基于不同振動(dòng)模式的超聲輔助塑性成形工藝概述

雷玉蘭，韓光超，彭 卓，盛超杰

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

在金屬塑性成形過程中，采用各種復(fù)合成形工藝來減小金屬變形抗力和增強(qiáng)材料的塑性變形能力已成為技術(shù)研究的關(guān)鍵問題。超聲振動(dòng)一般是指頻率在16 kHz以上的機(jī)械振動(dòng)。在金屬塑性成形過程中施加輔助超聲振動(dòng)，可減小金屬材料的變形抗力并改善材料的成形質(zhì)量。因此，超聲輔助塑性成形工藝已成為一種受到廣泛關(guān)注的復(fù)合塑性成形工藝[1]。

國內(nèi)外學(xué)者在拉絲[2-3]、拉深[4]、擠壓[4-5]、沖壓[6]、鐓鍛[7-9]和粉末冶金[10]等領(lǐng)域?qū)Τ曒o助塑性成形工藝進(jìn)行的大量研究結(jié)果表明，超聲振動(dòng)輔助塑性成形能細(xì)化材料晶粒、降低材料的變形抗力[11]、降低工件和模具之間的摩擦系數(shù)[12-14]、減小板料成形回彈角[15]、提高壓印工件的復(fù)制度及提高被成形件的表面質(zhì)量和尺寸精度[16-17]等。本文在對超聲振動(dòng)輔助塑性成形的基本原理和研究現(xiàn)狀進(jìn)行概述的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了工具輔助超聲振動(dòng)和工件輔助超聲振動(dòng)對塑性成形過程和成形質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 超聲振動(dòng)塑性成形理論

目前，對超聲振動(dòng)塑性成形機(jī)理的解釋主要基于“體積效應(yīng)”和“表面效應(yīng)”兩大理論。在體積效應(yīng)方面，Blaha等[18]最早進(jìn)行了開創(chuàng)性研究。何勍等[19]基于Kirchner針對應(yīng)變變化的基本假定，對體積效應(yīng)的機(jī)理做了數(shù)學(xué)描述。蔡改貧等[20]基于Kirchner對應(yīng)變時(shí)間歷程的基本假設(shè)，針對振動(dòng)拉伸建立了一維粘彈塑性模型，實(shí)現(xiàn)基于粘彈塑性本構(gòu)關(guān)系的低頻振動(dòng)塑性成形體積效應(yīng)機(jī)理分析。研究表明，體積效應(yīng)主要是高頻振動(dòng)對試樣內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生的影響，其具體表現(xiàn)為[21-22]：

（1）高頻振動(dòng)會(huì)造成成形應(yīng)力的疊加，在一定程度上可減小材料變形的流動(dòng)應(yīng)力。

（2）高頻振動(dòng)會(huì)提升材料中微粒子的活躍度及溫度，導(dǎo)致熱致軟化降低材料流動(dòng)阻力。

（3）高頻振動(dòng)促使晶體內(nèi)部高密度位錯(cuò)晶界吸收超聲能量，導(dǎo)致原子動(dòng)能、勢能躍遷，使塑性變形更加容易。

在表面效應(yīng)方面，蔡改貧等[23]從非局部摩擦定理出發(fā)，建立了振動(dòng)拉拔加工中的力學(xué)平衡微分方程，驗(yàn)證了以往對表面效應(yīng)定性分析的某些假設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)拉拔表面效應(yīng)機(jī)理的理論探索。張暉[24]基于對簡諧波振動(dòng)信號(hào)金屬表面效應(yīng)的分析，針對不同振型參數(shù)下的振動(dòng)擺動(dòng)輾壓模型進(jìn)行了有限元模擬分析及表面效應(yīng)分析。研究表明，表面效應(yīng)的機(jī)理主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）工件與工具之間由于振動(dòng)而產(chǎn)生高頻的接觸-分離過程，二者之間的摩擦力在振動(dòng)周期的部分時(shí)間里與材料流動(dòng)方向一致，從而利于成形。

