10 kN超聲輔助塑性成形壓力機設計與試驗

雷玉蘭，韓光超，2，*，盛超杰，張召臣

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）機械與電子信息學院，武漢430074； 2.上海交通大學 機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

在金屬塑性成形過程中，采用各種復合成形工藝來降低金屬變形抗力和改善金屬的塑性變形能力已成為重要的應用發(fā)展方向。對塑性成形工具或工件施加輔助超聲振動，有利于減小金屬材料的變形抗力并改善金屬零件的成形質(zhì)量，這使得超聲輔助塑性成形已成為一種廣泛關注的塑性復合成形工藝［1］。

近年來，國內(nèi)外學者已在拉絲、拉深、擠壓、沖壓、鐓鍛和粉末冶金等領域?qū)Τ曒o助塑性成形工藝進行了大量的研究［2-4］。研究結果表明，超聲振動輔助塑性成形能細化材料晶粒，降低材料的變形抗力［5］，降低工件和模具之間的摩擦系數(shù)［6-8］，減小板料成形回彈角［9］，提高壓印工件的復制度，改善被成形件表面質(zhì)量和尺寸精度［10-11］等。

對于超聲輔助塑性成形工藝而言，在傳統(tǒng)的壓力機上安裝相關超聲成形設備需要對已有設備進行較大規(guī)模的改造，所以開發(fā)適用于超聲振動輔助塑性成形專用壓力成形裝置已成為亟待解決的問題。Huang等［12］以材料試驗機為平臺搭建了超聲輔助成形系統(tǒng)，超聲振動系統(tǒng)則通過支架固定于試驗機底部，由于材料試驗機本身運動精度等因素，該系統(tǒng)僅適用于宏觀成形試驗。付佳偉等［13］開發(fā)了微擠壓成形系統(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。王春舉等［14］開發(fā)了精密微塑性成形系統(tǒng)，但系統(tǒng)需要通過手動調(diào)節(jié)位移，直接影響了加工精度和成形效率。李廣等［15］開發(fā)了以伺服電機作為運動控制器的超聲微塑性成形系統(tǒng)，可以精確控制超聲系統(tǒng)的運動過程，但對于不同形狀和尺寸的工具仍需要重新設計超聲系統(tǒng)。

上述研究表明，現(xiàn)有超聲輔助塑性成形裝置大多采用傳統(tǒng)的階梯型超聲變幅桿，并通過框架結構來支撐超聲系統(tǒng)，但對于不同形狀和結構的成形工具仍需重新設計超聲系統(tǒng)的結構和尺寸，且無法與傳統(tǒng)的4柱式壓力機結構相匹配，需要專門設計相應的超聲系統(tǒng)固定結構，缺乏通用性。筆者在前期研制了一種多孔超聲振動平臺，可連接各種形狀的超聲變幅桿或擠壓工具頭實現(xiàn)超聲振動，具有較好的負載能力［16］。為了滿足超聲振動輔助塑性成形試驗需求，在前期開發(fā)的多孔超聲振動平臺基礎上，本文設計和開發(fā)了10 kN超聲輔助塑性成形壓力機。采用C＋＋語言和Qt軟件平臺開發(fā)了壓力機的控制系統(tǒng)及人機交互界面，并通過T2紫銅超聲應力軟化試驗和AZ31鎂合金的超聲輔助壓縮試驗進行了實際驗證。

1 壓力機結構設計與控制系統(tǒng)開發(fā)

1.1 壓力機結構設計

10 kN超聲輔助塑性成形壓力機的結構如圖1和圖2所示，壓力機主動件為伺服電機，傳動件為絲桿螺母，伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動通過絲桿螺母傳遞給上壓板從而實現(xiàn)對工件的塑性成形。該壓力機結構可以方便安裝自行設計的多孔超聲振動平臺以實現(xiàn)超聲輔助塑性成形過程［17］。

圖1 10 kN超聲輔助塑性成形壓力機結構示意圖Fig.1 Structural diagram of 10 kN ultrasonic-assisted plastic forming pressmachine

圖2 10 kN超聲輔助塑性成形壓力機Fig.2 10 kN ultrasonic-assisted plastic forming pressmachine

1.2 控制系統(tǒng)功能分析

該壓力機控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下幾個功能：

1）控制伺服電機按設定的壓下位移或壓力進行運動行程控制，控制時任選其一。

2）可以設定單步或連續(xù)運行2種方式，單步運行需分多個步驟完成成形試驗，連續(xù)運行則一次即可完成，運行時任選其一。

3）可以設定預壓力。上壓板從上極限位開始快速下降，下降到距工件一定高度后改變?yōu)槁傧陆抵敝梁凸ぜ砻娼佑|，達到預壓力后停止。

4）可以實時顯示壓力、位移、速度、超聲電源電壓、功率等參數(shù)，并繪制試驗曲線，達到設定位移／壓力或極限位置時自動停止運行。試驗結束后可以保存試驗數(shù)據(jù)，以便后續(xù)分析處理。

