超聲振動對板材固體顆粒介質(zhì)成形的影響

曹秒艷，李建超，楊卓云，趙長財，畢 江

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超聲振動對板材固體顆粒介質(zhì)成形的影響

曹秒艷1，李建超2，楊卓云2，趙長財2，畢 江2

(1.燕山大學(xué)機械工程學(xué)院，秦皇島 066004；2. 燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點實驗室，秦皇島 066004)

針對常規(guī)變形方法難以實現(xiàn)的輕合金板成形問題，綜合固體顆粒介質(zhì)成形和超聲振動塑性成形技術(shù)，提出超聲激勵顆粒介質(zhì)成形工藝。采用ABAQUS對變幅桿及凹模按照20 kHz工作頻率進(jìn)行設(shè)計并展開模態(tài)及諧響應(yīng)分析，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計并制造了最大輸出功率1.5 kW的板材超聲激勵顆粒介質(zhì)成形模具，進(jìn)行AZ31B筒形件熱態(tài)拉深試驗，研究超聲振動對板材顆粒介質(zhì)拉深成形的影響。結(jié)果表明：超聲激勵促進(jìn)顆粒介質(zhì)的流動性及其傳壓性能；超聲激勵影響鎂合金板材的極限拉深比，在振幅為6.7~11.6 μm范圍內(nèi)，該極限拉深比呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律。超聲振動可以降低最佳壓邊力及成形載荷并抑制法蘭區(qū)起皺，并且成形載荷隨著超聲振幅的增加，載荷降低比例越高。

顆粒介質(zhì)；超聲振動；板材；成形

隨著汽車、航空航天、軍工等行業(yè)的快速發(fā)展以及環(huán)境污染、能源危機等問題的日益突出，板材零件制造向高效率、低成本、柔性化方向發(fā)展。一些薄壁、高精、深腔、形狀復(fù)雜的鋁、鎂等輕質(zhì)合金鈑金件的需求越來越大。但是，輕合金材料由于低塑性和成形性能差，使得傳統(tǒng)成形技術(shù)面臨挑戰(zhàn)，例如復(fù)雜曲面成形時存在工序復(fù)雜、模具開發(fā)成本高及尺寸精度低等問題，嚴(yán)重影響零件的質(zhì)量和可靠性[1]。針對難成形材料的塑性加工問題，國內(nèi)外開發(fā)出了許多新穎、獨特的板材成形技術(shù)，其中板材超聲振動塑性加工和板材軟模成形是兩種各具特色的材料加工技術(shù)。

1955年，Blaha等[2]將超聲波施加到單晶鋅試樣的靜態(tài)拉伸過程后，觀察到了材料屈服應(yīng)力和流動應(yīng)力降低的現(xiàn)象，開創(chuàng)了研究超聲振動對金屬塑性成形過程影響之先河。自此，世界各國的學(xué)者對振動在金屬塑性加工中的應(yīng)用展開了廣泛深入的理論與試驗研究。Huang等[3]和ZHUANG等[4]分別將超聲振動引入鐓鍛和鋁合金壓縮試驗中，均發(fā)現(xiàn)超聲振動可有效降低成形力。Inoue[5]在超聲輔助管材拉拔試驗中發(fā)現(xiàn)超聲振動可以有效減少工件破損和提高表面光潔度及模具壽命。Murakawa等[6?7]和Susan等[8?9]在拉絲工藝中引入超聲激勵，結(jié)果表明超聲激勵有利于減小拉絲力，增加其塑性成形性能。

將超聲振動引入金屬板材塑性加工技術(shù)中，除了具有降低材料塑性變形力，改善產(chǎn)品加工質(zhì)量等一般振動塑性加工的優(yōu)點外，還具有噪音小、無污染等優(yōu)點，是一項綠色節(jié)能加工技術(shù)。當(dāng)前，對該成形方法的研究主要集中于拉深成形[10?11]，國內(nèi)外諸多學(xué)者通過筒形件超聲振動拉深實驗，均發(fā)現(xiàn)超聲振動可降低成形載荷，提高板材成形極限。Langenecker[12]將超聲振動運用于銅板的拉深中，其拉深力由979 N減小至311 N。Jimma等[10]將超聲振動應(yīng)用到薄板拉深成形，對比分析了幾種不同振動方式，發(fā)現(xiàn)軸向振動更有利于板材成形。Okazaki等[11]在鋁箔件超聲振動成形中發(fā)現(xiàn)采用超聲拉深至極限拉深比(LDR)值較高時，在變形后期球面起皺，若不采用超聲波則側(cè)向起皺，而采用先液壓脹形后超聲拉深則獲得質(zhì)量優(yōu)良的制件。Wen等[13]采用鎂合金板材在室溫條件下進(jìn)行了超聲振動拉深試驗，并分析了高頻振動對板材變形行為的影響。Siddiq等[14]通過數(shù)值仿真分析，發(fā)現(xiàn)超聲振動可有效抑制板材破裂，降低板材與模具間的摩擦力，從而實現(xiàn)良好拉深性能。

