輔助成形具有降低材料塑性變形抗力、接觸面摩擦力，提升材料塑性變形均勻性，抑制裂紋萌生與擴(kuò)展等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛重視。目前，高頻/超聲振動輔助成形已經(jīng)在金屬絲材的拉拔等成形工藝中獲得很好的應(yīng)用。

文中從體積微成形、箔板微成形以及介觀尺度效應(yīng)等3個(gè)方面對微成形的研究進(jìn)展進(jìn)行簡要介紹。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)綜述超聲振動作用下材料的力學(xué)行為、作用機(jī)制以及高頻/超聲振動輔助微成形工藝等方面的研究進(jìn)展，分析超聲振動輔助微成形工藝研究現(xiàn)狀，并對其發(fā)展前景進(jìn)行展望。

1 微成形技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 體積微成形

在體積微塑性成形方面，主要進(jìn)行微齒輪、醫(yī)用支架等微型零件的微成形工藝研究。Saotome等人研究了微型雙齒輪閉式模鍛微成形工藝［5］。Yoshida等人采用錐形沖頭增加內(nèi)部金屬的變形速率，有效提高了手表用微型零件的成形質(zhì)量［6］。Paldan等人開發(fā)了具有可控加熱功能的微成形實(shí)驗(yàn)裝置，用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用的鋁合金支架等溫鍛造成形［7］。傅銘旺等人采用多步鍛造工藝成形出了非軸對稱的微型零件［8］。李建軍和史鐵林等人研究了Zr基非晶合金微反擠壓、熱模壓工藝，成形出了杯件［9］和微型雙齒輪［10］。筆者提出了浮動式模具成形工藝方法，成形出了高質(zhì)量微型齒輪等零件，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)集成形、穿軸和裝配于一體的復(fù)合成形工藝，制造出了滿足使用性能要求的微型雙齒輪零件，如圖1所示［11—12］。目前，體積微成形受到微型模具制造困難、介觀尺度材料流動充填性能差以及接觸摩擦大等因素限制，研究進(jìn)展較緩慢，未來在外加物理場輔助、新材料如非金合金和超細(xì)晶等的應(yīng)用等方向有望獲得更大突破。在應(yīng)用方面，三維尺寸均十分微小的零件應(yīng)用范圍還非常有限，而帶有大面積微結(jié)構(gòu)的宏觀尺寸零件應(yīng)用前景廣闊。

圖1 微型齒輪零件Fig.1 Micro-gears

1.2 箔板微成形

箔板微成形工藝方面，主要開展了箔板微拉深成形、微沖裁成形、微脹形成形以及軟?；驘o模微成形等工藝的研究。Saotome，Vollertsen，Engel和Boissiere等人研究了微拉深成形工藝，并與宏觀拉深成形進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)板厚與晶粒尺寸接近時(shí)，拉深成形極限降低，微拉深破裂時(shí)的沖頭行程明顯減小，現(xiàn)有的破裂準(zhǔn)則難以預(yù)測，并測繪了壓邊力-極限拉深比曲線圖［14—16］。Hirt等人研制了集沖裁、拉深成形于一體的復(fù)合成形模具裝置，解決了微小箔板坯料定位問題［17］。筆者研究了潤滑條件等對箔板微拉深成形的影響，成形出了紫銅、純金等多種材料的微型杯件，如圖2所示［18—19］。在微沖裁成形方面，分為沖孔和落料成形零件2種。Kurimoto和Mori等人，使用SiC纖維沖頭，研究了沖裁次數(shù)對沖頭磨損、沖裁質(zhì)量演變的影響規(guī)律，并采用真空吸附系統(tǒng)把薄板吸附到凹模上，提高了模具壽命和沖裁質(zhì)量，進(jìn)一步研制了多沖頭模具，開展了陣列微孔沖裁成形研究［20—21］。Rhim等人采用微細(xì)電火花加工碳化鎢微沖頭，在銅箔和不銹鋼箔板上成形出了最小直徑為 φ25 μm的微圓孔［22］。筆者使用研制的雙直線電機(jī)驅(qū)動微沖壓成形設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了陣列微孔的沖裁成形，如圖3所示［23］。在落料成形零件方面，楊明等人成功地沖裁成形出了分度圓直徑為200 μm的微型齒輪件［24］。此外，復(fù)雜微流道模具制造難題促進(jìn)了軟?；驘o模成形工藝的發(fā)展，彭林法、劉艷雄等人以微流道燃料電池雙極板為成形對象，研究了橡皮軟膜成形和液壓成形等工藝;劉會霞、管延錦等人開展了激光驅(qū)動飛片微成形、激光箔板彎曲成形等單模或無模成形工藝的研究［25—27］。

