振動(dòng)輔助塑性成形機(jī)理及應(yīng)用研究進(jìn)展*

張海棟，鄧 磊，王新云，金俊松

（華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

塑性成形工藝包括擠壓、拉拔、拉深、鐓鍛等，在航空航天、汽車工業(yè)、能源工業(yè)等領(lǐng)域的零件制造中應(yīng)用廣泛。隨著裝備服役工況不斷突破原有極限，例如超高溫、超低溫、高低溫循環(huán)、強(qiáng)腐蝕、高真空、高應(yīng)力等極端服役條件，對(duì)塑性成形零件的性能要求也不斷提高[1]。與此同時(shí)，零件的結(jié)構(gòu)趨于整體化、薄壁化、復(fù)雜化，這就要求不斷發(fā)展更加先進(jìn)的塑性成形工藝，以滿足低成本、高效率制造高性能、高精度零件的需求。

科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在塑性成形過程中施加振動(dòng)，可以提高金屬材料的成形性能。早在1955年，Blaha 和Langenecker 將超聲振動(dòng)施加到單晶鋅的拉伸試驗(yàn)中，試驗(yàn)結(jié)果表明材料的屈服應(yīng)力和流動(dòng)應(yīng)力均降低，這一現(xiàn)象被稱為超聲塑性效應(yīng)，也被稱為Blaha 效應(yīng)[2]。隨后許多學(xué)者對(duì)振動(dòng)輔助成形開展了相關(guān)的試驗(yàn)和理論研究，振動(dòng)逐漸被應(yīng)用到各種塑性成形工藝中，例如拉拔[3–4]、沖壓[5]、擠壓[6–7]、擺輾[8–9]、漸進(jìn)成形[10–11]等。在塑性成形中施加振動(dòng)具有減小成形載荷、改善零件表面質(zhì)量的作用，且能夠有效減小板料的回彈[12–16]。近年來，在各種測(cè)試手段和控制技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，振動(dòng)輔助塑性成形的機(jī)理和應(yīng)用研究有了較大的進(jìn)展（圖1）。本文首先對(duì)振動(dòng)輔助塑性成形效應(yīng)以及相關(guān)機(jī)理進(jìn)行闡述，然后對(duì)振動(dòng)輔助塑性成形工藝及相關(guān)裝置的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并探討該領(lǐng)域目前存在的問題和發(fā)展趨勢(shì)。

振動(dòng)輔助塑性成形效應(yīng)

自超聲塑性效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)振動(dòng)輔助塑性成形效應(yīng)進(jìn)行了研究，包括降低流動(dòng)應(yīng)力、減小界面摩擦、調(diào)整殘余應(yīng)力、改善表面性能、細(xì)化晶粒等[12–18]。一般認(rèn)為振動(dòng)的影響可以分為體積效應(yīng)（Volume Effect）和表面效應(yīng)（Surface Effect）。體積效應(yīng)指的是振動(dòng)對(duì)于材料內(nèi)部物理性能的影響，表面效應(yīng)指的是振動(dòng)對(duì)于工件–模具界面之間摩擦的影響。不同材料的振動(dòng)輔助塑性成形效應(yīng)存在差異，并且受到振動(dòng)參數(shù)和加載條件的影響。

圖1 振動(dòng)輔助塑性成形機(jī)理及應(yīng)用發(fā)展Fig.1 Development on mechanism and application of vibration assisted plastic forming

1 振動(dòng)對(duì)材料流動(dòng)應(yīng)力的影響

在塑性成形過程中施加振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)應(yīng)力減小的現(xiàn)象，并且流動(dòng)應(yīng)力的減小受到振幅、頻率以及材料的影響[15,19]。振幅對(duì)流動(dòng)應(yīng)力影響較為明顯，Huang 等[20]在純銅的超聲輔助壓縮中觀察到流動(dòng)應(yīng)力降低幅度與振幅成正比，并且通過與純金的試驗(yàn)結(jié)果比較，認(rèn)為振動(dòng)軟化效果可能在很大程度上受晶體結(jié)構(gòu)而不是材料類型的影響。早期學(xué)者認(rèn)為，由于振動(dòng)頻率遠(yuǎn)小于位錯(cuò)環(huán)的固有頻率（一般認(rèn)為是109Hz）而無法產(chǎn)生共振，因此認(rèn)為頻率大小對(duì)流動(dòng)應(yīng)力沒有影響[21]，但這種解釋不能完全排除頻率對(duì)于振動(dòng)軟化的影響。Zhou 等[16]觀察到在20～40kHz 的范圍內(nèi)增加頻率會(huì)減弱振動(dòng)軟化效果，作者認(rèn)為頻率增加會(huì)使應(yīng)變速率增加，使材料強(qiáng)度提高。

