空化水射流沖擊微成形數值模擬與實驗研究

張寧菊，李富柱，黃天博

空化水射流沖擊微成形數值模擬與實驗研究

張寧菊1,2，李富柱3，黃天博2

（1.無錫職業(yè)技術學院 機械技術學院，江蘇 無錫 214121；2.江蘇大學無錫機電學院，江蘇 無錫 214121；3.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 2120132）

利用空化水射流中空泡潰滅產生的高壓沖擊波使TA2箔材產生微塑性變形，分析水射流主要工藝參數對微成形質量的影響規(guī)律。采用ANSYS/LS-DYNA數值模擬和實驗研究對比的方法，通過不同沖擊壓力和持續(xù)時間對成形深度、成形件厚度減薄率影響的數值模擬，并進行成形工件形貌的實驗驗證。結果顯示，對于不同沖擊壓力峰值和沖擊壓力持續(xù)時間下的板料成形，隨沖擊壓力峰值和持續(xù)時間的增加，其成形深度、成形件厚度減薄率呈正比增加；當數值模擬沖擊壓力峰值max=2.2 GPa、沖擊壓力持續(xù)時間=40 ns時，與實驗入射壓力=20 Mpa、沖擊時間=1 min時的試樣截面輪廓成形曲線和截面厚度減薄結果比較一致。TA2箔材微成形件圓孔陣列特征在空化沖擊區(qū)內表面質量良好，具有較大的成形深度及其較好的成形深度一致性。

空化水射流；金屬箔材；實驗研究；數值模擬；成形深度；厚度減薄率

隨著微機電系統(tǒng)（MEMS ）在汽車電子、航空航天、生物醫(yī)療、自動控制等領域的應用日趨廣泛，產品微型化已經成為智能制造的發(fā)展趨勢，它在一定程度上也促進了微成形技術的發(fā)展。目前先進的微成形技術有深反應蝕刻、微細電火花加工、激光沖擊、超聲加工以及LIGA工藝等，它們很好地解決了一些關鍵技術問題，但存在著效率低、易污染、成本高、工藝流程較為復雜等一系列問題[1-6]。微機電系統(tǒng)產業(yè)化要求高性能、無污染的特征，需要將視線轉回微塑性加工技術[7-9]，探索新型的微成形工藝，以解決目前存在的問題。

目前金屬薄板微塑性成形的準靜態(tài)技術主要有微拉深、微脹形、微沖裁和微落料等[10-11]，它們在局部微成形過程中容易產生毛刺、裂紋等缺陷。與準靜態(tài)技術相比，空化水射流高速瞬態(tài)技術具有高成形性、均勻的應變分布等顯著優(yōu)勢[12-13]，應該可以改善加工質量，其微脹形的優(yōu)良特性將會引起加工制造行業(yè)的關注。

空化技術作為高能量高速瞬態(tài)技術，目前已成為國內外學者新的研究熱點，空化技術主要有：超聲空化、激光空化以及空化水射流等[14-16]，其中空化水射流在加工制造領域的材料表面改性、拋光、珩磨、塑性成形等各個方面已經嶄露頭角[17-20]。近年來，將空化水射流應用到材料表面改性成為了熱點研究問題，例如在高精密齒輪強化加工中取得了突破。

文中研究基于前人的微成形理論和空化水射流技術基礎，利用空化水射流空泡潰滅高能沖擊波為加載力沖擊金屬箔材，進行微脹形實驗，分析空化水射流工藝參數對TA2鈦箔微塑性成形的影響，建立不同水射流工藝參數對微塑性成形的影響規(guī)律，探索新型微成形新工藝，為微機電系統(tǒng)微器件加工提供一種高效率、低能耗、高柔性的新方法，并為下一步空化水射流微成形應用奠定基礎。

1 理論基礎

空化水射流技術涉及流體力學、沖擊動力學、塑性力學等多門學科，屬于學科交叉領域，該技術是由沖擊強化技術發(fā)展而來，具有極強的研究價值?？栈淞髋c激光空化區(qū)別是：激光誘導的是單個空化氣泡，而水射流誘導的是空化氣泡群[10]。