上述學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)：將超聲振動引入金屬板材塑性加工能有效降低工件與模具間的摩擦力及整體成形力，提高成形零件表面質(zhì)量。超聲振動產(chǎn)生這種效果的原因源于兩大基本效應(yīng)[15?20]：金屬塑性流動時振動對內(nèi)部應(yīng)力影響的體積效應(yīng)和振動對被加工工件與模具間的外摩擦影響的表面效應(yīng)。Langenecker[19]認(rèn)為超聲振動時材料屈服應(yīng)力顯著降低產(chǎn)生的聲學(xué)軟化現(xiàn)象，原因在于超聲振動能夠使位錯繁殖和遷移，增加位錯密度。

板材軟模成形按照傳力介質(zhì)物性不同可以分為液(氣)態(tài)成形、半固態(tài)軟模成形和固態(tài)軟模成形[21]。板材軟模成形技術(shù)由于具有尺寸精度高、制造成本低等優(yōu)點，在高精度、復(fù)雜形狀、薄壁曲面件的成形方面展示出較大潛力，成為當(dāng)前塑性加工領(lǐng)域的研究熱點。WANG等[22]建立了一種軟模體積變形和板材變形耦合的數(shù)值方法，并且經(jīng)過實驗驗證了該方法的有效性。板材液壓成形技術(shù)具有模具成本低、模具制造周期短、成形極限高等特點，且適應(yīng)了當(dāng)今產(chǎn)品的小批量、多品種的柔性發(fā)展方向。LIU等[23]經(jīng)過理論計算得到板材成對液壓成形時不同合模力對應(yīng)的極限液壓力曲線，得到了不同工藝參數(shù)組合對板材變形的影響規(guī)律。氣脹成形工藝由于可實現(xiàn)復(fù)雜外形部件的一次性整體成形，減少裝配零件和附件數(shù)量，從而降低制造成 本[24]。半固態(tài)軟模成形[25](典型代表為黏性介質(zhì)成形)方法在應(yīng)變敏感材料的成形方面有著明顯優(yōu)勢。GAO等[26]經(jīng)過黏性介質(zhì)壓力脹形實驗發(fā)現(xiàn)，選擇強度系數(shù)和加工硬化指數(shù)都較大的值時，有利于覆板成形時板材成形性能的提高。固態(tài)軟模成形(比如：橡膠成形)也已被應(yīng)用于多種不同零件的成形。固體顆粒介質(zhì)成形技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種新型軟模工藝，該工藝采用固體顆粒代替剛性凸模(或彈性體、液體)作為傳力介質(zhì)的對金屬板材予以成形[27]，所采用的顆粒介質(zhì)由粒徑為0.05~0.6 mm的鋼珠、氧化鋁、二氧化硅球體(根據(jù)不同板材選擇不同粒徑和材質(zhì)的介質(zhì))作為傳力介質(zhì)，密封容易，同時還具有零件成形質(zhì)量高，介質(zhì)耐高溫(可達(dá)700 ℃)且可重復(fù)使用，成本投入低廉等優(yōu)點。運用此工藝實現(xiàn)了室溫下不銹鋼板和熱態(tài)下鋁合金、鎂合金板大高徑比零件的一次拉深成形，證明了該成形方法的可行性[27?30]。研究發(fā)現(xiàn)，顆粒介質(zhì)(軟凸模)對板材的摩擦屬于有益摩擦，該摩擦具有保持性且摩擦因數(shù)越大越有利于板材成形；而該技術(shù)的關(guān)鍵在于顆粒介質(zhì)必須具有良好流動性，從而達(dá)到理想的傳力效果，滿足板材成形需要。

