超聲振動輔助微塑性成形系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

李 廣，周天豐，梁志強，白亞群，王西彬

（1.北京理工大學先進加工研究所，北京100081；

2.北京理工大學先進加工技術(shù)國防重點學科實驗室，北京100081）

超聲振動輔助微塑性成形系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

李 廣1，周天豐2，梁志強2，白亞群1，王西彬2

（1.北京理工大學先進加工研究所，北京100081；

2.北京理工大學先進加工技術(shù)國防重點學科實驗室，北京100081）

針對微塑性成形工藝過程對位移、力等參數(shù)精確控制的要求，分析了超聲振動輔助成形系統(tǒng)的設(shè)計要點，提出了關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。超聲振動輔助微塑性成形系統(tǒng)由機床本體系統(tǒng)、超聲振動系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)等主要單元組成。機床本體設(shè)計參考四柱液壓機結(jié)構(gòu)形式，采用兩端固支梁和壓桿的簡化模型，計算得到主要結(jié)構(gòu)尺寸，并用ABAQUS驗證其剛度。通過選用匹配的超聲發(fā)生器和換能器，滿足成形過程中的超聲振動要求，利用理想變截面桿縱振波動方程設(shè)計變幅桿結(jié)構(gòu)，并用ABAQUS進行變幅桿模態(tài)分析，確保設(shè)計振幅滿足要求。伺服控制系統(tǒng)采用可編程多軸控制器PMAC卡控制伺服電機，通過光柵尺和力傳感器反饋實現(xiàn)高精度的位置及成形壓力控制。通過測試證明在純銅壓縮試驗中疊加超聲振動，成形壓力顯著降低，成形精度達到4 μm。

超聲振動輔助成形；變幅桿設(shè)計；模態(tài)分析；成形精度

隨著高新技術(shù)的進步，制造領(lǐng)域零部件生產(chǎn)微型化的趨勢進一步發(fā)展，以微型機電系統(tǒng)（micro electro-mechanical system，MEMS）為代表的微型零部件在航空航天、電工電子、生物醫(yī)療及精密儀器等領(lǐng)域的需求與日俱增[1]。傳統(tǒng)集成電路制造工藝是基于硅刻蝕技術(shù)，無法應(yīng)用于金屬材料、塑料等非硅材料微型零部件的加工中，這就要求發(fā)展出一種高效率、低成本、大批量生產(chǎn)微型零部件的制造工藝[2-4]。微塑性成形技術(shù)由傳統(tǒng)塑性成形工藝發(fā)展而來，具有材料利用率高、工藝成本低、加工精度高、可大批量生產(chǎn)等優(yōu)勢，非常適合微型零部件的加工。因此，開展針對微塑性成形工藝的研究，不僅對微成形理論的研究具有促進作用，更能創(chuàng)造實際工業(yè)價值，這對于我國現(xiàn)階段制造技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

盡管微成形技術(shù)由傳統(tǒng)塑性成形技術(shù)發(fā)展而來，但微型零件的加工具有一些區(qū)別于宏觀加工過程的特點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面[5]：① 由于零件尺寸縮小所引起的材料表面積與體積之比增大，從而導(dǎo)致工件與模具之間的表面力、粘結(jié)力對加工工藝影響顯著；②當工件尺寸縮小到一定程度時，基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的宏觀力學不再適用，晶粒取向隨機分布所引起的晶粒受力不均對工件成形的影響顯著；③微小型零件表面儲存潤滑劑的能力差，摩擦力對工藝過程的影響更明顯。

為了克服微塑性成形過程中的尺寸效應(yīng)，采用超聲振動、電場、激光等物理場輔助壓力成形的方法，已成為微塑性發(fā)展的前沿技術(shù)，得到了廣泛的關(guān)注。超聲振動輔助塑性成形具有降低成形抗力和界面摩擦力、提高成形質(zhì)量等特點[6]。Huang等以材料試驗機為平臺搭建了超聲輔助成形系統(tǒng)，使用支架將超聲振動系統(tǒng)固定于試驗機底部，由于材料試驗機本身運動精度等因素，該系統(tǒng)僅能用于宏觀成形試驗[7]。針對微塑性成形工藝，王春舉、付佳偉等開發(fā)了精密微塑性成形系統(tǒng)，采用壓電陶瓷作為驅(qū)動器，能實現(xiàn)微米級的成形控制，而宏觀位移需通過手動調(diào)節(jié)，加工效率不是很理想[1，8]。