（2）工件與工具之間的高頻摩擦使局部升溫減少、局部粘焊。

（3）工件表面在高頻振動(dòng)時(shí)被模具打磨光潔，從而減小了摩擦系數(shù)。

2 基于工具超聲振動(dòng)的塑性成形工藝

在塑性成形工藝中，對工具施加輔助超聲振動(dòng)是實(shí)現(xiàn)超聲輔助塑性成形的一種主要實(shí)現(xiàn)方式，其基本結(jié)構(gòu)示意見圖1。超聲電源提供超聲頻電信號(hào)，超聲換能器將該電信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻振動(dòng)，變幅桿再將高頻振動(dòng)放大并傳遞給工具，使工具在豎直方向?qū)崿F(xiàn)高頻振動(dòng)。工件通過夾具或模具固定在壓力機(jī)的底座上，工具在高頻振動(dòng)的同時(shí)受壓力機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)對工件產(chǎn)生擠壓力，從而完成超聲振動(dòng)輔助塑性成形過程。

圖1 工具輔助超聲振動(dòng)成形示意圖

Yao等[25]采用工具振動(dòng)對純鋁在不同振動(dòng)頻率下的墩粗過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振動(dòng)頻率為9 kHz時(shí)，成形載荷減小幅度最大，從190 N減小至140 N，減小約26%。Yao等[26]對退火后的商業(yè)純鋁（Al 1100）進(jìn)行了工具振動(dòng)超聲輔助墩粗實(shí)驗(yàn)，墩粗過程主要為橫向超聲振動(dòng)，頻率為9.6 kHz，結(jié)果表明，真應(yīng)力最大值從95 MPa降至55 MPa，減小42%。路騰騰等[27]對純鈦TA11圓柱體進(jìn)行了振動(dòng)頻率為20 kHz的超聲振動(dòng)輔助壓縮實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)直徑為0.3 mm的試樣在額定功率為5%、對應(yīng)振幅為2 μm的條件下，其真應(yīng)力值降幅最大，從590 MPa降至200 MPa，減小約66%。Bunget[12]對鋁的超聲微擠壓過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施加超聲振動(dòng)后，正向擠壓的成形載荷減小了12%～18%、雙杯擠壓的成形載荷減小了7%～23%、正反向復(fù)合擠壓的成形載荷減小了3%～13%。

Hung等[28]在20 kHz頻率下對鋁合金進(jìn)行雙杯擠壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在超聲振動(dòng)輔助下的雙杯擠壓負(fù)載減小約19.4%。Hung等[29]又對A6061-T6鋁合金進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助擠壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，真應(yīng)力值最大約減小38%。Siddiq等[30]對鋁分別進(jìn)行了鈑金成形和墩粗實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在鈑金實(shí)驗(yàn)中成形載荷約下降91%，墩粗實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力約減小11%。龍敏[31]對常溫下的ZK60鎂合金進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助微擠壓成形實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)擠壓實(shí)驗(yàn)，其擠壓應(yīng)力下降比例最大可達(dá)87%。

陳恒[32]在不同的超聲振幅、擠出直徑及20 kHz頻率下對熱處理后不同尺寸的T2紫銅棒進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助微擠壓成形實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振幅為27 μm、晶粒度為 23 μm、擠出直徑為 0.2 mm、擠壓位移為0.8 mm時(shí)，擠壓應(yīng)力的減小幅度最大，從495 MPa減小到40 MPa，減小約92%?；噬胤錥33]對厚度為0.1 mm的T2紫銅箔板進(jìn)行了頻率為1 kHz的振動(dòng)輔助微沖裁實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)輔助微沖裁的最大平均沖裁力均比無振動(dòng)時(shí)的最大沖裁力低約5%。魏麗[34]對AZ31鎂合金和6061、7075鋁合金三種材料的擠壓棒材進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助壓縮實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AZ31鎂合金的屈服強(qiáng)度減小了31.56%、抗壓強(qiáng)度減小了18.36%；6061鋁合金的屈服強(qiáng)度減小了16.7%、抗壓強(qiáng)度減小了11.96%；7075鋁合金的屈服強(qiáng)度減小了10.78%、抗壓強(qiáng)度減小了6.3%。