5）非試驗狀態(tài)下可以通過人機交互界面或數(shù)控手輪分別控制壓力機運動過程，實現(xiàn)手動操作。

根據(jù)上述的系統(tǒng)功能分析，系統(tǒng)控制軟件主要分為自動控制、手動控制、手輪控制三大模式。

以自動控制模式下壓下流程為例說明控制流程：

1）設置試驗的控制方式、運行方式、試驗參數(shù)。

2）上壓板從上極限位快速下降，到離工件一定距離（即慢降高度）時改為慢速下降。

3）上壓板慢速下降到與工件上表面接觸并達到設定預壓力時停止運行，此時用戶對工件坐標置零。

4）系統(tǒng)判斷控制模式，位移控制模式下目標控制量是位移距離，壓力控制模式下目標控制量是壓力值。

5）系統(tǒng)判斷運行方式，單步運行時，達到每個步驟目標位移／壓力時停止運行，需用戶觸發(fā)下一步驟；連續(xù)運行時，達到每個步驟目標位移／壓力時停止。

6）試驗中達到任一目標控制量將自動停止試驗。

1.3 控制系統(tǒng)開發(fā)

本文研制的10 kN超聲輔助塑性成形壓力機主要用于超聲振動輔助塑性成形試驗，其控制軟件采用C＋＋語言進行開發(fā)，同時選用第三方編程平臺Qt作為程序開發(fā)平臺。

10 kN超聲輔助塑性成形壓力機控制軟件主要包括兩大接口：第一是運動接口，主要通過API函數(shù)與工控機內(nèi)的運動控制卡進行交互，運動控制卡外接伺服放大器和數(shù)控手輪來控制伺服電機的運動；第二是數(shù)據(jù)接口，主要采集通過模擬信號輸入模塊連接在工業(yè)計算機上的位移傳感器和壓力傳感器的數(shù)據(jù)。

軟件主要分為4個功能模塊，包括系統(tǒng)控制模塊、系統(tǒng)操作模塊、實時數(shù)據(jù)模塊、試驗圖形模塊。各子模塊采取自上而下的設計方法，接收來自于用戶輸入的參數(shù)和系統(tǒng)采集的參數(shù)，再通過一系列操作算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)或圖形的輸出，其設計遵循功能結構的合理性、完備性、可靠性等原則，基本的設計系統(tǒng)框架如圖3所示。

該控制系統(tǒng)的人機交互界面如圖4所示，用戶可通過主界面實現(xiàn)對壓力機系統(tǒng)和成形過程的整體控制。在塑性成形過程中，系統(tǒng)可實時采集傳感器數(shù)據(jù)，并將位移、壓力和速度等參數(shù)動態(tài)顯示在主界面上，同時自動繪制試驗曲線顯示系統(tǒng)狀態(tài)。成形過程結束后點擊保存按鈕即可保存試驗數(shù)據(jù)以便后期分析。

試驗過程中，用戶根據(jù)試驗要求在交互界面輸入相關參數(shù)，壓力機即按照用戶輸入?yún)?shù)控制試驗過程，試驗完成后自動停止運行，整個過程無需用戶干涉。

圖3 10 kN超聲輔助塑性成形壓力機控制軟件框架Fig.3 Framework of control software for 10 kN ultrasonic-assisted plastic forming pressmachine

圖4 10 kN超聲輔助塑性成形壓力機運行主界面Fig.4 Main interface of 10 kN ultrasonic-assisted plastic form ing press machine

1.4 多孔超聲振動平臺

本文所設計的10 kN超聲輔助塑性成形壓力機主要基于前期自行研制的多孔超聲振動平臺，如圖5所示［16］。該平臺由2個超聲換能器、2個階梯型超聲變幅桿和一個多孔超聲變幅器組成，其中多孔超聲變幅器可實現(xiàn)水平輸入超聲振動向豎直輸出超聲振動的轉(zhuǎn)換。其上下表面為完全對稱的輻射面，且在上、下表面沿豎直方向均勻分布多個具有相同直徑的豎直螺紋盲孔，可用于連接擠壓工具或工件，使得工具或工件能與多孔超聲變幅器一起實現(xiàn)豎直方向的超聲諧振。該多孔超聲振動平臺可通過法蘭支撐底座實現(xiàn)與普通結構壓力機的安裝連接，不需要對壓力機進行特殊結構改造，具有較好的通用性。采用ANSYS軟件對該多孔超聲振動平臺的振動特性進行了模態(tài)仿真分析（結果如圖6所示），仿真結果表明該多孔超聲振動平臺可以將水平超聲振動轉(zhuǎn)換為豎直超聲振動，滿足超聲塑性加工工藝需求。