對(duì)于振動(dòng)輔助塑性成形中振動(dòng)軟化的機(jī)理，主要有以下4 種解釋。（1）應(yīng)力疊加，材料在周期性加載和卸載作用下，平均流動(dòng)應(yīng)力減小[15]。（2）振動(dòng)的溫度效應(yīng)使材料溫度升高，產(chǎn)生熱致軟化的現(xiàn)象[22–24]。（3）聲學(xué)軟化效應(yīng)，材料中位錯(cuò)等內(nèi)部缺陷吸收振動(dòng)能量而使塑性變形機(jī)制或物理性能發(fā)生變化。振動(dòng)能量被位錯(cuò)等缺陷優(yōu)先吸收，使得位錯(cuò)分布改變，新的位錯(cuò)源被激活，位錯(cuò)遷移率增加，使材料的流動(dòng)應(yīng)力降低[24]。關(guān)于振動(dòng)對(duì)位錯(cuò)的作用方式，Kempe等[25]提出了位錯(cuò)吸收振動(dòng)能量的3種方式，即共振、弛豫和滯后；Dutta等[26]提出振動(dòng)可以增強(qiáng)位錯(cuò)偶極子的湮滅能力，并且促使位錯(cuò)傳播更長(zhǎng)的距離，從而增加了位錯(cuò)湮滅的可能性。（4）應(yīng)力波疊加，即當(dāng)模具的運(yùn)動(dòng)速度小于使模具和坯料保持接觸的臨界速度時(shí)，變形過程中模具與坯料不斷碰撞，在坯料內(nèi)部產(chǎn)生具有不同傳播速度的彈性波與塑性波，不斷在材料表面反彈，在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波疊加，導(dǎo)致流動(dòng)應(yīng)力減小[27–28]。

圖2 超聲輔助壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線（v為振動(dòng)速度；tH為振動(dòng)持續(xù)時(shí)間）Fig.2 Stress-strain curves of ultrasonic vibration assisted compression(v is punch speed; tH is vibration duration)

在振動(dòng)輔助成形中停止振動(dòng)后，材料表現(xiàn)出殘余的軟化或硬化現(xiàn)象，稱為殘余效應(yīng)。鋁的超聲輔助壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線中就出現(xiàn)了殘余硬化現(xiàn)象[29–30]，如圖2[30]所示。殘余軟化和殘余硬化的產(chǎn)生通常被認(rèn)為是由于振動(dòng)導(dǎo)致位錯(cuò)密度以及微觀組織的變化造成的，不同的頻率、振幅以及材料都可能導(dǎo)致不同的殘余效應(yīng)。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，在鋁合金和冷軋鋼中觀察到殘余硬化，而在鈦合金、鋅單晶、純銅和純金中觀察到殘余軟化的現(xiàn)象[16,20,24,31]。Zhou 等[29]認(rèn)為鋁合金的殘余硬化可以通過基于邊界增強(qiáng)機(jī)制的Hall-Petch 效應(yīng)來解釋，而鈦合金的殘余軟化行為是由于超聲振動(dòng)促進(jìn)形變孿晶的飽和而使孿晶邊界變少，形變孿晶引起的應(yīng)變硬化效果減弱而出現(xiàn)殘余軟化的現(xiàn)象。

2 振動(dòng)對(duì)界面摩擦的影響

在金屬塑性成形過程中引入振動(dòng)，可以減小工件與模具之間的摩擦，即所謂的表面效應(yīng)，從而促進(jìn)材料的流動(dòng)，改善工件的表面質(zhì)量。表面效應(yīng)產(chǎn)生的原因被認(rèn)為主要有以下3 個(gè)方面：（1）工件與模具在振動(dòng)作用下產(chǎn)生瞬時(shí)分離；（2）工具與模具的周期性分離使得潤(rùn)滑介質(zhì)更容易進(jìn)入并儲(chǔ)存在接觸界面中，并且有研究表明振動(dòng)可以減小潤(rùn)滑膜的破損率[32]；（3）摩擦力矢在每個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)發(fā)生變化，使摩擦在部分階段有利于變形，從而減小平均摩擦系數(shù)[15]。另外，姚喆赫[32]認(rèn)為在干摩擦條件下，振動(dòng)軟化導(dǎo)致剪切強(qiáng)度降低和界面接觸由塑性接觸轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥越佑|也是摩擦降低的原因。一般來說在振動(dòng)作用下，振幅越大減摩效果越好，并且受到界面潤(rùn)滑狀態(tài)的影響[33–34]。對(duì)于接觸界面復(fù)雜以及大變形情況，振動(dòng)的減摩效果相對(duì)較差[7,35]。