本文開發(fā)的成形系統(tǒng)以伺服電機作為運動控制器，提高了運動控制精度，以超聲振動輔助成形技術(shù)，提高了微塑性成形的精度。實驗結(jié)果表明，超聲振動輔助微塑性成形技術(shù)能在保證微成形的基礎(chǔ)上提高加工效率，具有很好的應(yīng)用價值。

1 超聲振動輔助成形系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 機床系統(tǒng)成形精度控制

在微塑性成形工藝過程中，精確控制各項成形參數(shù)是開展成形工藝研究的重要保證，對微塑性成形系統(tǒng)而言，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：① 足夠高的運動分辨率及定位精度；②合適的強度及剛度；③較高的成形精度。系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)見表1。

1.2 超聲振動系統(tǒng)諧振控制

不同于其他超聲振動輔助工藝過程（如：超聲輔助磨削、超聲輔助切削、超聲輔助焊接等），超聲振動輔助塑性成形系統(tǒng)是基于材料塑性成形工藝需求，變幅桿末端同下模具剛性連接，直接承受塑性成形過程抗力。因此，為了實現(xiàn)超聲振動與成形工藝的疊加并保證滿足要求的振動條件，不會在成形過程中發(fā)生過大的振幅變化，這也是開展超聲振動輔助成形試驗的基礎(chǔ)保障。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機械結(jié)構(gòu)

機械結(jié)構(gòu)本體用于固定伺服電機、力傳感器、光柵尺及超聲振子等零部件，是成形過程最終受力部件，其剛度直接關(guān)系到系統(tǒng)的成形精度。參考三梁四柱壓力機的結(jié)構(gòu)框架形式，以四根立柱承擔軸向拉伸載荷，用上、下橫梁承受彎矩，中間活動部位用厚板同四根立柱以滑塊形式連接。伺服電機動力經(jīng)減速機、滾珠絲杠連接到中間模板，模板下方連接力傳感器。光柵尺固定于上橫梁伸出結(jié)構(gòu)，其讀數(shù)頭與中間模板固定連接，超聲變幅桿以法蘭連接到下橫梁。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式見圖1。

上下橫梁撓度計算采用兩端固支梁的撓度計算公式：

式中：B、b分別為空心矩形的外部寬度和內(nèi)部寬度；H、h分別為空心矩形的外部高度和內(nèi)部高度。

各主要結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計結(jié)果見表2。依據(jù)該設(shè)計尺寸，用ABAQUS有限元軟件建立彈性變形分析模型，計算得到機械結(jié)構(gòu)承受1500 N載荷時的彈性變形云圖（圖2）。結(jié)果顯示，上、下模具之間的變形量為52 μm，該變形量引起的誤差可通過運動控制算法消除，詳細方案見3.1節(jié)。

式中：F為載荷；l為橫梁長度；E為彈性模量；I為截面慣性矩，對于等截面空心矩形，I可表示為：

2.2 運動控制系統(tǒng)

運動控制系統(tǒng)用于接收指令協(xié)調(diào)控制成形系統(tǒng)各項運動參數(shù)及處理各種突發(fā)故障，是超聲輔助塑性成形系統(tǒng)的核心。該系統(tǒng)采用伺服電機和滾珠絲杠定位，具有精度好、運動控制柔性化程度高等特點，配合高分辨率光柵尺組成全閉環(huán)運動控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)1 μm的運動控制分辨率，對精確控制成形過程具有非常關(guān)鍵的作用。成形過程的另一個重要因素是成形力的監(jiān)測及控制，這對于工藝過程的控制和分析也至關(guān)重要，在控制環(huán)節(jié)添加一個力控制環(huán)作為輔助控制環(huán)，實現(xiàn)以位移控制為主、力控制為輔的雙重運動控制。