鑒于以上分析，將顆粒介質(zhì)成形方法進(jìn)一步拓展和延伸，在顆粒介質(zhì)成形的基礎(chǔ)上引入超聲振動，本文作者首次提出板材超聲振動顆粒介質(zhì)成形(Ultrasonic-vibration granules medium forming, UGMF)工藝。將以AZ31B鎂合金板為研究對象，展開UGMF試驗，研究超聲振動對金屬板材溫?zé)岢尚蔚挠绊憽?/p>

1 板材超聲振動顆粒介質(zhì)成形工藝

板材超聲振動顆粒介質(zhì)成形工藝原理如圖1所示。成形設(shè)備由凹模、壓邊圈(Blank holder, BH)、顆粒介質(zhì)、板材、超聲振動系統(tǒng)、沖頭等組成。其中壓邊圈兼有料筒作用，固體顆粒介質(zhì)填充于由壓邊圈(兼料筒)、沖頭、板材構(gòu)成的封閉腔體內(nèi)。沖頭壓縮固體顆粒介質(zhì)，將壓力傳遞至板材內(nèi)表面使之成形。由文獻(xiàn)[10]研究可知，軸向振動對提高板材LDR更有利，超聲振動系統(tǒng)分為沖頭振動(type Ⅰ)、壓邊圈振動(type Ⅱ)和凹模振動(type Ⅲ)或聯(lián)合振動。

Ashida等[20]運用有限元法研究了板材剛性模拉深成形中，超聲波振動對凹模、凹模圓角、沖頭及壓邊圈摩擦狀態(tài)的影響，研究發(fā)現(xiàn)有超聲激勵且有潤滑條件時摩擦因數(shù)降為0.1，并且凹模圓角施加振動且有潤滑時，摩擦力減小效果最為明顯。因此，本文作者就凹模施加振動激勵的情況展開研究。

圖1 超聲振動激勵軟凸模成形原理圖

超聲振動輔助成形中，由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿及模具等組成的超聲振動系統(tǒng)是加工系統(tǒng)的核心。而變幅桿與模具的正確設(shè)計和連接是使超聲振動振幅有效放大和振動能量最大限度地進(jìn)行傳遞的關(guān)鍵。對于縱向振動變幅桿包括簡單形和復(fù)合形，簡單形指的是某一形狀，如階梯形、圓錐形或者指數(shù)形，而復(fù)合形是由這些簡單形中的幾種形狀組合而成。由于階梯形變幅桿具有在相同的面積系數(shù)下其放大系數(shù)最大的特點，因此本研究中選用該類型變幅桿聯(lián)接于凹模底端，對凹模施加激勵。為了保證整個振動系統(tǒng)處于最佳的諧振狀態(tài)，從而獲得理想的縱向振動激勵，需要對變幅桿及連接模具進(jìn)行合理設(shè)計，盡量減小超聲激勵系統(tǒng)與成形模具機械耦合后的能量損失，同時考慮由于安裝模具而造成的變幅桿諧振頻率、振幅產(chǎn)生的影響。為此，運用ABAQUS有限元軟件對變幅桿及凹模按照工作頻率為20 kHz進(jìn)行設(shè)計并展開模態(tài)及諧響應(yīng)分析，以期得到理想振動效果。

本振動系統(tǒng)中，振動振幅放大由變幅桿完成，而凹模則負(fù)責(zé)將承受的成形力傳遞至外部成形設(shè)備，故將凹模設(shè)計為中間帶有支撐法蘭的兩端等徑圓柱體。變幅桿及凹模分別采用40Cr和Cr12MoV，運用表1中具體材料參數(shù)，分別對變幅桿和凹模進(jìn)行了模態(tài)分析，其中凹模發(fā)生縱向振動時模態(tài)如圖2所示(頻率為20168 Hz)，凹模成形端面振動位移呈現(xiàn)出由中心向邊緣逐漸減小的非均布現(xiàn)象，這說明凹模型腔周邊區(qū)域尤其是凹模圓角位置是能量集中區(qū)域；而支撐法蘭處則為縱向位移零點位置，其位移矢量呈現(xiàn)出徑向由外至內(nèi)的分布特點(局部放大圖)，在拉深過程中模具法蘭部位承擔(dān)縱向載荷時不會因為軸向限制而造成能量消耗以及漏波的發(fā)生。對變幅桿和凹模連接后采用直接法進(jìn)行諧響應(yīng)分析，變幅桿輸入端激勵為=sin(2p)(其中為振動位移，為振幅，為激 勵頻率，為時間)。通過諧響應(yīng)分析得到分別為 2 μm和5 μm時，凹模圓角位置最大振幅為6.2 μm和16.2 μm。

