查長(zhǎng)禮 陳 煒

江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江，212013

超聲振動(dòng)對(duì)微盒形件拉深高度及斷口質(zhì)量的影響

查長(zhǎng)禮 陳 煒

江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江，212013

構(gòu)建了一種基于超聲振動(dòng)的SUS304薄板成形試驗(yàn)裝置以研究微盒形件的拉深性能，探究了不同的試樣厚度、模具及振幅對(duì)微盒形件拉深高度與斷口質(zhì)量的影響，并引入歸一化比例系數(shù)λ，分析了三種模具對(duì)應(yīng)的試樣成形時(shí)對(duì)超聲振動(dòng)的敏感性。結(jié)果表明：在加載超聲振動(dòng)時(shí)，厚度為40μm、100μm和200μm三種試樣對(duì)應(yīng)的最大拉深高度分別由0.19mm、0.30mm和0.79mm提高至0.24mm、0.44mm和1.10mm；在無(wú)振動(dòng)方式下拉深微盒形件至破裂時(shí)拐角處的斷口呈撕裂狀、凹凸不平，而隨著振幅的增大，斷口趨向平坦；2號(hào)模具對(duì)超聲振動(dòng)的敏感性高于另外兩種模具。

超聲振動(dòng)；微盒形件；拉深高度；斷口

0 引言

金屬塑性成形技術(shù)具有加工成本低、成形質(zhì)量好且生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種適合微成形件批量生產(chǎn)的技術(shù)。近年來(lái)，各領(lǐng)域?qū)ξ⑿突饘偌男枨蟪噬仙厔?shì)，尤其是對(duì)微盒形件的需求。拉深高度與圓角半徑比(H/r)即相對(duì)高度是評(píng)價(jià)微矩形件的一種重要參數(shù)，如何通過(guò)理想且簡(jiǎn)單的拉深方法在一次拉深階段獲取較高的H/r值即拉深高度與圓角半徑比已成為一些學(xué)者研究的課題。

基于超聲振動(dòng)的金屬塑性成形與常規(guī)金屬塑性成形方法相比，擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，如成形力小、板料與工具間的摩擦力小[1]、有效防止起皺與撕裂[2]等，該成形方法已成功應(yīng)用于拉深[3]、彎曲[4]、擠壓及拉拔[5]等塑性成形工藝。MOSTAFAPUR等[6]在對(duì)微杯形件進(jìn)行拉深成形時(shí)采用脈動(dòng)式壓邊圈，使得厚度為1 mm的鋁1050薄板極限拉延比相比于采用靜態(tài)壓邊圈時(shí)可提高8%；PASIERB等[7]研究了超聲振動(dòng)對(duì)拉深和拉延兩種成形工藝的影響，結(jié)果表明增加了超聲振動(dòng)變形力均出現(xiàn)減?。籎IMMA等[4]在對(duì)厚度為0.5 mm的304不銹鋼薄板進(jìn)行拉深試驗(yàn)時(shí)引入超聲振動(dòng)，將20～21 kHz的頻率施加于壓邊圈，觀(guān)察到極限拉延比由2.38提高至2.77，表明有徑向振動(dòng)激發(fā)的壓邊圈或凹模在其厚度方向上施加振動(dòng)時(shí)均能有效提高拉延比。目前，拉深成形中使用超聲振動(dòng)技術(shù)的研究主要集中在宏觀(guān)尺度下，而利用超聲振動(dòng)對(duì)微拉深成形進(jìn)行研究的涉及較少。為此，本文設(shè)計(jì)了一種用于研究在施加超聲振動(dòng)條件下SUS304薄板微盒形件拉深性能的試驗(yàn)裝置，探究了不同厚度、模具及振幅對(duì)微盒形件拉深高度的影響，并對(duì)未施加超聲振動(dòng)和施加超聲振動(dòng)條件下的微盒形件斷口質(zhì)量進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)裝置及參數(shù)

本研究中用于微成形拉深試驗(yàn)的設(shè)備選用30-kN MTS電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備具備可控性好、精度高、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。微盒形件成形裝置由凸模、凹模、壓邊圈、超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿及支撐機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。超聲波發(fā)生器的額定激振頻率為19.891 kHz，最大輸出功率為2 kW，不計(jì)損耗時(shí)實(shí)測(cè)凹模上表面的最大振幅為15.6 μm。變幅桿將換能器的振幅放大并傳遞至凹模，實(shí)現(xiàn)凹模高頻振動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器振幅輸出最大量程的比例，選取3.9 μm，7.8 μm和10.4 μm三種縱向振幅進(jìn)行微成形試驗(yàn)。