運動控制系統(tǒng)框圖見圖3?？傮w控制過程如下：上位機軟件發(fā)出的目標位置和成形力指令，傳輸?shù)絇MAC控制卡，經(jīng)控制卡采用PID算法運算后輸出控制電壓，再經(jīng)伺服驅(qū)動器放大后對伺服電機進行驅(qū)動和控制；伺服電機輸出端經(jīng)滾珠絲杠驅(qū)動上模具運動，運動過程經(jīng)光柵尺反饋控制；同時，上模具的運動驅(qū)使工件發(fā)生變形，力傳感器實時監(jiān)測該變形抗力，對運動進行反饋控制。

2.3 超聲振動系統(tǒng)

超聲振動輔助成形系統(tǒng)由超聲發(fā)生器、超聲換能器、變幅桿及成形模具等組成[9]。超聲發(fā)生器用于將交流電轉(zhuǎn)換為超聲頻率的電信號，超聲換能器將該電信號轉(zhuǎn)換為超聲頻率機械振動，振動能量經(jīng)變幅桿聚集放大后傳遞到模具用于輔助成形加工。超聲振動系統(tǒng)示意圖見圖4。

超聲振動系統(tǒng)的作用是將電功率轉(zhuǎn)換為變幅桿末端的機械功率，要實現(xiàn)對成形工藝過程的振動輔助疊加，滿足在額定負載下振幅仍保持在設(shè)計振幅附近的要求，所需功率可由公式P=Fv（F為試件成形力；v為變幅桿端面最大速度）得出。變幅桿末端振幅設(shè)計為10 μm，其運動形式為簡諧運動，即：

式中：x為變幅桿端面位移；A為變幅桿振幅；f為變幅桿頻率；t為時間。

鑒于能量傳遞過程有一定的損失，取傳遞效率為η=70%[10]，則超聲發(fā)生器的功率為P=Fv/η，選取功率3 kW的超聲發(fā)生器足以滿足設(shè)計要求。

作為超聲輔助加工系統(tǒng)中的重要部件，超聲變幅桿主要有以下作用[11]：① 將換能器輸出的振動能量聚集到較小的區(qū)域以放大振動幅值，達到可用于機械加工的程度；②充當機械阻抗變換器，更好地匹配換能器和聲負載；③提供固定振動系統(tǒng)的位置（節(jié)面振幅為零處）；④隔離換能器與工作介質(zhì)之間的影響。變幅桿常用的結(jié)構(gòu)材料有鈦合金、鋁合金及鋼，且鋼結(jié)構(gòu)在價格上更有優(yōu)勢。根據(jù)工藝要求，變幅桿的設(shè)計頻率為20 kHz，振幅放大系數(shù)為2，其總體設(shè)計參數(shù)見表3。

變幅桿是一根截面尺寸沿軸向變化的桿，其縱向振動為實際工作過程所需。設(shè)計變幅桿的前提是假設(shè)其由均質(zhì)、各向同性的材料組成，工作時平面縱波沿軸向傳播，桿的同一橫截面上各處應(yīng)力相同。如圖5所示，可得到變截面桿縱振波動方程[8]：

式中：ξ=ξ(x)為波函數(shù)；S=S(x)為橫截面積；k=ω/c為波數(shù)，其中ω為圓頻率，為縱向波速。

變幅桿結(jié)構(gòu)尺寸見表4，其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示。法蘭部分用于固定變幅桿，通常位于變幅桿的節(jié)面，其厚度選擇原則是保證在變幅桿外部負載下有足夠的剛度，但該厚度會對變幅桿原有模態(tài)造成影響。通過ABAQUS有限元軟件進行模態(tài)分析，得到其設(shè)計頻率由19 910 Hz降低至19 589 Hz，該偏差對實驗效果影響不大，處于可接受范圍。圖7是變幅桿在20 kHz附近的模態(tài)，放大系數(shù)滿足要求。