圖2 微型杯件［19］Fig.2 Micro-cup

圖3 陣列微孔件［23］Fig.3 Micro-hole array

箔板微成形中模具的微小型腔尺寸、配合間隙等對微型模具的制造和裝配精度提出了更高要求，微型模具容易磨損、壽命不高，材料力學(xué)性能和接觸摩擦介觀尺度效應(yīng)影響更加明顯，這給箔板微型零件的廣泛應(yīng)用帶來了困難。隨著研究的不斷深入，一些新的技術(shù)瓶頸獲得突破，各種物理場助成形、無?；蜍浤３尚我约拔⑿湍＞咴诰€制造-微成形復(fù)合工藝等，將有更快的發(fā)展。

1.3 微成形介觀尺度效應(yīng)

微型構(gòu)件的尺寸或特征尺寸在介觀尺度，即亞毫米至微米量級，接近或達(dá)到晶粒尺寸，該尺度上材料的塑性變形行為明顯區(qū)別于宏觀塑性變形規(guī)律，出現(xiàn)顯著的尺度效應(yīng)現(xiàn)象。Geiger［28］、申煜［29］以及筆者［30］等采用鐓粗實(shí)驗(yàn)研究了材料流動應(yīng)力尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)隨著試樣尺寸的減小，材料的流動應(yīng)力降低，例如當(dāng)比例因子λ減小到0.1時(shí)，材料的流動應(yīng)力降低20%。Raulea等人通過箔板單向拉伸、彎曲等實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)流動應(yīng)力隨著試樣尺寸的減小而減?。?1］。Geiger等人從自由表面對晶界強(qiáng)化影響角度，構(gòu)建了表面層模型等，揭示了流動應(yīng)力尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理［32］。然而，隨著坯料幾何尺寸的減小，流動應(yīng)力并非一直減小。Gau和Ko?等人從板厚/晶粒尺寸角度對這一現(xiàn)象進(jìn)行了歸納總結(jié)，如圖4所示［33—34］。

圖4 試樣尺寸與晶粒尺寸之比N對流動應(yīng)力的影響Fig.4 Grain vs.specimen size effect on the flow stress as function of N

此外，不僅坯料的外形尺寸會對材料塑性變形行為產(chǎn)生顯著影響，而且微小的模具型腔尺寸也會對材料的微成形性能產(chǎn)生明顯影響。筆者采用微模壓實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了晶粒尺寸、型腔尺寸對材料微充填性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)型腔尺寸約為晶粒尺寸2倍時(shí)，材料的微充填性能出現(xiàn)最小值，其影響規(guī)律如圖5所示［35］。同樣，在微沖裁成形中，發(fā)現(xiàn)凸、凹模間隙與晶粒尺寸之比也對微沖裁成形行為有顯著影響［36］。

微成形中，坯料的表面積與體積比增大，摩擦對微成形的影響顯著，摩擦因數(shù)隨著試樣尺寸的減小而增大，產(chǎn)生顯著的摩擦尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。筆者研究了U型拉深中的摩擦尺寸效應(yīng)規(guī)律，并將摩擦性能和機(jī)械性能均非常優(yōu)異的類金剛石（DLC）膜用于微拉深成形，顯著提高了極限拉深比、壁厚均勻性能等［37］。