圖1 微盒形件成形裝置Fig.1 The micro-square cup forming apparatus

試驗(yàn)材料選擇40 μm、100 μm和200 μm三種不同厚度尺寸的SUS304不銹鋼薄板，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 304不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

為研究不同的模具尺寸對(duì)微成形的影響，采用模塊化方法設(shè)計(jì)了三組用于研究微盒形件拉深的模具，如圖2所示。為防止微小粗糙顆粒對(duì)試驗(yàn)的影響，對(duì)模具各個(gè)部件進(jìn)行了精細(xì)的研磨與拋光處理；凸凹模間隙為凸模長(zhǎng)邊尺寸的3%；模具尺寸的比例系數(shù)λ按照1.0、0.5、0.2遞變，同時(shí)試樣的厚度尺寸t、加工尺寸也按照相同比例遞變，

(a)1號(hào)模具 (b)2號(hào)模具 (c)3號(hào)模具圖2 不同尺寸的微成形模具Fig.2 The different sizes of micro-deep drawing mold

即試樣的厚度分別為200 μm、100 μm和40 μm，對(duì)應(yīng)的試樣加工尺寸(長(zhǎng)×寬)分別為20 mm×10 mm、10 mm×5 mm和4 mm×2 mm；選擇三種與模具對(duì)應(yīng)的4250 N、910 N和95 N沖壓力進(jìn)行拉深試驗(yàn)，拉深速度均為0.01 mm/s，具體拉深試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。各種試樣在每種試驗(yàn)方案下至少重復(fù)試驗(yàn)3次，以保證結(jié)果的有效性。

表2 微拉深試驗(yàn)參數(shù)

考慮微成形裝置的強(qiáng)度因素，當(dāng)試樣在沖壓力作用下進(jìn)行拉深成形時(shí)，沖頭下行進(jìn)入凹模內(nèi)腔直至試樣剛好出現(xiàn)破裂，試驗(yàn)機(jī)停止工作，隨后取下試樣測(cè)量微成形件的拉深高度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 振幅與模具尺寸對(duì)拉深高度的影響

表3～表5為不同的試樣厚度、模具及振幅下試驗(yàn)測(cè)定的拉深高度值。試驗(yàn)結(jié)果得出在施加超聲振動(dòng)時(shí)微盒形件的拉深高度均出現(xiàn)了增大，且不同的試樣厚度、模具及振幅對(duì)拉深高度的影響有著明顯的差異。厚度為0.20 mm的1號(hào)模具對(duì)應(yīng)的拉深高度由0.79 mm提高到1.10 mm；厚度為0.10 mm的2號(hào)模具對(duì)應(yīng)的拉深高度由0.30 mm增加至0.44 mm；厚度為0.04 mm的3號(hào)模具對(duì)應(yīng)的拉深高度由0.19 mm提高到0.24 mm。導(dǎo)致該現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因有兩個(gè)方面:超聲振動(dòng)產(chǎn)生的減小板料與模具間摩擦力的“表面效應(yīng)”，以及降低材料流動(dòng)應(yīng)力的“體積效應(yīng)”。

表3 1號(hào)模具的拉深高度(H1)

表4 2號(hào)模具的拉深高度(H2)

表5 3號(hào)模具的拉深高度(H3)

通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在振幅為10.4 μm時(shí)三種模具的拉深高度增加率均呈現(xiàn)減緩。由于施加超聲振動(dòng)后降低了材料的屈服強(qiáng)度，減小了成形力，當(dāng)振幅增加到一定時(shí)會(huì)出現(xiàn)屈服強(qiáng)度增大的現(xiàn)象,即超聲“硬化”現(xiàn)象[8]，因此，振幅為10.4 μm時(shí)拉深高度增加率下降主要由于超聲“硬化”現(xiàn)象所導(dǎo)致。

將不同模具、試樣厚度及振幅下試驗(yàn)測(cè)定的拉深高度值按照比例系數(shù)λ為1、0.5、0.2進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果見(jiàn)表6?？梢?jiàn)，1號(hào)和3號(hào)模具的拉深高度值相差不大，2號(hào)模具的拉深高度與其他兩種模具的拉深高度有一定差異。2號(hào)模具對(duì)應(yīng)的厚度為0.1 μm的試樣對(duì)超聲振動(dòng)敏感性明顯高于1號(hào)和3號(hào)模具，且“硬化”現(xiàn)象占主導(dǎo)地位。

表6 歸一化的拉深高度(H)