3 成形精度補償與性能測試試驗

3.1 成形精度補償

超聲振動輔助塑性成形系統(tǒng)實物見圖8。根據(jù)仿真結(jié)果，機械結(jié)構(gòu)承受1500 N載荷時，上、下模具之間的位置偏差達52 μm。該偏差屬于線性偏差，通過軟件補償?shù)姆椒勺畲蟪潭鹊販p小對成形精度的影響。使用系統(tǒng)自帶的光柵尺及力傳感器，通過測量無工件情況下的力-位置偏差曲線，用于成形過程補償，具體方案為：通過電機驅(qū)動上、下模具表面接觸，此時力傳感器示數(shù)為零值，同時以該位置作為基準點，繼續(xù)驅(qū)動上模具下行，直到力傳感器示數(shù)達到額定力值，此時光柵尺示數(shù)即為上、下模具間在額定載荷下的變形量。該過程采用PMAC控制卡的數(shù)據(jù)采集功能記錄力與位移量之間的關(guān)系，用于成形補償原始數(shù)據(jù)（圖9）。

成形精度補償過程如下：上位機發(fā)出指令控制伺服電機運動指定量值，該運動量實際為系統(tǒng)變形量與工件成形量之和，即工件成形量為該運動量減去系統(tǒng)在載荷下的變形量。因此，為了滿足實際成形量要求，需額外再進給系統(tǒng)變形量。新的進給量引起成形力繼續(xù)增加，系統(tǒng)變形量也隨之增加，故需繼續(xù)進給額外的變形量。如此往復(fù)，直到誤差降低至2 μm以下。通過精度補償后的系統(tǒng)成形精度達到4 μm，滿足設(shè)計要求。補償過程示例見圖10。

3.2 超聲振動輔助成形試驗

為了驗證超聲振動輔助成形系統(tǒng)的成形能力和超聲振動系統(tǒng)諧振能力，進行了壓縮測試試驗。以直徑2 mm的T2紫銅作為研究對象，截取二段高度均為3 mm的小圓柱，其端面用金相研磨機進行拋光。為測試超聲振動在成形過程中的效果，開展了有、無超聲振動的對比試驗。壓縮成形量均為200 μm，成形速度均為2 μm/s，施加超聲時間50 s。

由圖11可看出，從施加超聲振動開始，試件的成形力從近1000 N降低到400 N左右，成形抗力降低幅度達60%，即超聲振動使材料發(fā)生“軟化”。

4 結(jié)論

（1）本文針對微塑性成形工藝開發(fā)了超聲振動輔助塑性成形系統(tǒng)，實現(xiàn)了超聲振動在塑性成形過程中的疊加。

（2）微塑性成形系統(tǒng)使用了精度補償方法，極大程度地消除了機械結(jié)構(gòu)變形對成形過程的影響，顯著提高了工件的成形精度。

（3）通過對比塑性成形過程中有、無超聲振動情況下的成形力和變形量關(guān)系曲線，驗證了超聲振動對材料成形的“軟化”效應(yīng)，表面超聲振動對成形壓力的減小具有顯著作用。

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Design and Development of Ultrasonic Assisted Micro Forming System

LI Guang1，ZHOU Tianfeng2，LIANG Zhiqiang2，BAI Yaqun1，WANG Xibin2
（1.Advanced Machining Technology Lab.，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Key Laboratory of Fundamental Science for Advanced Machining，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Key parameters of the ultrasonic vibration assisted forming system are analyzed according to the requirements of micro forming process.The ultrasonic vibration assisted forming system consists of the mechanical structure，ultrasonic vibration unit and the servo control subsystem，etc.The fixed end beam and the compression bar are adopted to design the mechanical structure with reference to the four-column press structure for simplification.The structural dimensions are calculated and its rigidity is verified with ABAQUS.Ultrasonic generator and ultrasonic transducer are assembled for ultrasonic vibration system to achieve the required vibration during the forming process.The booster is designed using longitudinal vibration wave function for variable cross-section bar，which are verified by FEM simulation.The programmable multi-axis controller (PMAC)is utilized as the servo motor controller，and grating scale and force transducer are enrolled in the closed loop control system to realize accurate position and pressing force control.A reduction of forming force is confirmed and the forming accuracy is proved to be below 4 μm in the pure copper compression test by using the developed ultrasonic vibration assisted forming system.

ultrasonic assisted forming；booster design；FEM simulation；forming accuracy

TG663

A

1009－279X（2017）01－0043-05

2016-11-08

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目（2015 CB059900）；國家自然科學基金資助項目（51375050）

李廣，男，1991年生，碩士研究生。