3 振動(dòng)對(duì)零件性能的影響

在塑性成形過程中施加振動(dòng)，會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生交變應(yīng)力，使一些處于彈性應(yīng)力狀態(tài)的部分發(fā)生塑性屈服，釋放殘余應(yīng)變，起到減小零件殘余應(yīng)力的作用[36]。王宇飛[37]在低頻振動(dòng)輔助彎曲試驗(yàn)中觀察到殘余應(yīng)力與位錯(cuò)密度同時(shí)減小，殘余應(yīng)力產(chǎn)生的物理本質(zhì)是晶格畸變，而晶格畸變?cè)诤艽蟪潭壬嫌晌诲e(cuò)產(chǎn)生，這在一定程度上解釋了振動(dòng)作用下殘余應(yīng)力的變化。

振動(dòng)輔助表面微塑性處理可以提高零件表面硬度和耐磨性，改善表面質(zhì)量。Xie 等[34]在鋁合金的超聲輔助鐓粗試驗(yàn)中觀察到，在超聲振動(dòng)作用下表面硬度增加，粗糙度降低，并且振幅越大，效果越好。Wang等[12]采用超聲表面滾壓技術(shù)對(duì)40Cr 材料表層進(jìn)行納米晶化處理，表面硬度提高了52.6%，顯著提高了材料的耐磨性能。

總體來說，振動(dòng)輔助塑性成形效應(yīng)具有高度的復(fù)雜性，是多種機(jī)制的耦合作用效果。近年來學(xué)者們通過試驗(yàn)測(cè)試和理論分析對(duì)振動(dòng)輔助成形中摩擦減小、應(yīng)力疊加、聲學(xué)軟化和殘余效應(yīng)分別進(jìn)行了討論，加深了對(duì)振動(dòng)作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)。但現(xiàn)有的研究結(jié)果多基于簡(jiǎn)單的單軸拉伸或壓縮試驗(yàn)，與實(shí)際成形條件存在一定的區(qū)別，需要對(duì)多種因素的耦合機(jī)制以及每種因素的量化表征進(jìn)行更為系統(tǒng)和深入的研究。

振動(dòng)輔助塑性行為的本構(gòu)建模與數(shù)值模擬

在物理試驗(yàn)中難以對(duì)振動(dòng)輔助成形材料的瞬態(tài)變形行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)值模擬的方法可以對(duì)成形過程進(jìn)行定時(shí)定量分析，有助于振動(dòng)輔助塑性成形的機(jī)理研究和工藝研發(fā)，而構(gòu)建能準(zhǔn)確描述振動(dòng)作用下材料流動(dòng)行為的本構(gòu)模型，是保證振動(dòng)輔助塑性成形數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的必要條件[38–39]。

經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)理論和彈塑性模型難以對(duì)振動(dòng)軟化和殘余效應(yīng)進(jìn)行精確的描述。早期的學(xué)者將振動(dòng)輔助成形的數(shù)值模擬工作集中在修改摩擦系數(shù)和描述應(yīng)力疊加上，其采用的本構(gòu)模型中沒有包含反映聲學(xué)軟化或者殘余效應(yīng)的因子，不足以對(duì)振動(dòng)輔助成形過程中材料的變形行為進(jìn)行精確的描述[40–41]。因此，許多后續(xù)工作集中在通過唯象模型和基于物理的模型來描述材料在振動(dòng)輔助成形中的流變行為。在唯象本構(gòu)模型方面，Siddiq 等[42]通過修改常規(guī)的晶體塑性模型以納入聲學(xué)軟化效應(yīng)，開發(fā)了基于唯象微觀力學(xué)的本構(gòu)模型。Xie 等[43]基于Johnson–Cook 模型建立了6063 鋁合金在室溫超聲振動(dòng)下的本構(gòu)模型，定量分析了振幅和頻率對(duì)屈服強(qiáng)度、硬化系數(shù)和硬化指數(shù)的影響。在基于物理的本構(gòu)模型方面，Rusinko[44]將其提出的超聲缺陷密度引入本構(gòu)模型，準(zhǔn)確描述了材料在超聲輔助成形中的軟化和無靜載條件下的硬化行為。姚喆赫等[30]通過熱活化理論和位錯(cuò)演化理論分別描述了聲學(xué)軟化和殘余硬化效應(yīng)，構(gòu)建了基于晶體塑性理論的聲塑性本構(gòu)模型。Sedaghat 等[45]通過考慮材料在超聲振動(dòng)下的位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)和聲能傳遞機(jī)理，提出了一種基于物理的本構(gòu)模型，可以較好地預(yù)測(cè)超聲振動(dòng)作用下材料的變形行為。Wang 等[46]通過聲能密度和基于振幅的冪律表達(dá)式分別描述了聲學(xué)軟化和應(yīng)力疊加的影響，建立了一種混合模型。