空化水射流是當高壓水射流垂直入射時，在空化噴嘴的內外低壓區(qū)，大量空化氣泡經歷生長、發(fā)育，然后隨高速射流形成空泡群。當空化氣泡接近工件表面時，由于湍流壓力脈動導致局部壓力突然增大，大量空化氣泡集中潰滅，潰滅點周圍的流體出現高壓沖擊波和高速微射流（如圖1所示）。沖擊波作用在工件表面并向工件內部傳播[21]，當沖擊壓力超過材料動態(tài)屈服強度后，引起金屬材料的微觀彈性變形和塑性變形，塑性變形的臨界沖擊波壓力0可由動態(tài)屈服強度計算：

式中：t0為板材厚度；KF為系數；為動態(tài)屈服強度；d0為凹?？字睆?。

空化水射流沖擊的塑性變形主要有沿深度方向的塑性變形和塑性伸長，表層材料的塑性伸長破壞了材料的原始平衡，此時材料表層為壓應力、內部為拉應力。拉應力會出現在塑性變形層的底部，在力的作用下，材料為達到新的平衡點，最終出現彎曲變形。

文中研究利用空泡潰滅產生的高壓沖擊波使金屬箔材發(fā)生微塑性變形，它是微米量級的塑性成形技術，還需要分析空泡潰滅沖擊加載下材料的力學響應行為以及材料變形的機理。

2 分析方法

空化水射流沖擊微成形的動態(tài)成形機理比較復雜，影響成形效果的因素也比較多，需要采用數值模擬和實驗研究相結合的方法進行探討。近年來國內外學者紛紛采用有限元進行數值分析[22-27]，推測微脹形的相對成形高度等?？栈淞鳑_擊微成形屬于高速沖擊范疇，包括材料非線性、幾何非線性和材料接觸等問題，適合使用顯式有限元算法?？紤]ANSYS/LS- DYNA使用高度非線性、瞬態(tài)動力學的分析方法，可求解材料在承受短時高強度載荷時的響應，如沖擊、金屬成型，因此文中嘗試采用ANSYS/LS-DYNA對空化水射流沖擊TA2鈦箔微成形進行動態(tài)仿真數值模擬研究。

在模擬過程中，對三維模型進行簡化，只對模型進行1/4建模，并在和平面施加對稱邊界約束，如圖2所示。

圖2 有限元模型

空化水射流沖擊微成形過程中，不能直接測量空泡潰滅位置、空泡潰滅的壓力大小和持續(xù)時間，將大量空泡持續(xù)潰滅的過程簡化為同一時間集中潰滅，并將空泡潰滅時對材料表面的壓力沖擊過程用梯形曲線來進行[28]。

軟件加載時，通常因汽蝕導致材料表面產生的點蝕，沖擊波的峰值壓力為1.2～1.4 GPa。羅經等[29]在靜止流場中發(fā)現空泡潰滅對壁面的峰值沖擊壓力約為2.2 GPa，因此研究沖擊壓力峰值范圍確定為1.0～ 2.2 GPa[24]，并根據式（2）和式（3）計算加載時間。

式中：為模型高度；0為彈性波速；為材料彈性模量；為泊松比；為密度。

3 數值模擬

通過不同沖擊壓力和持續(xù)時間對成形深度和成形件厚度減薄率影響的數值模擬，采用正交分析方法，探索不同水射流主要工藝參數對微塑性成形質量的影響規(guī)律。

3.1 峰值壓力變化對成形質量的影響

3.1.1 不同沖擊壓力峰值對成形深度的影響

在空化水射流沖擊金屬箔材微成形中，箔材成形質量的判斷可以以箔材的成形深度作為評價指標。

采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA模擬不同的沖擊波峰值壓力max，分析它對箔材變形的影響。研究采用單特征微成形法，固定其他工藝參數，選取沖擊壓力峰值max分別在1.0、1.4、1.8、2.2 GPa時對TA2鈦箔試樣進行沖擊處理，壓力持續(xù)時間選擇40 ns，不同沖擊壓力峰值下的壓力-時程曲線如圖3所示。