表1變幅桿與凹模材料參數(shù)

Table 1 Material parameters of horn and die

圖2 凹模模態(tài)分析位移矢量圖(頻率f=20168 Hz)

最終確定符合成形要求的變幅桿及凹模的振動系統(tǒng)見圖3所示。該振動系統(tǒng)由換能器、變幅桿及凹模組成，依據(jù)形成振動的原理換能器分為磁伸縮換能器與壓電陶瓷換能器兩種，壓電陶瓷換能器輸出功率大，溫度穩(wěn)定性好，可以在負(fù)載變化情況下產(chǎn)生穩(wěn)定的超聲振動，本實驗中采用夾心式柱型壓電陶瓷換能器，它由前后金屬蓋板、壓電陶瓷元件、電極片以及預(yù)應(yīng)力螺桿構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 超聲波振動系統(tǒng)

設(shè)計超聲波發(fā)生器最大輸出功率1.5 kW，工作頻率20 kHz，且具有±500 Hz范圍內(nèi)自動追蹤起振功能。為研究不同振幅對成形的影響，超聲波發(fā)生器按照最大輸出功率不同分四檔調(diào)節(jié)輸出振幅。為了獲得上述振動系統(tǒng)中凹模端面的實際振幅，采用非接觸式OptoMET數(shù)字型激光多普勒測振儀對該凹模在超聲激勵下振幅進(jìn)行測量，獲得模具各檔位未負(fù)載條件下的頻率和振幅見表2。與模擬分析得到的頻率非常接近，證明了模態(tài)分析的有效性。

表2 凹模的實測振幅

為分析超聲振動激勵在金屬板材顆粒介質(zhì)拉深中的作用和機理，以工業(yè)態(tài)AZ31B鎂合金板材為研究對象，設(shè)計并制造鎂合金板材筒形件UGMF試驗裝置，如圖4所示。

由于鎂合金特殊的密排六方結(jié)構(gòu)，使其室溫條件下成形時，基面滑移占主導(dǎo)地位，滑移方式以孿生為主，此時鎂合金塑性差，變形困難。而隨著溫度的升高，原子振動幅度增大，非基面滑移系開動，多系滑移得以實現(xiàn)，鎂合金的塑性變形能力得到大幅度提升。同時，隨著溫度的升高，鎂合金在熱加工過程中逐步發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶細(xì)化晶粒，使塑性性能進(jìn)一步改 善[31?34]，因此，鎂合金塑性成形一般在溫?zé)釛l件下(150~300 ℃)進(jìn)行，溫度高于300 ℃時，鎂合金容易被氧化且晶粒變粗，塑性下降[31]，因此，本研究中的UGMF試驗在中溫260 ℃條件下進(jìn)行。UGMF試驗裝置由超聲振動器、凹模、支撐框、壓邊圈、加熱裝置及導(dǎo)向等部分組成，壓邊力由彈簧提供。加熱裝置由壓邊圈中均布的8根加熱棒組成，并用4個接觸式熱電偶對成形溫度進(jìn)行實時動態(tài)測量，同時，閉環(huán)溫控系統(tǒng)對成形溫度實施精確控制，從而保證成形板材受熱均勻性。

圖4 AZ31B鎂合金板材UGMF試驗裝置

2 板材UGMF試驗方案

選取厚度為0.8 mm的AZ31B鎂合金坯料拉深成形試驗在WDD-LCJ-150電子多功能拉扭試驗機上進(jìn)行。拉深速度為60 mm/min。拉深模具相關(guān)參數(shù)見表3。拉深前將MoS2均勻涂抹于板材表面作為熱態(tài)成形潤滑劑，然后將顆粒介質(zhì)裝入料筒，介質(zhì)由粒徑為0.12~0.14 mm的球形顆粒組成，其主要成分為SiO2、Al2O3等。板坯置于壓邊圈和凹模之間，并由定位墊片保證坯料處于模具中心位置。待加熱裝置將板材加熱至指定溫度后啟動超聲激勵系統(tǒng)，凹模下行，壓緊彈簧開始拉深成形。

表3 模具尺寸參數(shù)