許多學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法，如有限元模擬、晶體塑性有限元模擬、分子動(dòng)力學(xué)模擬分別從宏觀、介觀和微觀尺度對(duì)振動(dòng)輔助塑性成形機(jī)理和工藝進(jìn)行研究。Siddiq 等[38]將修改的本構(gòu)模型用于超聲輔助板料成形、鐓粗和拉絲工藝，定量研究了超聲振動(dòng)對(duì)摩擦力和成形載荷減小的影響。Li 等[11]采用基于物理的晶體塑性本構(gòu)模型對(duì)超聲輔助漸進(jìn)成形進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明考慮軟化作用的本構(gòu)模型可以提高數(shù)值模擬的精度，有限元模型的絕對(duì)誤差會(huì)隨著成形深度的增加而減小，總體誤差低于20%。Zhang 等[47]采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法研究了1GHz 高頻振動(dòng)對(duì)非晶合金變形行為的影響，發(fā)現(xiàn)施加振動(dòng)載荷幾乎不會(huì)降低平均變形抗力，但在去除振動(dòng)載荷后產(chǎn)生了明顯的殘余硬化效果，同時(shí)振動(dòng)可以提高剪切局部化程度，有利于非晶合金的變形。

數(shù)值模擬技術(shù)是振動(dòng)輔助塑性成形發(fā)展中關(guān)鍵的一環(huán)，為振動(dòng)輔助塑性成形的機(jī)理研究和工藝開發(fā)提供了一種十分有效的手段。近年來，基于物理的本構(gòu)模型通過引入熱活化理論、位錯(cuò)演化理論和聲能傳遞機(jī)理對(duì)聲學(xué)軟化和殘余效應(yīng)進(jìn)行了較好的描述，而唯象本構(gòu)模型通過定量描述振幅、頻率等振動(dòng)參數(shù)對(duì)材料變形行為的影響，也體現(xiàn)了較好的準(zhǔn)確性。各種本構(gòu)模型的建立增加了振動(dòng)輔助塑性成形模擬的準(zhǔn)確性和適用性，使數(shù)值模擬可以更好地預(yù)測(cè)材料的變形行為，有利于振動(dòng)輔助塑性成形的機(jī)理研究和工藝開發(fā)。

振動(dòng)輔助塑性成形工藝

振動(dòng)輔助成形具有近凈成形、成形成性、加工難變形金屬的潛力，最早被應(yīng)用在拉拔工藝中，隨后在振動(dòng)輔助板料成形、擠壓等其他工藝也逐漸得到了發(fā)展，被應(yīng)用于鋁、鈦、銅、鋼等材料的成形中。振動(dòng)輔助塑性成形根據(jù)振動(dòng)頻率的不同可分為低頻振動(dòng)輔助成形和超聲振動(dòng)輔助成形，前者常用的頻率一般為幾Hz 到幾百Hz，后者則一般在15 ～ 40kHz 左右。

1 振動(dòng)輔助拉拔成形

振動(dòng)輔助拉拔主要包括振動(dòng)輔助拉管和拉絲，自20 世紀(jì)60年代就得到了工業(yè)應(yīng)用，取得了良好的效果。拉拔和擠壓是受界面摩擦影響較大的工藝，因此振動(dòng)的表面效應(yīng)能夠顯著減小成形載荷、改善表面質(zhì)量。此外，振動(dòng)輔助拉拔工藝可以提高延伸系數(shù)、減少拉拔道次、減少拉拔過程中的斷裂現(xiàn)象，有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，有助于難變形材料零件的成形，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)用高溫合金毛細(xì)管的成形[48]。