圖5 不同晶粒與槽寬尺寸比的模壓成形模型［36］Fig.5 Deformation model of coining process with various ratio of grain size and groove width

2 高頻/超聲振動對材料力學(xué)行為的影響

人們通常將頻率高于人類聽覺極限20 kHz的振動稱為超聲振動，而實(shí)際研究和工業(yè)應(yīng)用中，由于受到諸多因素的限制，實(shí)際應(yīng)用的頻率有時(shí)達(dá)不到這么高，但是同樣會獲得類似超聲振動的效果。為此，對高頻率振動和超聲振動2個(gè)方面的研究進(jìn)展一起進(jìn)行綜述和分析。

超聲振動對塑性變形影響的研究，可以追溯到1955 年，Blaha 和 Langenecker［38］對鋅單晶拉伸試驗(yàn)加載超聲振動時(shí)，發(fā)現(xiàn)了材料的變形力突然減小的“軟化現(xiàn)象”，這種變形力突然降低的現(xiàn)象被稱為軟化效應(yīng)，也稱為 Blaha效應(yīng)。Langenecker［39］對鋁單晶進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)，加載超聲振動會有明顯的聲波軟化現(xiàn)象，超聲能量對鋁單晶的軟化程度與鋁單晶在高溫下的軟化程度類似。對鋅單晶加載超聲振動然后去除會相應(yīng)地出現(xiàn)聲波硬化現(xiàn)象，如圖6所示，并且發(fā)現(xiàn)聲波軟化程度和硬化程度隨振動幅度的增大而增強(qiáng)。近年來，Hung［40］、鄭金鑫［41］和溫彤［42］等人研究了多種合金材料的超聲振動壓縮變形行為，發(fā)現(xiàn)材料的塑性變形抗力降低，振動能量較大時(shí)會產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，與之前的研究結(jié)果一致。

在微型試樣力學(xué)性能研究方面，姚喆赫［43］等人開展了介觀尺度高頻振動輔助微鐓粗變形行為研究，發(fā)現(xiàn)變形力降低有3個(gè)方面的機(jī)理:應(yīng)力疊加、聲波軟化以及摩擦力降低，其中聲波軟化是主因，如圖7所示。Hung等人［44］研究了超聲振動和晶粒尺寸以及試樣尺寸的耦合作用，發(fā)現(xiàn)流動應(yīng)力減小的程度隨著試樣微型化更加明顯，試樣尺寸對流動應(yīng)力減小量的影響大于晶粒尺寸，這是因?yàn)榫植孔冃螀^(qū)域吸收了振動能量，位錯(cuò)滑移速度增加，這可以剪切帶大變形區(qū)域得到證明。

圖6 鋅單晶的聲波硬化現(xiàn)象［39］Fig.6 Acoustic hardening in zinc crystals

圖7 介觀尺度微鐓粗變形實(shí)驗(yàn)與有限元分析真應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比Fig.7 Comparison of true stress-strain curves of the micro/meso upsetting from experiment and FE analysis

3 高頻/超聲振動的作用機(jī)理

高頻/超聲振動的作用機(jī)理非常復(fù)雜，其作用機(jī)理與振動頻率、振幅，材料晶體結(jié)構(gòu)以及材料狀態(tài)等多個(gè)因素有關(guān)，其作用機(jī)理還沒有一個(gè)成熟的解釋。通常認(rèn)為，高頻/超聲振動影響金屬塑性成形過程主要有“體積效應(yīng)”和“表面效應(yīng)”兩個(gè)方面。對于體積效應(yīng)，通常的解釋有兩個(gè)方面:一是靜態(tài)應(yīng)力的疊加，它被看作低振幅、低振動能量密度時(shí)降低材料流動應(yīng)力的主要原因;二是坯料內(nèi)部微粒產(chǎn)生振動后活性增大、溫度升高，出現(xiàn)與晶體位錯(cuò)有關(guān)的熱致軟化，坯料的動態(tài)變形阻力隨之降低，它通常被看作是高振幅、高能量密度時(shí)能夠降低材料流動應(yīng)力的主要原因?！氨砻嫘?yīng)”宏觀上表現(xiàn)為材料與工具之間的粘滑減少、產(chǎn)品表面質(zhì)量提高、工具的磨損消耗降低，與振動對變形工具和工件之間的摩擦狀況有關(guān)［45］。