靜態(tài)拉深時，壓邊可以采用間隙控制和壓邊力(Blank holder force, BHF)控制兩種方式。而在超聲振動時，若采用間隙控制方式時，因顆粒介質(zhì)粒徑較小，超聲激勵將使顆粒介質(zhì)流動性增強并加速從板材與模具間的縫隙中漏出，造成成形內(nèi)壓不足，成形失敗。圖5所示為間隙控制條件下超聲激勵拉深破裂工件，從工件內(nèi)側(cè)的法蘭區(qū)域可以明顯看出顆粒介質(zhì)泄露的軌跡，同時由于超聲振動強大的沖擊作用使顆粒介質(zhì)在板材內(nèi)側(cè)法蘭表面留下劃痕(見圖5中的局部放大圖)，這些位于法蘭區(qū)的顆粒使該區(qū)域摩擦增加，阻礙了板材的進(jìn)一步變形。同時，由于顆粒的泄露造成傳力介質(zhì)體積減少，內(nèi)壓不足，從而使得沖頭直接和板材接觸并留下明顯印記，最終使得工件頂端破裂。

圖5 間隙控制拉深工件

本研究中拉深成形采用變壓邊力控制，壓邊彈簧剛度根據(jù)理論臨界壓邊力[35]設(shè)定，保證在拉深過程中實際提供的壓邊力始終大于臨界力且盡量接近其臨界值，如圖6所示，其理論臨界壓邊力曲線為坯料直徑60 mm，板厚0.8 mm，溫度260 ℃條件下獲得的，按照上述原則確定采用4根剛度系數(shù)為17 N/mm的彈簧進(jìn)行壓邊力控制，預(yù)壓縮量10 mm。試驗過程中可以根據(jù)調(diào)整預(yù)壓縮量實現(xiàn)不同壓邊力控制。

圖6 彈簧壓邊力曲線

3 分析及討論

3.1 超聲激勵下壓邊力對成形的影響

試驗研究不同振幅和壓邊力(即彈簧初始預(yù)壓縮量)條件對板材拉深成形影響。在成形溫度260 ℃，坯料直徑為55 mm時，不同成形條件下的成形結(jié)果，見圖7所示，由圖7可以看出，破裂曲線、起皺曲線均各自集中于某一范圍，兩者之間沒有交叉。對于起皺區(qū)域而言，在相同的彈簧預(yù)壓力作用下，超聲振動條件下拉深高度更高。并且在預(yù)壓力540 N時超聲激勵下可以實現(xiàn)成功拉深，而無超聲激勵則工件法蘭區(qū)域仍有起皺現(xiàn)象。當(dāng)預(yù)壓力750 N時，振幅為8.1 μm超聲激勵后，板材出現(xiàn)頂端開裂現(xiàn)象，而無振動卻可以拉深成功，這是由于振動激勵充當(dāng)了一部分壓邊力，造成了實際施加壓邊力過大。由此可見，超聲激勵作用于凹模后，凹模高速振動產(chǎn)生的能量作用于板材，并由板材傳遞至壓邊圈，引起壓邊圈產(chǎn)生相應(yīng)的受迫振動，這種模具高速瞬時沖擊可以抑制法蘭區(qū)域的起皺，同時振動產(chǎn)生的沖擊力和彈簧原有施加的壓邊力疊加構(gòu)成了實際作用于板材法蘭區(qū)域的壓邊力，由于板材成形中其臨界起皺壓邊力是一定值，故在超聲激勵條件下，可以減小壓邊力的施加。