如圖4a所示為成形件的剖面位置，圖4b所示為成形件的截面輪廓，可見變形量是沿板料長度方向呈軸對稱分布。

為了定量分析箔材的成形情況，選擇空化沖擊中心區(qū)典型節(jié)點來分析。如圖5為沖擊壓力對截面輪廓成形深度曲線的影響，當沖擊壓力峰值max在1.0、1.4、1.8、2.2 GPa時的成形深度分別為72.0、106.0、155.0、195.0 μm?？梢?，隨沖擊壓力峰值的增加，其成形深度呈正比增大，且增長明顯。

圖3 不同沖擊壓力峰值的壓力-時程曲線

圖4 成形件

圖5 不同沖擊壓力峰值對成形深度的影響

3.1.2 不同沖擊壓力峰值對厚度減薄率的影響

金屬箔材在成形過程中是由面內拉伸變形得到的，會導致成形件產生不均勻的厚度分布，還因為邊界條件和所用材料的不同，會發(fā)生不均勻的塑性變形，其壁厚甚至會產生局部頸縮、破裂等現象，從而使金屬箔材無法成形?？梢?，厚度減薄是形變的必經過程，而且決定了成形質量。因此，有必要對TA2鈦箔微成形件的厚度分布進行研究，探討不同壓力下厚度的變化規(guī)律，并通過對厚度減薄率的表征，量化工件材料在不同位置的厚度均勻性。

選取與3.1.1相似的沖擊壓力峰值max=1.0、1.4、1.8、2.2 GPa，分別對TA2鈦箔試樣進行沖擊處理，所用的壓力-時程曲線參圖3所示，壓力持續(xù)時間為40 ns。

如圖6所示為不同沖擊壓力峰值對截面厚度減薄率的影響。隨沖擊壓力峰值（max=1.0、1.4、1.8、2.2 GPa）的逐漸增加，成形件各點的厚度減薄率逐漸變大，而且在較大的沖擊壓力作用下，從模具邊緣區(qū)域和成形件中心區(qū)域的變化相對較大、更加顯著，最大減薄率為16.56%，這是由于在沖擊波壓力的作用下，這些區(qū)域的拉伸變形及應力集中較為嚴重，導致此處材料的厚度減薄率相對較大。此外，圖6中還可以表明：成形件的最大減薄率隨著沖擊壓力的減少而減少，而其厚度分布越來越均勻。

圖6 不同沖擊壓力峰值對成形件減薄率的影響

3.2 不同沖擊持續(xù)時間對成形質量的影響

3.2.1 不同沖擊持續(xù)時間對成形深度的影響

選取沖擊壓力峰值max=2.2 GPa時，分析不同沖擊壓力持續(xù)時間（=30、40、50 ns）對板料變形的影響，如圖7所示為不同沖擊時間下的壓力-時程曲線。

圖7 不同沖擊時間的壓力-時程曲線

如圖8所示為沖擊壓力持續(xù)時間對輪廓曲線深度的影響，當沖擊時間分別為30、40、50 ns時，對應的成形深度分別為119.0、198.0、280.0 μm，可以表明，隨沖擊壓力持續(xù)時間的增加，其成形深度也是呈正比增大，且增長明顯。

3.2.2 不同沖擊持續(xù)時間對厚度減薄率的影響

同樣選取max=2.2 GPa 為沖擊壓力峰值，來評價不同沖擊壓力持續(xù)時間（=30、40、50 ns）對材料變薄的影響，所用的不同沖擊時間下的壓力-時程曲線參圖7所示。

圖8 不同沖擊壓力持續(xù)時間對成形深度的影響

圖9 不同沖擊時間對減薄率的影響

如圖9所示為不同沖擊時間對成形件厚度減薄率的分布影響曲線，同樣發(fā)現，模具邊緣區(qū)域與成形件中心區(qū)域零件的減薄率相對較大，而模具邊緣區(qū)域與成形件中心區(qū)域之間的過渡區(qū)變薄量相對較小。