3.1 體積效應(yīng)及理論模型

3.1.1 宏觀解釋及理論模型

宏觀上，對體積效應(yīng)的解釋主要是應(yīng)力疊加原理。鄭金鑫等人在探討施加超高頻振動后的金屬塑性變形時(shí)，給出了基于非局部理論的本構(gòu)描述［46—47］，并利用冪硬化模型代入所得的本構(gòu)關(guān)系中，得到低碳鋼超高頻振動（20 MHz）下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，與實(shí)驗(yàn)所得曲線具有比較高的一致性，說明此理論模型具有一定的理論價(jià)值及參考價(jià)值。另外，何勍［48］等人采用Kircherg公式對應(yīng)變時(shí)間歷程的基本假設(shè)，基于應(yīng)變疊加原理的基本思想，闡述了金屬振動塑性加工平均應(yīng)力減小的原因，給出了體積效應(yīng)機(jī)理的數(shù)學(xué)描述，繼而針對振動塑性拉伸給出了一個(gè)彈粘塑性模型。蔡改貧［49］等人針對低頻脈沖條件下的金屬成形的體積效應(yīng)，提出了一維彈塑性本構(gòu)模型和粘彈塑性本構(gòu)模型。上述模型主要基于現(xiàn)象學(xué)，其適用范圍還不夠大。

3.1.2 微觀機(jī)理

如前所述，Langenecker［39］認(rèn)為在金屬超聲振動輔助成形中存在兩種非線性效應(yīng)，即聲波軟化和聲波硬化。在施加超聲振動后，金屬的流動應(yīng)力立即出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，即聲波軟化;而在停止振動后，有時(shí)會出現(xiàn)材料的流動應(yīng)力高于靜態(tài)成形的現(xiàn)象，使材料發(fā)生了硬化，即聲波硬化，是一種殘留硬化。

關(guān)于聲波軟化的微觀機(jī)理［50］，一種理解是，當(dāng)超聲振動的聲學(xué)應(yīng)力等于金屬材料塑性流動的剪切應(yīng)力時(shí)，由于金屬塑性變形的剪切應(yīng)力那部分由聲學(xué)應(yīng)力來提供，所以金屬材料變形流動應(yīng)力就會大幅度降低。另外一種觀點(diǎn)認(rèn)為［51］，超聲振動改變了材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從位錯(cuò)理論的角度進(jìn)行分析，認(rèn)為超聲振動給位錯(cuò)的遷移和增殖提供了能量，對于硬態(tài)材料會降低位錯(cuò)密度，從而產(chǎn)生聲波軟化現(xiàn)象。

關(guān)于聲波硬化，Langenecker［39］在對單晶鋅拉伸過程間歇性加振發(fā)現(xiàn)，每次間歇加振停止后其應(yīng)力回升至靜態(tài)拉伸應(yīng)力曲線之上，并且隨著振動能量密度的增大，其回升位置越高，硬化現(xiàn)象越明顯。這說明，聲波硬化的產(chǎn)生與輸入的超聲振動能量相關(guān)。