圖7 振動條件下壓邊力對成形影響曲線

3.2 顆粒介質(zhì)裝料體積對成形的影響

固體顆粒介質(zhì)成形工藝中，固體顆粒承擔(dān)著將沖頭壓力傳力至工件內(nèi)表面的作用，顆粒介質(zhì)特有的非均勻內(nèi)壓直接關(guān)系到成形工件的質(zhì)量，而顆粒裝料體積是影響內(nèi)壓的關(guān)鍵因素之一。凹模在超聲振動激勵下，裝料體積對板材成形的影響相比靜態(tài)拉深更加明顯。試驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)裝料高度低于1倍沖頭直徑時，工件側(cè)壁由于沒有足夠的內(nèi)壓支撐不能緊貼凹模內(nèi)壁而形成直壁段，因此拉深工件形狀呈現(xiàn)錐形，工件很快在沖頭圓角處破裂。這是由于振動激勵下固體顆粒介質(zhì)流動性增強，沖頭壓縮固體顆粒的同時，由于粒徑較小，顆粒能從沖頭圓角與板材縫隙處流出而將充型內(nèi)壓減小，造成顆粒介質(zhì)不能有效傳遞內(nèi)壓，成形失敗。當(dāng)裝料高度在1.5~2倍凹模直徑高度時，成形工件底部可以形成完整球冠及直壁段，從而保證拉深質(zhì)量。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，超聲振動激勵對成形工件自由變形階段端部形狀以及破裂形式均有顯著影響。靜態(tài)拉深時，自由變形區(qū)形狀為一完整半球，而振動激勵下，該自由變形區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐婚L半橢球形狀，出現(xiàn)這一現(xiàn)在的原因在于，凹模上的振動激勵促進(jìn)了顆粒介質(zhì)的流動并改變了其傳力規(guī)律，使得靠近凹模邊壁位置的顆粒介質(zhì)在振動作用下加速向中間區(qū)域移動，進(jìn)而使工件底部變形加大，逐漸成為長半橢球形狀。觀察拉深工件的破裂特征(見圖8)可以發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)拉深時，筒形件在拉深裂口位置接近于球冠邊緣部位且裂口較大，而施加超聲激勵后，無論其振幅大小，工件拉深破裂位置集中于筒形件球冠頂端區(qū)域，且其斷口呈現(xiàn)韌性斷裂特征，裂口較小。這是由于凹模將振動通過板材傳遞至緊貼于工件內(nèi)壁的傳力介質(zhì)，顆粒介質(zhì)在激勵作用下傳力性能顯著增強并且振動能量由邊壁向中間部位集中，在球冠頂端區(qū)域變形加劇，因此工件端部形狀隨之發(fā)生相應(yīng)變化。通過測量發(fā)現(xiàn)振動激勵下斷裂處的板厚較無振動條件下薄，說明超聲振動提高了材料的延展性。

圖8 有無超聲振動下破裂形式

3.3 超聲振動對鎂合金顯微組織的影響

為了研究超聲振動對筒形試件顯微組織的影響，以成形溫度260℃條件下的拉深試件為研究對象，選取不同振動條件下拉深試件進(jìn)行顯微組織分析。采用線切割法分別在工件法蘭處及凹模圓角處取樣，經(jīng)拋光及腐蝕處理后在電子顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀察，如圖9所示。

圖9(a)~(c)所示分別為無振動激勵、振幅為6.7 μm及11.6 μm時法蘭位置的顯微組織。由圖9中可以看出，為6.7 μm時，顯微組織與無振動激勵時相似，主要為等軸晶粒，在晶界位置出現(xiàn)少量動態(tài)再結(jié)晶小晶粒；當(dāng)增至11.6 μm時，晶粒均勻度有所增加。無振動、為6.7 μm及11.6 μm 3種條件下的平均晶粒度分別為9.3 μm、7.6 μm及5.7 μm。

圖9(d)~(f)所示則為無振動激勵、振幅為6.7 μm及11.6 μm時凹模圓角位置的微觀組織。相對于法蘭處而言，凹模圓角位置的晶粒更趨均勻，振幅為6.7 μm時晶粒相比于無振動激勵時有所細(xì)化，且隨著增加至11.6 μm時，晶粒細(xì)化程度及均勻性更為明顯。

造成上述現(xiàn)象的原因在于：拉深過程中，整體法蘭面積較大，并且該處板材與振動模具接觸的緊密程度由壓邊力大小來決定，單位面積上吸收振動能量有限。從圖2可知，超聲激勵下凹模圓角部位有限面積上集中了最大超聲能量，同時板材在該區(qū)域產(chǎn)生彎曲變形，和模具緊密貼合，有效吸收了超聲振動能量。激振能量和凹模圓角部位較大的變形使得該區(qū)域的晶粒進(jìn)一步細(xì)化且均勻度增加，從而使相鄰晶粒更容易產(chǎn)生滑動或轉(zhuǎn)動，使得AZ31鎂合金的變形抗力降低，伸長率升高，改善了材料的塑性成形性能。

圖9 不同振動條件下鎂合金顯微組織比較(成形溫度260℃)

3.4 振幅對鎂合金成形性能的影響

為了研究超聲振動振幅對于鎂合金顆粒介質(zhì)拉深成形性能的影響，在成形溫度為260 ℃條件下，分別進(jìn)行振幅為0 μm(即無振動)、6.7 μm、8.1 μm、11.6 μm、16.5 μm條件下的鎂合金筒形件拉深試驗，得到不同條件下的極限拉深比如圖10所示。從圖10中可以看出，隨著最大振幅增加，極限拉深比出現(xiàn)先升后降的特點。