振動(dòng)輔助拉拔的原理如圖3 所示，即在絲材或管材拉拔過程中將軸向、徑向或者切向的振動(dòng)引入到拉拔模具或芯軸中。在工業(yè)應(yīng)用中考慮到對(duì)設(shè)備的改動(dòng)較小，常采用芯軸振動(dòng)的方案[49]。Murakawa 等[4]發(fā)現(xiàn)徑向振動(dòng)拉絲具有更高的極限拉拔速度，但軸向振動(dòng)拉絲可以得到更好的表面質(zhì)量和更小的流動(dòng)應(yīng)力；與常規(guī)拉絲相比，軸向振動(dòng)拉絲最大應(yīng)力下降約91%，而徑向振動(dòng)拉絲下降約67%[3–4]。除了普通材料外，振動(dòng)輔助拉絲也被應(yīng)用在高強(qiáng)度材料如鈦合金、高溫合金的拉拔中。單小彪等在鈦合金絲材拉拔中施加頻率為21kHz、振幅為20μm 的切向扭轉(zhuǎn)復(fù)合超聲振動(dòng)，成形力與軸向振動(dòng)拉絲相比降低了15.6%，與不施加超聲相比降低了23%。復(fù)合超聲振動(dòng)具有比單一軸向超聲振動(dòng)更好的成形效果，為難變形金屬的拉拔成形提供了一種新思路[50–51]。低頻振動(dòng)輔助拉拔也取得了比較好的成形效果，姜志宏等[52]將低頻振動(dòng)引入到薄壁銅管的游動(dòng)芯頭拉拔中，隨著振幅的增加拉拔力明顯降低，但頻率的影響不是很明顯。

圖3 振動(dòng)輔助拉拔工藝（f為頻率；a為振幅；v為速度）Fig.3 Vibration assisted drawing process (f is frequency; a is amplitude; v is speed)

2 振動(dòng)輔助板料成形

板料成形件在航空航天、汽車等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。振動(dòng)輔助板料成形工藝主要包括振動(dòng)輔助拉深、沖裁、彎曲、拉伸、漸進(jìn)成形等，關(guān)注的研究點(diǎn)包括成形性能、模具磨損、板料回彈、成形件質(zhì)量等。振動(dòng)輔助拉深根據(jù)施加位置和振動(dòng)方向的不同主要有如圖4 所示的5 種形式，可用于加工杯形件等回轉(zhuǎn)件或盒形件等非回轉(zhuǎn)件。Jimma 研究了冷軋鋼和304 不銹鋼的超聲輔助拉深工藝，發(fā)現(xiàn)施加超聲振動(dòng)后極限拉深比（LDR）增加了12%～16%，起皺現(xiàn)象得到改善并且最大成形載荷減小約15%[5]，并且相關(guān)研究表明低頻振動(dòng)輔助拉深同樣具有提高板料成形極限的效果[53]。

圖4 振動(dòng)輔助拉深工藝（f為頻率；a為振幅；v為速度）Fig.4 Vibration assisted deep drawing process (f is frequency; a is amplitude;v is speed)

回彈是板件精度控制中一個(gè)十分關(guān)鍵的問題，振動(dòng)的引入可以有效降低板料成形中的回彈現(xiàn)象。柏玲磊等[36]設(shè)計(jì)了振動(dòng)輔助拉伸成形裝置，研究了飛機(jī)蒙皮的振動(dòng)輔助拉伸成形，結(jié)果表明低頻振動(dòng)可有效減小飛機(jī)蒙皮拉伸成形后的回彈，并且在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)（頻率10～30Hz，振幅0.5～1.5mm），回彈量隨振幅的增加而減小，而對(duì)頻率變化不敏感。丁婕[54]在鋁合金板料超聲輔助彎曲中觀察到回彈角最大降幅達(dá)37%，最大載荷降幅為56%。

振動(dòng)輔助沖裁一般是在沖裁時(shí)對(duì)沖頭施加振動(dòng)，可以提高斷面質(zhì)量。程濤等[55]研究了中碳鋼的超聲輔助沖裁工藝，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)可以減小精沖件的塌角尺寸，并能夠促使裂紋提前萌生，從而提高光亮帶的比例。Liu 等[56]對(duì)厚度為0.2mm 的銅箔進(jìn)行了超聲輔助微沖裁，采用的縱向超聲振動(dòng)頻率和幅度分別為36.1kHz 和1.66μm，光亮帶最大比例從79%提高到84%，減少了毛刺的產(chǎn)生，并且沖裁過程中剪切面上的拋光效果可以減小表面粗糙度。

圖5 振動(dòng)輔助漸進(jìn)成形工藝（f為頻率；a為振幅）Fig.5 Vibration assisted incremental forming process (f is frequency; a is amplitude)

板料漸進(jìn)成形是將板料的三維模型沿垂直方向分層離散成一系列等高層，在各等高層上形成加工軌跡，數(shù)控機(jī)床控制工具頭沿加工軌跡對(duì)板料進(jìn)行逐層加工，最終成形出設(shè)計(jì)零件[57]，振動(dòng)輔助漸進(jìn)成形則是在原有設(shè)備的工具頭上引入振動(dòng)（圖5）。板料漸進(jìn)成形工藝具有較大的柔性且不使用凹模，可以成形形狀較為復(fù)雜的零件，在小批量生產(chǎn)中優(yōu)勢(shì)明顯。李燕樂等[10–11,58]對(duì)超聲輔助板料漸進(jìn)成形工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明施加超聲振動(dòng)后材料流動(dòng)應(yīng)力減小，材料的流動(dòng)面積增加，更多的材料參與變形，有利于改善材料堆積、起皺和破裂的問題。