近來，姚喆赫［52］等人發(fā)現(xiàn)聲波軟化效應(yīng)與振幅（或聲能量密度平方根）成正比，殘留硬化效應(yīng)受振幅與加載施加影響。為此，基本晶體塑性理論，提出了無量綱應(yīng)力比例因子，并構(gòu)建了其與聲能量密度的關(guān)系式，用于描述聲波軟化效應(yīng);采用S曲線描述實(shí)驗(yàn)中獲得的殘留應(yīng)力增加與加載時(shí)間之間的關(guān)系。通過歸一化處理獲得了模型，預(yù)測的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。

3.2 表面效應(yīng)

對于表面效應(yīng)，一般認(rèn)為可能有以下幾種原因:1）加工工件與工具之間由于振動而產(chǎn)生瞬間分離;2）摩擦力矢量反向使得在振動周期的部分時(shí)間里摩擦力反而有利于變形加工;3）局部熱效應(yīng)的作用使得局部粘焊現(xiàn)象減少;4）振動改善了加工潤滑條件［53］。以超聲振動輔助擠壓工藝為例，實(shí)際擠壓速度為擠壓速度與振動速度之和。如果擠壓速度低于最大振動速度，在一個(gè)振動周期內(nèi)，模具和工件沒有發(fā)生接觸或者接觸減少甚至有可能產(chǎn)生間隙，這樣就會使其表面的摩擦力減小［54］。另外，摩擦力的方向隨著模具/工件界面的相對運(yùn)動方向不斷改變而變化，當(dāng)摩擦力與擠壓力同向時(shí)，摩擦利于成形，促進(jìn)材料流動［55］。

4 高頻/超聲振動輔助微成形工藝

在傳統(tǒng)塑性成形中，高頻/超聲振動的實(shí)現(xiàn)非常困難，因而制約了其應(yīng)用范圍。目前，高頻/超聲振動在線材拉拔工藝中應(yīng)用較多。陳維山等人開展了20.445 kHz超聲振動下直徑φ260 μm的不銹鋼拉絲工藝研究，拉拔力均值降低27.9%，顯著提高了工藝穩(wěn)定性，并采用瞬態(tài)力學(xué)分析方法進(jìn)行了拉絲變形數(shù)值模擬研究［56］。隨著微成形技術(shù)的發(fā)展，微成形件尺寸小、功率要求低等特點(diǎn)，使得高頻/超聲振動輔助微成形非常容易實(shí)現(xiàn)，受到微成形研究領(lǐng)域?qū)W者的高度關(guān)注。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在高頻/超聲振動輔助微沖裁、微擠壓、微拉深以及降低摩擦力和提高表面質(zhì)量等方向開展了深入研究。

在微沖裁成形方向，Takemasu等人在40 kHz超聲振動下沖裁成形出了直徑φ130 μm的微孔，結(jié)果表明，撕裂帶明顯減小甚至消失，斷面質(zhì)量顯著提高。在對0.1 mm厚的不銹鋼板進(jìn)行有無超聲振動輔助沖孔研究中發(fā)現(xiàn)，沖裁深度為0.07 mm時(shí)，兩種情況下的斷裂面均沒有裂紋產(chǎn)生;深度為0.08 mm時(shí)，無超聲振動輔助時(shí)，裂紋從上、下刃口處產(chǎn)生，并沿著凸、凹模邊緣的連線擴(kuò)展重合，而當(dāng)有超聲振動輔助時(shí)，在此階段仍無裂紋產(chǎn)生，如圖8所示。通過SEM觀察斷面，發(fā)現(xiàn)有無振動時(shí)，剪切帶粗糙度都很小;但是無超聲振動時(shí)，斷面約有25%的斷裂帶，而在有超聲振動時(shí)，有一些淺條紋溝槽散落在出口附近，這些溝槽像是沖裁后期微裂紋產(chǎn)生的跡象，如圖9所示。原因是超聲振動抑制了破壞性裂紋的萌生與擴(kuò)展［57—58］。Witthauer等人研究了沖裁過程中聲波軟化與硬化的作用規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在高速沖裁時(shí)，超聲振動能夠減弱應(yīng)變率的影響，沖裁力降低可達(dá)30%;在低速沖裁中，聲波硬化會產(chǎn)生累積效應(yīng)，能夠增加其延展性，但對沖裁力的影響很?。?9］。筆者也開展了高頻/超聲振動輔助微沖裁研究。在1 kHz高頻振動輔助下，斷面光亮帶比例有所提高，其粗糙度亦降低，并且，該粗糙度隨著振幅的增加而降低［60］。在超聲振動輔助下，最大沖裁力降低5%，沖裁斷面更加平整，粗糙度降低。在進(jìn)一步的機(jī)理研究中發(fā)現(xiàn)，超聲振動作用下裂紋萌生較晚，撕裂帶角度較小，導(dǎo)致撕裂帶更加平整［61］。