對塑性成形試驗所用的不同結構工具頭與多孔超聲振動平臺一起進行整體ANSYS振動模態(tài)仿真分析，結果如圖7和圖8所示。仿真結果表明，圖7中負載平底壓頭的系統(tǒng)振動頻率為19 715 Hz；圖8中負載階梯形壓頭的系統(tǒng)振動頻率為19 693 Hz，多孔超聲振動平臺負載不同形狀和尺寸的壓頭后超聲振動頻率變化較小，且最大超聲振幅都出現(xiàn)在工具頭的末端，能滿足20 kHz超聲系統(tǒng)的工作需求。這表明該多孔超聲振動平臺對工具負載的形狀和大小變化不敏感，具備較好的負載適應能力和通用性，從而能夠避免常規(guī)階梯形變幅桿所面臨的超聲系統(tǒng)尺寸二次匹配設計問題。

圖6 多孔超聲振動平臺模態(tài)仿真Fig.6 Modal simulation of porous ultrasonic vibration platform

圖7 多孔超聲振動平臺負載平底壓頭的模態(tài)分析Fig.7 Modal analysis of porous ultrasonic vibration platform loading with flat indenter

圖8 多孔超聲振動平臺負載階梯形壓頭的模態(tài)分析Fig.8 Modal analysis of porous ultrasonic vibration platform loading with stepped indenter

1.5 超聲輔助塑性成形試驗驗證

為了驗證所開發(fā)的壓力機是否能滿足超聲振動輔助塑性成形工藝的需求，采用T2紫銅壓縮試驗驗證超聲輔助塑性成形過程所特有的應力軟化現(xiàn)象。所采用的T2紫銅坯料如圖9所示，在壓縮過程中，對成形工具間歇施加輔助超聲振動，所得到應力-應變曲線如圖10所示。試驗結果表明，工具輔助超聲振動能有效降低金屬的壓縮成形應力，從而滿足超聲輔助塑性成形的需求。

圖9 超聲壓縮成形試樣Fig.9 Ultrasonic compressed forming sample

圖10 T2紫銅壓縮成形超聲應力軟化曲線Fig.10 Ultrasonic stress softening curves of T2 copper compressed forming

2 超聲輔助壓縮試驗

在完成壓力機驗證后，利用該壓力機進行鎂合金超聲輔助壓縮試驗，研究超聲振動對鎂合金壓縮變形行為及成形載荷的影響規(guī)律。

首先，將成形工具連接在多孔超聲振動平臺的多孔超聲變幅器中心處，多孔超聲振動平臺則與壓力機上壓板相連；然后，將成形試樣通過夾具固定在壓力機下底板上。通過超聲電源給多孔超聲振動平臺供電即可實現(xiàn)多孔超聲振動平臺和成形工具在豎直方向的整體超聲諧振。超聲系統(tǒng)的工作頻率為20 kHz。

超聲輔助壓縮試驗材料選用AZ31鎂合金，其成分如表1所示。為了裝夾方便，將試樣的底部加工成直徑8 mm，高6 mm的圓柱，壓縮部分為直徑2 mm，高3 mm，高徑比1.5的圓柱，如圖9所示。

對AZ31鎂合金試樣分別進行靜態(tài)壓縮和工具超聲輔助壓縮試驗，工具的振幅由超聲電源輸出功率決定，試驗中超聲電源輸出功率設定為最大量程的35%、50%、65%、80%和95%，分別用35%A、50%A、65%A、80%A和95%A表示。由于AZ31鎂合金的塑性較差，壓縮試驗過程不設置壓下量，當試樣壓斷時停止試驗，整個壓縮過程采用位移控制下的單步運行，保持豎直向下的勻速壓縮過程。試驗完成后采用VHX-6000數(shù)碼顯微系統(tǒng)對鎂合金試樣的斷口形貌和微觀特征進行了觀測。

表1 AZ31鎂合金化學成分Table 1 Chem ical constituents of AZ31 m agnesium alloy

3 試驗結果及分析

3.1 超聲振動對變形抗力的影響

AZ31鎂合金在不同超聲輸出功率條件下的壓縮過程真實應力-應變曲線如圖11所示。與靜態(tài)擠壓相比，施加輔助超聲振動的試樣在彈性階段的真實應力基本保持一致，在材料產(chǎn)生屈服后真實應力開始明顯下降，且下降幅度隨輸出功率的增大而增大。當輸出功率為95%A時真實應力下降幅度最大，最大真實應力與靜態(tài)相比降低了67.6MPa，約15.6%。另外，試驗結果還表明，AZ31鎂合金試樣壓縮最大變形量隨著振幅的增加有所降低，當振幅較大時，變形量降低比較明顯，當輸出功率為95%A時真實應變下降幅度最大，最大真實應變與靜態(tài)相比降低了約5.3%。