3 振動(dòng)輔助擠壓成形

振動(dòng)輔助擠壓成形有較多的應(yīng)用，除了常規(guī)的工藝優(yōu)點(diǎn)外，還具有增大擠壓比、減少材料折疊的作用。在超聲輔助擠壓成形中，成形力的降低受到擠壓速度的限制，在高速時(shí)成形力下降不明顯[59]。這可能是由于材料在大變形、快速擠壓、大接觸面積和高壓變形中，超聲振動(dòng)使界面局部溫度升高，導(dǎo)致摩擦力增加[7]。Xie 等[34]對(duì)6063 鋁合金環(huán)進(jìn)行了超聲振動(dòng)壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超聲能量在傳播過程中的損耗使與工具頭接觸的上表面的表面質(zhì)量、硬度和減摩效果明顯優(yōu)于下表面。Bagherzadeh等[60]對(duì)超聲輔助等徑角擠壓工藝進(jìn)行了研究，如圖6 所示，將頻率為20kHz、振幅為15μm 的超聲振動(dòng)直接施加在鋁合金坯料上，與不加超聲振動(dòng)相比，成形力降低了31%，平均塑性應(yīng)變?cè)黾?8%，消除了材料的折疊缺陷，并提高了變形的均勻性。

圖6 超聲輔助等徑角擠壓工藝（PDZ為塑性變形區(qū)；Ft為靜力；Fv為振蕩力；f為頻率；a為振幅）Fig.6 Ultrasonic assisted equal channel angular extrusion process (PDZ is plastic deformation zone; Ft is static force; Fv is pulse oscillatory force; f is frequency; a is amplitude)

受到超聲振動(dòng)裝置功率的限制以及超聲能量在傳播中的耗散影響，超聲輔助擠壓難以加工尺寸較大的零件，因此近年來許多學(xué)者對(duì)振動(dòng)輔助微成形和低頻振動(dòng)擠壓進(jìn)行了研究。Lou 等[6]研究了純銅的超聲輔助微擠壓，結(jié)果表明材料的流動(dòng)應(yīng)力、摩擦系數(shù)和顯微硬度隨振幅的增加而減小，表面質(zhì)量升高；由于零件尺寸較小，晶粒尺寸效應(yīng)不可忽略，因此振動(dòng)對(duì)微成形中材料性能的影響比較復(fù)雜。低頻振動(dòng)輔助擠壓工藝在部分研究中已經(jīng)被用于成形微槽道薄板[61]、花鍵[62–64]、齒輪[65–66]等零件，取得了較好的成形效果。

4 其他振動(dòng)輔助成形工藝

也有學(xué)者對(duì)其他振動(dòng)輔助成形工藝進(jìn)行了研究。Suh[67]將超聲輔助冷鍛應(yīng)用在冷軋機(jī)切邊刀的生產(chǎn)中，刀具表面產(chǎn)生了納米級(jí)細(xì)小晶粒和殘余壓應(yīng)力，提高了刀具壽命和可靠性。Bai 等[68–69]研究了金屬箔的振動(dòng)輔助微鍛造工藝，發(fā)現(xiàn)較大的振幅可以得到更好的表面質(zhì)量。蔡改貧等[8–9]研究了振動(dòng)擺輾工藝，發(fā)現(xiàn)與普通擺輾相比，振動(dòng)擺輾的成形力小、成形時(shí)間短、成形質(zhì)量高，并通過該工藝生產(chǎn)了內(nèi)花鍵套。Rasoli 等[70]將超聲振動(dòng)引入鋁合金管的旋壓工藝中，結(jié)果表明低功率超聲振動(dòng)可以改善樣品的內(nèi)表面質(zhì)量；大功率超聲振動(dòng)可以使徑向力減小4%～13%，并減少物料溢出。鉚接是飛機(jī)裝配中一種重要的連接方式，解振東[71]研究了超聲輔助鉚接工藝，超聲振動(dòng)使釘桿變形更加均勻，并增大了鉚接結(jié)構(gòu)的干涉量和均勻度，有助于提高鉚接結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度和疲勞壽命，在頻率28kHz、振幅4.32μm 時(shí)，可分別使45 鋼、6063 鋁合金、T2 銅的鉚接結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度提高10.47%、10.22%、9.2%。