圖8 半沖裁孔剪切面照片［58］Fig.8 Photographs of sheared surface in half pierced micro-holes

在微擠壓成形方向，Ngaile 和 Bunget［55—62］等設(shè)計(jì)了超聲振動微擠壓成形系統(tǒng)，如圖10所示，實(shí)驗(yàn)研究了超聲振動對成形載荷和工件表面質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)超聲振動使模具/工件表面上產(chǎn)生很高的瞬間相對速度，不易形成粘著摩擦，改善了潤滑條件。同時(shí)，摩擦力的方向隨著模具/工件界面的相對運(yùn)動方向不斷改變而變化，有利于材料流動。在正擠桿-反擠杯的擠壓實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在超聲振動輔助情況下杯高要比無振動輔助高20%左右。擠壓過程中溫度的升高是由振動摩擦和塑性變形共同影響的，加載超聲振動后的溫度是傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)溫度的5倍。選擇合適的潤滑劑后，超聲振動在微擠壓過程中減小成形力達(dá)10%～25%，原因是摩擦力和材料塑性變形抗力的減小。

圖9 半沖裁孔剪切面SEM照片［58］Fig.9 SEM photographs of sheared surface in half pierced microholes

圖10 超聲振動微擠壓系統(tǒng)示意及實(shí)物Fig.10 Schematic diagram and photograph of the ultrasonic micro-extrusion system

在微拉深成形方向，黃佑民等人搭建了20kHz超聲振動輔助微拉深模具系統(tǒng)，超聲振動施加到壓邊圈上，研究了振幅、板厚等微拉深成形工藝因素的影響，發(fā)現(xiàn)超聲振動能明顯降低沖頭載荷，振幅越大，沖頭載荷越低，最大降幅可達(dá)32%。相對于常規(guī)拉深，超聲振動輔助拉深有助于增加成形性，改善拉深過程中摩擦行為，并抑制起皺，提高了極限拉深比。比如板厚50，75，100 μm 的箔板，其極限拉深比分別從1.67，1.75，1.83提高至1.83，1.92和2.0;但是，大的振幅如8.6 μm，會導(dǎo)致大的峰值壓邊力，不利于微拉深成形［63—65］。

在降低摩擦力和提高表面質(zhì)量方面，Kumar［66］、吳博達(dá)［67］和姚喆赫［43］等人研究發(fā)現(xiàn)，超聲振動方向與金屬相對運(yùn)動方向一致時(shí)，降低摩擦力效果最佳;隨著振幅的增加，對摩擦力降低的影響越大，但振幅增大到一定程度后，影響降低;高頻/超聲振動能夠降低接觸面表面粗糙度。楊明［68］等人用振動輔助微鍛壓技術(shù)提高金屬箔板表面質(zhì)量，當(dāng)施加一定的壓力時(shí)，在振動輔助條件下表面粗糙度降低更加明顯。此外，材料類型也對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響，如圖11所示，振動輔助微鍛壓前后，磷青銅表面粗糙度下降75%，而鈦箔僅為6%。原因可能是鈦為密排六方結(jié)構(gòu)，滑移系較少，較難發(fā)生位錯(cuò)滑移變形，而此裝置的能量尚不能產(chǎn)生足夠的能量驅(qū)動鈦的滑移而變形。