圖11 不同超聲輸出功率下壓縮真實應力-應變曲線Fig.11 True stress-strain curves of compression with different ultrasonic power output

3.2 超聲振動對擠壓斷口表面的影響

圖12為不同超聲輸出功率下的AZ31鎂合金壓縮脆性斷裂后的試樣，圖13為靜態(tài)壓縮時AZ31鎂合金脆性斷裂后的宏觀斷口三維形貌圖。AZ31鎂合金在室溫下塑性較差，在壓縮過程中當壓下量為0.45mm左右時試樣即產(chǎn)生斷裂。從破壞斷口形式來看，不管是靜態(tài)還是超聲振動擠壓斷裂的試樣都呈現(xiàn)出典型的50°角剪切破壞形態(tài)。

圖12 不同超聲輸出功率下AZ31鎂合金壓縮脆性斷裂試樣Fig.12 Compressed brittle fracture specimen of AZ31 magnesium alloy with different ultrasonic power output

圖13 靜態(tài)壓縮AZ31鎂合金宏觀斷口三維形貌Fig.13 Three-dimensionalmacro-fracture morphology of static compression of AZ31 magnesium alloy

圖14為AZ31鎂合金在不同超聲輸出功率下壓縮斷裂后的微觀斷口形貌。從圖中可以看出，在不同超聲輸出功率條件下AZ31鎂合金的剪切破壞斷面在空間上的形狀有很大差異。在靜態(tài)壓縮及振幅較低時剪切面在空間上呈凹凸不平狀態(tài)，形成一種明顯的溝壑狀剪切面，圖14（a）中圓圈C處即顯示剪切面上有明顯的撕裂凹坑；而隨著超聲輸出功率的增加，這種現(xiàn)象越來越不明顯，當超聲輸出功率達到95%A時，其剪切面比較平坦且溝壑分布比較規(guī)律［18］。

3.3 結果分析

在3.1節(jié)AZ31鎂合金超聲輔助壓縮成形過程中，工具超聲振動對鎂合金工件所產(chǎn)生的應力疊加和超聲軟化效應是造成圖11中成形應力下降的主要原因。當壓縮工具對工件上表面施加高頻敲擊時，可提升鎂合金中微觀粒子的活躍度，同時工具和工件表面間高頻斷續(xù)接觸還形成應力疊加效應，減小了鎂合金材料的流動變形抗力；另外，隨著超聲輸出功率的增加，工具的超聲振幅隨之增大，鎂合金工件所吸收的超聲能量也不斷增加，超聲軟化現(xiàn)象也更加明顯。但同時，超聲振動能量也會使鎂合金產(chǎn)生超聲硬化效應［18］。特別是當超聲振幅較大時（超聲功率大于65%A時），超聲硬化效應更為明顯，這使得鎂合金試樣的變形應力隨超聲振幅的減少量在超聲功率達到65%A后逐漸下降（如圖11所示），同時鎂合金壓縮斷裂的最大變形量也隨著超聲振幅的增加而逐漸降低。

圖14 不同超聲輸出功率下AZ31鎂合金微觀斷口形貌Fig.14 Micro-fracture morphology of AZ31 magnesium alloy with different ultrasonic power output

另外，工具的輔助超聲振動不僅降低了AZ31鎂合金試樣的變形抗力，也影響鎂合金的壓縮斷裂特性。鎂合金的壓縮斷裂方式由以撕裂為主的逐漸變化到以剪切斷裂為主［19］，其斷口表面形貌也從不規(guī)則的“樹叢狀”撕裂表面逐漸變成較為平坦和規(guī)則的“階梯狀”剪切斷裂表面。

4 結 論

本文基于自行研制的多孔超聲振動平臺設計開發(fā)了10 kN超聲輔助塑性成形壓力機及其控制系統(tǒng)，并進行了超聲輔助壓縮試驗。主要研究結論如下：

1）所開發(fā)的10 kN超聲輔助塑性成形壓力機可將水平超聲振動轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直超聲振動，并通過人機交互界面和運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)超聲輔助塑性成形過程。

2）T2紫銅超聲應力軟化試驗表明所開發(fā)的10 kN塑性成形壓力機可滿足超聲輔助塑性成形試驗的需求。

3）AZ31鎂合金超聲壓縮試驗結果表明，工具輔助超聲振動可降低鎂合金的壓縮成形應力，同時改變鎂合金的壓縮斷裂韌性。隨著超聲振幅的增加，鎂合金的斷口形貌由不規(guī)則的“樹叢狀”撕裂表面逐漸變成平坦和規(guī)則的“階梯狀”剪切斷裂表面。