上述研究結(jié)果表明，在塑性成形過程中對工具施加輔助超聲振動(dòng)，可減小工件的成形載荷和變形抗力，改善材料的物理特性和成形特性，使材料成形更加容易。另外，工具振動(dòng)方式在設(shè)備安裝方面較簡便，相關(guān)夾具的設(shè)計(jì)和工具的裝夾也較簡單。由于工具一般選擇高強(qiáng)度和高硬度的材料，其幾何形狀通常較單一，在加工完畢后其尺寸和形狀就已確定，這也使工具更易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高頻振動(dòng)。目前，工具輔助超聲振動(dòng)已成為超聲輔助塑性成形的主要方式。

3 基于工件超聲振動(dòng)的塑性成形工藝

在塑性成形工藝中，對工件施加輔助超聲振動(dòng)是實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)輔助塑性成形的另一種方式，其基本結(jié)構(gòu)示意見圖2。工件固定在超聲變幅桿末端實(shí)現(xiàn)豎直方向的高頻振動(dòng)，工具固定在壓力機(jī)的壓板上并在壓力機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下對工件產(chǎn)生擠壓或拉伸，從而完成工件超聲振動(dòng)輔助微塑性成形過程。由于受到工件形狀、質(zhì)量多樣性的影響，實(shí)現(xiàn)工件的輔助超聲振動(dòng)受到的限制較多，實(shí)現(xiàn)難度加大，目前對于工件輔助超聲振動(dòng)成形的相關(guān)研究也較少。

圖2 工件輔助超聲振動(dòng)成形示意圖

Wang[35]對厚度為100 μm的銅箔進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助拉伸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在振動(dòng)頻率為35 kHz、拉伸速度為2 mm/s、晶粒度為7.3 μm時(shí)，屈服強(qiáng)度減小幅度最大，減小約25%。Wen[36]在振動(dòng)頻率為15 kHz時(shí)對直徑為5 mm、長度為25 mm的AZ31鎂合金進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助拉伸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在激振能量為50%時(shí)，變形阻力減小幅度最大，從265 MPa減小到250 MPa，減小約6%。張曼曼[37]對厚度為100 μm的TA2工業(yè)純鈦箔板進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助拉伸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在振動(dòng)頻率為35 kHz、振幅為0.51 μm時(shí)，對工件施加超聲振動(dòng)后的屈服強(qiáng)度減小約3%、抗拉強(qiáng)度減小約2.4%。顧曉猛[38]在橫向超聲和縱向超聲振動(dòng)下，分別對T2紫銅薄板進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助微拉伸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在橫向超聲振動(dòng)中，厚度為0.1 mm、厚度/晶粒比（T/D）為1.4的坯料，其屈服強(qiáng)度減小約36.38%、抗拉強(qiáng)度最大約減小9.96%；在縱向超聲振動(dòng)中，厚度為0.1 mm、T/D為28.6的坯料，在振幅為3.02 μm時(shí)的屈服強(qiáng)度減小約64%、抗拉強(qiáng)度減小約23%。

上述研究結(jié)果表明，對于工件超聲振動(dòng)的應(yīng)用研究目前多集中在超聲輔助拉伸工藝中，工件輔助超聲振動(dòng)也能產(chǎn)生與工具輔助超聲振動(dòng)類似作用，即減小工件拉伸過程的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，從而改善金屬成形性能。但相比于工具振動(dòng)，工件的幾何形狀和質(zhì)量具有較大的差異性，且在成形過程中工件的尺寸和形狀也會(huì)發(fā)生改變，這使得工件不易與超聲系統(tǒng)一起實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超聲諧振。

為了方便實(shí)現(xiàn)微型工件及其成形模具的輔助超聲振動(dòng)，韓光超等[39]設(shè)計(jì)了一套雙換能器驅(qū)動(dòng)的超聲振動(dòng)平臺(tái)，可在平臺(tái)表面通過螺紋連接并驅(qū)動(dòng)不同形狀的微小工件實(shí)現(xiàn)豎直方向的輔助超聲振動(dòng)（圖3a）；采用該平臺(tái)進(jìn)行20 kHz超聲振動(dòng)輔助T2紫銅微擠壓實(shí)驗(yàn)研究[40]，發(fā)現(xiàn)微擠壓力最大可下降15%以上，并能使T2紫銅的微擠壓成形高度最大增加50%以上（圖3b）。