圖11 高頻振動輔助鐓鍛前后不同箔板的表面形貌（nm）［68］Fig.11 Surface topographies of different foils with vibration-aided micro-forging

5 結(jié)論與展望

高頻/超聲振動在材料塑性成形領(lǐng)域，有著顯著的優(yōu)勢，并受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，在微成形領(lǐng)域，由于容易實(shí)現(xiàn)而有更廣闊的應(yīng)用前景。通過綜述文獻(xiàn)后，可得到以下結(jié)論。

1）微成形技術(shù)獲得了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展，在體積微成形、箔板微成形以及介觀尺度效應(yīng)等多個(gè)方面均開展了大量而深入的研究。目前，已經(jīng)成形出多種微型零件，在微電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械以及其他微系統(tǒng)中獲得了應(yīng)用。

2）高頻/超聲振動作用下，材料的塑性變形抗力減小、摩擦因數(shù)降低，能夠顯著提高材料的塑性成形性能;在一定條件下，也會產(chǎn)生殘留硬化現(xiàn)象。目前，關(guān)于高頻/超聲振動作用下材料變形力減小的解釋主要有:應(yīng)力疊加、聲波軟化和摩擦力降低，其中聲波軟化是主因。

3）高頻/超聲振動已經(jīng)應(yīng)用于微擠壓、微沖裁、微拉深等多個(gè)微成形工藝中，在降低成形力、提高成形性能和成形件質(zhì)量等方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，更重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)僅靜態(tài)加載無法實(shí)現(xiàn)的效果，而且具有易于實(shí)現(xiàn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

高頻/超聲振動輔助微成形已經(jīng)取得了很好的效果，并獲得較為廣泛的認(rèn)可，但是由于受到諸多因素的限制，其作用機(jī)理還不是很清楚，理論研究也有待完善。

1）由于存在介觀尺度效應(yīng)等，傳統(tǒng)的塑性成形理論不能很好地指導(dǎo)微成形工藝研究，急需構(gòu)建微成形理論體系。目前，微成形工藝主要依靠經(jīng)驗(yàn)，雖然國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在該方向開展了大量研究，但距離構(gòu)建完善的理論體系還有一定距離。未來，可基于晶體塑性理論，綜合考慮材料內(nèi)部尺寸如晶粒尺寸，外部尺寸如坯料尺寸和模具型腔尺寸，構(gòu)建適合微成形分析的材料本構(gòu)模型。

2）高頻/超聲振動對材料的作用與頻率、振幅、材料狀態(tài)等多種因素相關(guān)，對其作用的物理機(jī)制還不是很清楚，有待進(jìn)一步深入研究?，F(xiàn)有的解釋和模型大多是在假設(shè)或理論分析的基礎(chǔ)上給出的，具有說服力的實(shí)驗(yàn)觀察還很少，變形前后材料的微觀結(jié)構(gòu)觀察與分析有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

3）高頻/超聲振動工具或模具的設(shè)計(jì)理論有待完善。高頻/超聲振動受工具尺寸、材料、裝配及接觸狀態(tài)等諸多因素影響，每一個(gè)因素的改變都會對其固有頻率產(chǎn)生較大影響，從而影響其振動效果，需要更系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)。此外，高頻/超聲振動的頻率、振幅等參數(shù)控制有一定難度，尤其是在量化控制方面，還比較困難，需要設(shè)計(jì)更先進(jìn)的高頻/超聲振動驅(qū)動電源和控制器，以實(shí)現(xiàn)振動頻率、振幅以及輸入能量等多參數(shù)的量化調(diào)節(jié)與控制，以適應(yīng)由制造、裝配等差異引起的工具固有頻率的微小變化。

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