鎂合金板材超聲振動顆粒介質(zhì)拉深成形過程中，由顆粒介質(zhì)提供的內(nèi)壓使金屬板材緊貼凹模并持續(xù)發(fā)生拉脹成形，凹模高頻軸向振動激勵直接通過法蘭和筒壁部位施加至成形工件上，工件由此產(chǎn)生頻率小于凹模頻率的受迫振動，工件的振動將進(jìn)一步傳遞至顆粒介質(zhì)，由于固體顆粒介質(zhì)的散體摩擦特性，振動能量將在顆粒與顆粒相互擠壓和碰撞過程中以摩擦損失的形式迅速消耗。因此，振動能量將隨著凹模?板材?顆粒的次序依次降低，尤其在顆粒介質(zhì)中損耗嚴(yán)重，這種特點使得金屬板材在凹模高頻軸向振動激勵下與顆粒介質(zhì)間產(chǎn)生沖擊載荷，該沖擊載荷隨著振幅的增加而增大，并且越接近于成形工件底部該載荷沖擊效應(yīng)越明顯。當(dāng)振幅大至某一臨界值時，工件由于承受不住過大的沖擊載荷而出現(xiàn)底部破裂，這就是極限拉深比隨著振幅增加而呈現(xiàn)先升高后降低特點的原因。

圖11所示為直徑為60 mm坯料在彈簧預(yù)壓力為650 N時不同振幅對最大沖壓力max的變化曲線。隨著振幅的增大max明顯降低，為6.7 μm、8.1 μm、11.6 μm、16.5 μm時，對應(yīng)的成形力峰值相對于無振動時成形力的峰值分別降低了38.7%、37.9%、40.6%、55.2%。并且最大成形力隨振幅變化規(guī)律可用二次函數(shù)很好擬合，決定系數(shù)2=0.9995。其擬合曲線及擬合函數(shù)均如圖11所示。

圖10 不同振幅下極限拉深比

圖11 不同最大振幅下最大沖壓力曲線

拉深過程中，由顆粒介質(zhì)壓力作用引起的工件直壁內(nèi)產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力z沿圓周方向均勻分布。該力將法蘭變形區(qū)域的材料逐步拉入凹模，z由法蘭處材料的徑向應(yīng)力、法蘭處單位摩擦力、板材經(jīng)過凹模圓角時彎曲抗力、直壁段的摩擦應(yīng)力組成，其具體表達(dá)式為[29]：

式中：m1為壓邊力在法蘭區(qū)產(chǎn)生的單位摩擦力；m2為板材與凹模筒壁之間的單位摩擦力；m3為板材與顆粒介質(zhì)之間的單位摩擦力；為法蘭徑向應(yīng)力；為工件直壁段軸向應(yīng)力；為板材沿凹模圓角滑動產(chǎn)生的彎曲抗力；為摩擦阻力系數(shù)；為板材與模具表面間的摩擦因數(shù)。

則拉深力可表達(dá)為=2πbz。其中，b為凹模圓筒半徑；為板材厚度。

超聲振動激勵降低板材顆粒介質(zhì)拉深成形力的現(xiàn)象可以歸結(jié)如下原因：

1) 在于顆粒介質(zhì)傳力特性。顆粒介質(zhì)成形工藝中，沖頭逐漸下行壓縮顆粒介質(zhì)將內(nèi)壓施加于板材內(nèi)表面，從而實現(xiàn)板材成形。由于顆粒介質(zhì)之間存在內(nèi)摩擦及介質(zhì)與凹模間的摩擦使得板材內(nèi)壓呈現(xiàn)圖12中的非均勻分布規(guī)律，由工件直壁段與凹模圓角過渡區(qū)域向底部球冠逐漸衰減，這樣的內(nèi)壓分布使得較小部分內(nèi)壓提供了軸向拉深力，直壁段較大的徑向壓力使工件緊貼凹模內(nèi)壁，凹模對工件施加徑向壓力w，該徑向壓力的變化對單位摩擦阻力m2直接產(chǎn)生影響，m2隨著w的增加而上升。凹模施加軸向超聲振動激勵后，顆粒介質(zhì)的流動性增強，從而使顆粒與顆粒、顆粒與板材之間由于摩擦造成的傳壓損耗減小，從而使直壁段徑向內(nèi)壓減小，同時提供軸向拉深力內(nèi)壓增加，顆粒介質(zhì)傳力性能提高，從而有效降低工件與凹模間的單位摩擦阻力m2，由此降低了板材顆粒介質(zhì)拉深力。