圖3 雙換能器驅(qū)動(dòng)的超聲振動(dòng)平臺(tái)及微擠壓實(shí)驗(yàn)

4 工具與工件超聲振動(dòng)成形工藝比較

綜合前述研究結(jié)果可知，對工具或工件單獨(dú)施加輔助超聲振動(dòng)都可降低材料塑性成形載荷、提高塑性成形能力和質(zhì)量。但在實(shí)現(xiàn)方式上，由于成形工具的形狀固定，經(jīng)過合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即可與超聲系統(tǒng)一起實(shí)現(xiàn)超聲諧振，同時(shí)也可與超聲變幅桿設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，這使得成形工具超聲振動(dòng)輔助塑性成形過程更易實(shí)現(xiàn)；對于工件而言，工件的振動(dòng)通常也涉及成形模具的同步振動(dòng)，因此受工件及模具整體幾何尺寸和質(zhì)量的影響，整體超聲諧振的實(shí)現(xiàn)難度顯著增加。雖然目前已出現(xiàn)便于裝夾的六面體超聲振動(dòng)平臺(tái)，但僅適用于微塑性成形工藝。

目前常見的研究主要針對工具或工件的單獨(dú)超聲振動(dòng)，少有對這兩種超聲振動(dòng)模式進(jìn)行比較。Yao[41]對直徑為2 mm的純鋁進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助擠壓實(shí)驗(yàn)，分別對沖頭與模具施加超聲振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)兩種振動(dòng)方式?jīng)]有明顯區(qū)別。但由圖4可見，兩種振動(dòng)方式的實(shí)質(zhì)都是工具振動(dòng)，并未實(shí)現(xiàn)真正意義上的工件振動(dòng)，因此其實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似也是必然的。

圖4 振動(dòng)模具與振動(dòng)沖頭的微擠壓實(shí)驗(yàn)裝置

為了研究塑性成形過程中不同超聲振動(dòng)對塑性成形特性的影響，陳長新等[42]在工具超聲振動(dòng)、工件超聲振動(dòng)及常規(guī)狀態(tài)下，分別采用ABAQUS軟件對T2紫銅試樣的微擠壓成形過程進(jìn)行了仿真分析研究，結(jié)果見圖5。可見，與常規(guī)微擠壓過程相比，工具或工件單獨(dú)振動(dòng)可使試樣的最大等效應(yīng)力分別減小14.4%和17.5%，最大應(yīng)力分布區(qū)域顯著減小，最大等效應(yīng)變由常規(guī)微擠壓時(shí)的0.8923分別增加到4.267和4.475。因此，與施加工具超聲振動(dòng)相比，在微擠壓成形過程中對工件施加超聲振動(dòng)能獲得更均勻的疊加應(yīng)力場和等效應(yīng)力分布，并獲得更大的等效應(yīng)變。至于兩種超聲振動(dòng)模式的影響，仍需通過后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究來進(jìn)行深入探討。

圖5 不同的微反擠壓成形工藝仿真應(yīng)力分布云圖

5 結(jié)論

本文對近年超聲振動(dòng)輔助塑性成形工藝及其超聲振動(dòng)模式進(jìn)行了歸納和總結(jié)，得到如下結(jié)論：

（1）在塑性成形過程中，對工具或工件單獨(dú)施加超聲振動(dòng)，均可降低材料的塑性成形變形抗力、提高材料的塑性成形能力。

（2）仿真研究表明，工件超聲振動(dòng)與工具超聲振動(dòng)相比，能獲得更均勻的疊加應(yīng)力場和等效應(yīng)力分布，并獲得更大的等效應(yīng)變。

（3）對工件與工具超聲振動(dòng)成形效果的比較研究以及對工具和工件的復(fù)合超聲振動(dòng)研究，將成為超聲輔助塑性成形工藝的研究方向。