振動(dòng)輔助塑性成形應(yīng)用在板料成形與體積成形中都取得了較好的效果。首先，振動(dòng)可以減小成形載荷、改善材料的塑性，對(duì)于難變形、塑性較差材料以及變形量較大零件的加工優(yōu)勢(shì)明顯。其次，振動(dòng)減小板料回彈的作用，可以顯著改善板料的成形效果，提高板件成形精度。另外由于表面效應(yīng)，振動(dòng)應(yīng)用于拉拔、擠壓等成形工藝，對(duì)零件表面質(zhì)量的提升效果較為明顯。超聲振動(dòng)裝置的局限性使得超聲輔助成形局限于坯料體積較小、成形力較小、模具結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的工藝。目前振動(dòng)輔助成形工藝具有向微成形、多向復(fù)合振動(dòng)輔助成形、振動(dòng)局部加載成形或低頻成形的方向發(fā)展的趨勢(shì)，以解決超聲功率低的問題。

振動(dòng)輔助成形裝置

振動(dòng)輔助塑性成形是在塑性成形中通過振動(dòng)發(fā)生裝置將振動(dòng)引入到模具或者坯料中實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)振動(dòng)頻率和產(chǎn)生方式的不同，主要有超聲振動(dòng)輔助成形裝置和低頻振動(dòng)輔助成形裝置。

1 超聲振動(dòng)輔助成形裝置

圖7 超聲振動(dòng)輔助成形裝置Fig.7 Ultrasonic assisted forming apparatus

超聲振動(dòng)輔助成形裝置一般由超聲發(fā)生器、超聲換能器、變幅桿和工具頭組成，如圖7 所示。超聲發(fā)生器用于將工頻交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲頻率的電振蕩信號(hào)，然后經(jīng)超聲換能器將電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲振動(dòng)，頻率一般為15～40kHz。常用的超聲換能器有壓電陶瓷換能器和磁致伸縮換能器。通常超聲換能器產(chǎn)生的振動(dòng)的振幅較小，需要經(jīng)過變幅桿放大，然后直接或經(jīng)工具頭引入坯料。彭卓等[72]設(shè)計(jì)的超聲輔助微擠壓成形裝置采用雙換能器和雙變幅桿驅(qū)動(dòng)形式，并對(duì)矩形六面體變幅桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可負(fù)載坯料及模具實(shí)現(xiàn)豎直方向的整體超聲諧振。

當(dāng)施加的頻率和系統(tǒng)固有頻率相等時(shí)能夠產(chǎn)生共振，超聲振動(dòng)可以產(chǎn)生最大的效果[73]。成形過程中載荷和溫度的變化，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)固有頻率變化而無法產(chǎn)生共振[28]，因此在一些研究中運(yùn)用了具有自動(dòng)調(diào)節(jié)能力的超聲發(fā)生裝置，可以在成形過程中在一定范圍內(nèi)自動(dòng)產(chǎn)生諧振。對(duì)于不同的應(yīng)用條件，往往需要設(shè)計(jì)不同的變幅桿以達(dá)到良好共振的效果。共振狀態(tài)下，振幅比較高，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)崩潰自毀。超聲振動(dòng)成形裝置受到成形力的限制，在載荷較大時(shí)存在無法起振的現(xiàn)象，需要開發(fā)更大功率的超聲振動(dòng)裝置。

2 低頻振動(dòng)輔助成形裝置

低頻振動(dòng)輔助成形工藝采用的振動(dòng)頻率一般在幾Hz 到幾百Hz，采用的振動(dòng)裝置除了伺服電機(jī)外，主要是低頻振動(dòng)發(fā)生器。伺服電機(jī)可以通過精確控制滑塊的伺服運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)成形過程中低頻振動(dòng)的疊加，增加了振動(dòng)輔助成形過程的可控性，頻率、振幅的可調(diào)性更好，裝置通用性也更好。低頻振動(dòng)發(fā)生器根據(jù)原理的不同，一般可以分為機(jī)械式、氣動(dòng)式、電磁式和電液式[74–75]。機(jī)械式振動(dòng)發(fā)生器是通過偏心輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低頻振動(dòng)，可以得到較大的輸出功率，但振動(dòng)頻率和振幅的可調(diào)節(jié)性較差，并且在振動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。氣動(dòng)式振動(dòng)發(fā)生器通過機(jī)械結(jié)構(gòu)將壓縮氣體轉(zhuǎn)換為低頻機(jī)械振動(dòng)，通過調(diào)整活塞質(zhì)量和氣體壓力分別調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率和激振力。電磁式振動(dòng)發(fā)生器通過電磁感應(yīng)原理將電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同波形的低頻機(jī)械振動(dòng)，頻率可調(diào)節(jié)范圍較大。電液式振動(dòng)發(fā)生器是通過電動(dòng)激振器帶動(dòng)液壓伺服閥，控制液壓缸中的活塞產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，可以得到較大的激振力，在大型設(shè)備上應(yīng)用較多。