4 實驗研究

4.1 實驗平臺

實驗借鑒空化噴丸研究經驗[21]，采用空化水射流空泡潰滅產生的高能沖擊波作為加載載荷，以厚度100 μm的TA2鈦箔為材料，搭建空化水射流沖擊金屬箔材微成形的裝置，裝置由空化發(fā)生裝置、成形裝置、外部裝置組成。其中空化發(fā)生裝置包括高壓柱塞泵、壓力閥和空化噴嘴，工作過程是水經由高壓柱塞泵輸送至空化噴嘴，其入射壓力由安裝在柱塞泵上的壓力表表示，產生的淹沒式高壓水射流垂直射入裝有水的水箱中；成形裝置主要為按照需要設計的微成形模具組件；外部裝置包括水箱、電氣柜、夾具等。如圖10所示為空化噴嘴和成形裝置。

前面數值模擬使用的參數是當空泡潰滅產生的沖擊壓力峰值，只有當它超過工件的Hugoniot彈性極限，工件才會發(fā)生屈服和塑性變形，得到需要的微成形件。但實驗輸入的是入射壓力，它是柱塞泵輸出的高壓水射流參數，是柱塞泵的輸出壓力，通過調整它的大小，可以調整沖擊壓力峰值max。

由于沖擊能量高度集中，實驗中除了調整射流入射壓力，還需要調整靶距和沖擊時間，使空泡潰滅產生的壓力峰值超過工件的Hugoniot彈性極限，確保工件在沖擊波壓力和微模具的雙重作用下發(fā)生塑性變形，最終得到需要的微成形件。

圖10 實驗裝置實物圖

實驗加載方向是垂直向下，工件在底部不受約束，所以鋁箔塑性變形向下流動以填充微模具，設計合理的微模具比較重要。考慮到模具表面會受到GPa級的沖擊壓力，模具應具備一定的硬度，同時還應有防銹能力，避免水的腐蝕，因此采用304不銹鋼板，輪廓尺寸為60 mm×5 mm（如圖11所示），為保證空化水射流沖擊微成形過程中具有良好的成形作用，微模具采用圓孔陣列特征，其中，圓孔凹腔的直徑為 1.2 mm、深度為2 mm、孔中心距為3.4 mm。根據微模具尺寸，TA2 鈦箔尺寸選擇為60 mm×60 mm，厚度為100 μm。

圖11 圓孔陣列特征微模具

4.2 成形工件形貌和成形深度

實驗采用KEYENCE VHX-1000C 超景深三維顯微鏡，對微模具的表面輪廓形貌和成形深度進行表征,另外還采用VK-X250K形狀測量激光顯微鏡觀察材料微觀形貌和測量微觀尺寸。

在數值模擬和前人研究基礎上，經過反復實驗，當入射壓力=12 MPa、靶距=120 mm、=1 min時，已經可以獲得足夠的空化水射流強度，微成形件取得較好效果（圖12），驗證了空化水射流沖擊金屬箔材微成形的可行性。

如圖12a所示是TA2鈦箔微成形件表面的宏觀形貌圖。通過對成形形貌分析，將空化水射流沖擊區(qū)域由內到外分為射流沖擊區(qū)、空化沖擊區(qū)和外圍沖擊區(qū)3個區(qū)域，其中射流沖擊區(qū)為射流中心的區(qū)域，半徑1約為10.5 mm，該區(qū)域成形深度比較淺；空化沖擊區(qū)為環(huán)狀區(qū)域，在半徑1=10.5 mm、2=17.2 mm之間，該區(qū)域成形效果顯著；外圍沖擊區(qū)為最外側區(qū)域，該區(qū)域與空化沖擊區(qū)成形效果存在明顯差異，成形深度迅速減小。這個結論與圖6、圖9數值分析結果相一致。

圖12 成形工件形貌和成形深度

根據實驗現象分析原因，在射流沖擊區(qū)內，由于周圍液體的阻礙，使噴嘴噴出的高速水射流速度不斷下降，到達工件表面時速度已很小，空化氣泡也較少，產生的沖擊力相對較??；在空化沖擊區(qū)內，動態(tài)射流與周圍的靜態(tài)水混合，形成了壓力梯度，并在邊界上產生旋渦，形成大量空化氣泡，因此對工件表面產生的沖擊力比較大；在外圍沖擊區(qū)只有少量誘導空化氣泡，沖擊力也相對較小。