圖12 不同最大振幅下最大沖壓力曲線

2) 由于表面效應(yīng)所致，超聲振動使得板材的法蘭變形區(qū)與凹模產(chǎn)生周期性的瞬時分離貼合，使法蘭區(qū)單位摩擦力m1有效降低，且而直壁段與凹模在一個振動周期內(nèi)，有一部分時間摩擦力m2方向與板材流動方向一致，有利于成形，從而使得成形力也相應(yīng)降低。

3) 超聲激勵下產(chǎn)生的體積效應(yīng)，工件拉深成形時凹模圓角處成形時超聲振動能量集中區(qū)域，促進(jìn)了晶粒細(xì)化和均勻，降低了變形抗力。

由上述分析可知，超聲振動有效降低板材顆粒介質(zhì)拉深成形力是由于振動激勵改善了顆粒介質(zhì)傳力性能，同時伴隨著金屬板材表面效應(yīng)與體積效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。

4 結(jié)論

1) 在超聲振動激勵下，顆粒介質(zhì)流動性和傳力效果增強，同時減小模具與板材摩擦，降低金屬板材變形抗力，從而提高板材成形性能。

2) 在超聲激勵條件下工件法蘭區(qū)域由于模具高速振動造成的瞬時沖擊抑制起皺的發(fā)生且由此產(chǎn)生的沖擊力充當(dāng)了一部分壓邊力的功能，故金屬板材最佳壓邊力相比靜態(tài)拉深成形有所降低。

3) 從成形工件塑性變形后的顯微組織來看，超聲振動激勵均使法蘭區(qū)和凹模圓角變形區(qū)的晶粒尺寸有所減小，晶粒均勻度有所增加。

4) 施加超聲激振后，AZ31B拉深成形整體載荷顯著降低，且降低幅度隨著激振能量的增大而增大；同時，顆粒介質(zhì)在激勵作用下傳力性能顯著增強并且振動能量由邊壁向中間部位集中，工件自由變形區(qū)形狀由靜態(tài)拉深時的半球趨向于長半橢球形狀；板材拉深破裂時的斷口位置集中于工件底部中心區(qū)域，且斷口處壁厚明顯小于靜態(tài)拉深工件。

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(編輯 王 超)

Effect of ultrasonic vibration on solid granules medium forming of sheet metals

CAO Miao-yan1, LI Jian-chao2, YANG Zhuo-yun2, ZHAO Chang-cai2, BI Jiang2

(1. College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; 2Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science, Ministry of Education of China, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

For the lightweight alloy sheet which is hard to deform with conventional techniques, ultrasonic-vibration granules medium forming (UGMF) technology was put forward in this work, combining solid granules medium forming with ultrasonic vibration plastic forming technology. Modal analysis and harmonic response analysis of the horn and the concave die were carried out by ABAQUS with the working frequency of 20 kHz. Based on the above research, the UGMF tools of sheet metals with a maximum output of 1.5 kW were designed and manufactured. In order to reveal the effect of ultrasonic vibration on sheet granules medium forming, cylindrical parts thermal drawing test of AZ31B magnesium alloy was performed. The results show that ultrasonic vibration promotes the liquidity and internal pressure transmission performance of granules medium. Meanwhile, the ultrasonic vibration not only reduces the optimal blank holder force and the forming load, but also suppresses wrinkle on the flange. The limit drawing ratio of magnesium alloy sheet first rises then falls with the ultrasonic amplitudes ranging from 6.7 to 11.6 μm. In addition, the reduction percent of forming load increases with the increase of ultrasonic amplitudes.

granular material; ultrasonic vibration; sheet metal; forming

Projects(51305385, 51305386) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(QN20131080) supported by the Science Research Youth Foundation of Hebei Province Universities, China

2015-11-23; Accepted date:2016-04-18

ZHAO Chang-cai; Tel: +86-18533511399; E-mail: Zhao1964@ysu.edu.cn

1004-0609(2016)-10-2118-10

TG146.2

A

國家自然科學(xué)基金資助項目(51305385，51305386)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究青年基金資助項目(QN20131080)

2015-11-23；

2016-04-18

趙長財，教授，博士；電話：18533511399；E-mail: Zhao1964@ysu.edu.cn