前文提到低頻振動(dòng)擠壓被用于生產(chǎn)齒輪、花鍵等，具有較好的成形效果，許多企業(yè)開發(fā)了相應(yīng)的壓力機(jī)。德國(guó)的FELSS 公司開發(fā)的立式振動(dòng)擠壓機(jī)是比較具有代表性的產(chǎn)品，該裝置在凹模上施加低頻振動(dòng)，頻率約為20Hz[75]。合肥合鍛公司開發(fā)了1000kN 軸向振動(dòng)成形液壓機(jī)，采用的電液式振動(dòng)發(fā)生器頻率可以在10～30Hz 之間調(diào)節(jié)，可用于花鍵生產(chǎn)并提高生產(chǎn)效率[76]。除了伺服壓力機(jī)外，低頻振動(dòng)成形裝置的通用性相對(duì)于超聲振動(dòng)成形裝置較差，需要開發(fā)專用壓力機(jī)，超聲振動(dòng)成形裝置只需要附加在普通壓力機(jī)上，設(shè)備成本相對(duì)較低。超聲換能器在高溫下性能會(huì)急劇惡化，而大多數(shù)低頻振動(dòng)成形裝置在較高溫度下仍能良好工作，因此相對(duì)于超聲振動(dòng)，低頻振動(dòng)在熱加工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。

結(jié)論

與傳統(tǒng)塑性成形工藝相比，振動(dòng)輔助塑性成形工藝具有降低成形載荷、提高零件表面質(zhì)量、改善材料成形性能的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，但仍存在一些問題亟待解決。

（1）對(duì)于振動(dòng)輔助塑性成形機(jī)理缺乏統(tǒng)一和明確的解釋，對(duì)于“表面效應(yīng)”和“體積效應(yīng)”中各種機(jī)制的耦合作用缺乏清晰的認(rèn)識(shí)；微成形中振動(dòng)與尺度效應(yīng)的耦合作用機(jī)理缺乏明確的解釋；振動(dòng)對(duì)非晶合金、金屬基復(fù)合材料等特殊材料變形行為的影響機(jī)制不明確；不同材料在振動(dòng)輔助成形中的微觀組織演化、失效形式以及變形機(jī)制缺乏系統(tǒng)的研究；各種理論的應(yīng)用范圍具有一定的局限性，這在一定程度上也限制了本構(gòu)模型的建立和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展。此外，目前研究中較少有從原子層面對(duì)振動(dòng)輔助成形機(jī)理進(jìn)行解釋，進(jìn)一步研究中可采用分子動(dòng)力學(xué)模擬以及原位試驗(yàn)等方法對(duì)相關(guān)機(jī)制進(jìn)行解釋；數(shù)值模擬可以對(duì)振動(dòng)輔助成形過程進(jìn)行定時(shí)定量研究，基于物理的本構(gòu)模型與混合本構(gòu)模型有助于獲得準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，應(yīng)當(dāng)予以關(guān)注。

（2）在振動(dòng)輔助塑性成形工藝方面，存在振動(dòng)功率不足、振動(dòng)損耗、適用范圍窄并且缺乏明確的工藝標(biāo)準(zhǔn)的問題。進(jìn)一步研究中，應(yīng)對(duì)微成形、多向復(fù)合振動(dòng)輔助成形、振動(dòng)局部加載成形、低頻輔助成形或振動(dòng)輔助熱成形等工藝予以關(guān)注，對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)如振幅、頻率、變形速率等的確定進(jìn)行系統(tǒng)化研究以建立工藝標(biāo)準(zhǔn)。

（3）在成形裝置方面，振動(dòng)對(duì)成形過程穩(wěn)定性、成形精度以及設(shè)備疲勞性能的影響需引起關(guān)注；需要研制大功率的振動(dòng)發(fā)生裝置，并且具有對(duì)輸入能量、振幅和頻率等參數(shù)更好的量化調(diào)節(jié)能力；同時(shí)，進(jìn)一步提高成形系統(tǒng)的控制精度、模具精度、穩(wěn)定性、系統(tǒng)剛度以及自動(dòng)化水平，以滿足對(duì)成形力較大及形狀較為復(fù)雜零件的成形需求，提高在工業(yè)生產(chǎn)中的適用性。

雖然還存在一定的問題，但隨著相關(guān)研究的進(jìn)行和問題的解決，振動(dòng)輔助塑性成形工藝將具有更加廣闊的應(yīng)用前景。