如圖12b所示為圖12a中2號凹坑的三維形貌云圖，橫截面顯示出平滑的輪廓，成形表面沒有出現裂紋，其周圍也沒有出現起皺等常見缺陷，微成形件獲得了良好的表面質量。如圖12c所示為圖12a試樣在1直線方向上的成形深度圖，可以看出外圍沖擊區(qū)的成形深度與射流沖擊區(qū)的成形深度并不理想，而空化沖擊區(qū)（即2–4號和10–12號凹坑）獲得了良好的性能特征，最大成形深度的一致性也相對較好。

實驗表明：TA2鈦箔微成形件在空化沖擊區(qū)內表面質量良好，具有較大的成形深度及其較好的成形深度一致性，也說明空化水射流在陣列特征微成形效果比較好。

4.3 沖擊壓力對成形深度的影響

為了使結果具有可比性，在數值模擬基礎上，實驗采用與數值模擬相一致的單特征微成形法。選取經過優(yōu)化的參數（靶距=120 mm、=1 min），分別調節(jié)入射壓力8、12、16、20 MPa。實驗表明，當入射壓力從 16 MPa至 20 MPa時（如圖13所示），成形深度的增加量顯著提高。究其原因是當入射壓力小于16 MPa時，大部分空化氣泡在到達工件表面前發(fā)生潰滅，因此沖擊能量相對較低；當入射壓力增至20 MPa時，空化氣泡尺寸更大、并集中在工件表面上潰滅，產生更大的沖擊能量，從而使成形深度顯著增加。

圖13 不同入射壓力的平均成形深度

4.3.1 不同沖擊壓力對成形深度的影響

根據圖13及分析結果，采用效果較好的入射壓力=20 MPa時的實驗值和數值模擬值進行比較。如圖5所示為材料的截面輪廓成形深度曲線對比圖，結果表明：數字模擬成形深度曲線和實驗曲線具有相同的變化趨勢，而且當沖擊壓力峰值max=2.2 GPa時，數值模擬的成形截面輪廓深度曲線與實驗結果最為接近。但是，實驗入射壓力為20 MPa時的成形深度為217.7 μm，略大于數值模擬結果，分析兩者略有區(qū)別的原因是實驗所用模型為簡化模型且處于理想狀態(tài)，沖擊波模型還不夠完善，空泡潰滅產生的高壓沖擊與實際加載在材料表面的載荷有所差別，另外在實驗過程中還會受到如空化設備的穩(wěn)定性、摩擦力、板材的均勻性等其它不確定因素的干擾，因此需要進一步優(yōu)化模型。

4.3.2 不同沖擊時間對成形深度的影響

比較圖8中不同沖擊壓力持續(xù)時間對成形深度的影響，可以表明，隨沖擊壓力持續(xù)時間的增加，數值模擬的成形深度也是與實驗測得的增長趨勢相一致。

當沖擊壓力持續(xù)時間小于40 ns時，除個別點位外，在大多數點位時兩者都較為接近，比時間為50 ns時的試樣截面輪廓深度曲線更為接近實驗值。

綜上所述，當沖擊壓力峰值max=2.2 GPa、沖擊壓力持續(xù)時間=40 ns時，數值模擬與實驗結果的截面輪廓曲線深度最為接近。

4.4 沖擊壓力對成形件厚度減薄率的影響

4.4.1 成形件的厚度

實驗發(fā)現工件最先在凹模的入口處產生塑性變形，在壓邊板和模具圓角處的約束作用和壓力載荷的作用下，成形件最先發(fā)生局部變形，接著被擠入凹模腔內，最終通過材料厚度的減薄來實現金屬箔材的微成形。如圖14所示，在20 MPa的入射壓力下，模具入口處的厚度減薄最為明顯，對應圓角區(qū)域（圖11中位置1和13）的最大厚度減薄率超過16%，其他部位的厚度減薄率幾乎都低于10%，符合高斯分布規(guī)律[30]。結果表明，空化水射流沖擊金屬箔材微成形工藝可以產生相對均勻的沖擊力，使試樣材料產生相對均勻的變形，避免激光沖擊微成形的不均勻性的缺陷[21]。

圖14 成形件的厚度測量

4.4.2 成形件厚度減薄率的影響

在圖6中，當沖擊壓力峰值max=2.2 GPa 時，數值模擬結果與實驗入射壓力20 MPa時結果最為接近，變化趨勢是一致的，但數值模擬結果相對偏小。在圖9中，當=40 ns時數字模擬結果與實驗結果最為接近，但同一位置處數值模擬結果相對偏小，進一步表明沖擊波模型還不夠完善，還需在后續(xù)研究中進一步探討。

綜上所述，當沖擊壓力峰值max=2.2 GPa，且沖擊壓力持續(xù)時間=40 ns時，模擬試樣與實驗結果的截面厚度減薄率曲線也是最為接近。

5 結論

空化水射流沖擊微成形是利用空泡潰滅過程中的高壓沖擊波作為載荷的微脹形工藝。研究基于前人的微塑性成形理論基礎，利用空化水射流沖擊金屬箔材TA2，采用ANSYS/LS-DYNA數值模擬和實驗研究對比的方法，探討不同水射流工藝參數對微塑性成形的影響規(guī)律，結論如下。

1）對于不同沖擊壓力峰值和沖擊壓力持續(xù)時間下的板料成形，隨沖擊壓力峰值和持續(xù)時間的增加，其成形深度呈正比增大，且增長明顯。

2）對于不同沖擊壓力峰值和沖擊壓力持續(xù)時間下的厚度減薄率，隨沖擊壓力峰值和持續(xù)時間的增加，成形件各點的厚度減薄率逐漸增加。模具邊緣區(qū)域和成形件中心區(qū)域成形件的減薄率相對較大，最大減薄率為16.76%，而過渡區(qū)的減薄率相對較小。

3）當數值模擬沖擊壓力峰值max=2.2 GPa、沖擊壓力持續(xù)時間=40 ns時，與實驗入射壓力= 20 MPa、沖擊時間=1 min時的試樣截面輪廓成形曲線和截面厚度減薄結果比較一致，可為研究TA2鈦箔微成形規(guī)律和性能特征提供依據。

空化水射流沖擊金屬箔材微成形的數值模擬與實驗研究，表明了在空化沖擊區(qū)微成形件表面質量良好、圓孔陣列特征效果比較好，成形件具有較大的成形深度及其較好的成形深度一致性，驗證了工件微成形新工藝的可行性。

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Numerical Simulation and Experimental Study of Cavitation Water Jet Impact Microforming

ZHANG Ning-ju1,2, LI Fu-zhu3,HUANG Tian-bo2

(1. School of Mechanical Technology, Wuxi Institute of Technology, Jiangsu Wuxi 214121, China; 2. Wuxi College of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangsu University, Jiangsu Wuxi 214121, China; 3. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013, China)

In the cavitation water jet, the high pressure shock wave generated by the collapse of the cavitation bubbles causes microplastic deformation of TA2 Foil, the influence law of main process parameters of water jet on microforming quality was analyzed.ANSYS/LS-DYNA numerical simulation and experimental research were used to simulate the influence of different impact pressures and durations on the forming depth and the thinning rate of the forming part, and the morphology of the forming part was verified by experiments. The results show that the forming depth and the thinning rate of the formed parts increase with the increase of the peak value and the duration of the impact pressure for different sheet metal forming. When the peak impact pressuremax= 2.2 GPa and the impact pressure duration=40 ns, the numerical simulation results are consistent with the specimen profile forming curve and section thickness thinning results when the experimental incident pressure=20 MPa and the impact time=1 min.The surface quality of TA2 microforms with circular hole array is good in the cavitation impact zone, and the forming depth is larger and the forming depth is consistent.

cavitation water jet ; metal foil; experimental study ; numerical simulation ; forming depth; thickness thinning rate

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.009

TG386

A

1674-6457(2022)10-0063-08

2021–08–09

2021年裝備預先研究領域基金項目（快速扶持項目第二階段）（80923010201）

張寧菊（1968—），女，碩士，教授，主要研究方向為機械電液系統(tǒng)。