2.2 振幅對(duì)微盒形件斷口的影響

BUNGET等[9]在進(jìn)行超聲振動(dòng)對(duì)微成形的影響研究中，選用鋁(AA1100)和黃銅作為試驗(yàn)材料，對(duì)不同尺寸、不同擠壓方式和不同潤(rùn)滑方式的試樣進(jìn)行微擠壓成形，并通過(guò)對(duì)微擠壓成形后的試樣表面形貌觀(guān)察與擠壓載荷的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在超聲振動(dòng)輔助下的微擠壓獲得的表面質(zhì)量明顯高于其他成形方式獲得的表面質(zhì)量,即出現(xiàn)“表面效應(yīng)”。從本試驗(yàn)結(jié)果分析，超聲振動(dòng)有利于提高微盒形件的表面質(zhì)量。圖3為厚度0.2 mm的試樣分別在無(wú)振動(dòng)和3.9 μm、7.8 μm和10.4 μm振幅方式下獲得的微盒形件的拉深結(jié)果。

圖3 微盒形件拉深結(jié)果Fig.3 The drawing result of micro-square cup

由圖4可知，無(wú)振動(dòng)方式下微盒形件拐角處的斷口呈撕裂狀、凹凸不平；而隨著振幅的增大斷口趨向平坦，這與超聲振動(dòng)“體積效應(yīng)”中的“軟化”機(jī)制降低了流動(dòng)應(yīng)力、提高充模性能[10]， “表面效應(yīng)”減小了摩擦力以及“硬化”等耦合作用有關(guān)。

(a)無(wú)振動(dòng) (b)振幅為3.9 μm

(c)振幅為7.8 μm (d)振幅為10.4 μm 圖4 不同振幅下的斷口Fig.4 The different amplitudes of fractures quality at the corner of the micro-square cup

3 結(jié)論

(1) SUS304薄板超聲振動(dòng)微盒形件拉深成形過(guò)程中存在明顯的聲波“軟化”、“硬化”機(jī)制與“表面效應(yīng)”。在施加超聲振動(dòng)后，采用三種不同的試樣厚度、模具及振幅試驗(yàn)方式成形后的拉深高度均得到了提高，且隨著振幅的增大而增大。由于不同尺寸的試樣對(duì)超聲振動(dòng)的敏感程度存在著差異，故隨著振幅的增大，其中厚度為0.10 mm的試樣“硬化”現(xiàn)象體現(xiàn)得較其他兩種試樣更明顯。

(2)當(dāng)振幅增大時(shí)，超聲“硬化”機(jī)制表象加劇，使得拉深高度增加率出現(xiàn)減緩。

(3)在無(wú)振動(dòng)方式下成形微盒形件時(shí)其拐角處的斷口呈撕裂狀、凹凸不平；當(dāng)施加超聲振動(dòng)時(shí)，由于超聲振動(dòng) “軟化”機(jī)制降低流動(dòng)應(yīng)力、提高充模性能，“表面效應(yīng)”減小了摩擦力以及“硬化”等耦合作用，使得增大振幅時(shí)的斷口趨向平坦。

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(編輯 王艷麗)

Effects of Ultrasonic Vibration on Drawing Height and Fracture Quality at Corners of Micro-square Cup

ZHA Changli CHEN Wei

School of Mechanical Engineering, Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu,212013

A SUS304 sheet metal forming experiment set-up was designed to investigate the drawing formability of micro-square cup based on ultrasonic vibrations. Effects of the drawing height and fracture quality at the corners of the micro-square cup were researched with various sample thicknesses, molds and vibration amplitudes. And the normalized ratio coefficientλwas introduced to analysis the sensitivity of three kinds of mold to the ultrasonic vibration in drawing. Results show that using vibration following the deep drawing processes the height is increased from 0.19 mm to 0.24 mm, from 0.30 mm to 0.44 mm, and from 0.79 mm to 1.10 mm for thickness of 40 μm, 100 μm and 200 μm, respectively. The fractures at the corners of the micro-square cup present tears and irregulars in the absence of ultrasonic vibration conditions, and with the increasing of vibration amplitudes, the fractures become flatter. It is observed that the more sensitivity of No.2 mold to ultrasonic vibration is stronger than that of the other two types.

ultrasonic vibration; micro-square cup; drawing height; fracture

2016-05-25

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20133227110013)

TG301

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.05.016

查長(zhǎng)禮，男，1980年生。江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)槲⒊尚卫碚撆c技術(shù)、特種成形工藝及裝備。發(fā)表論文8篇。E-mail:zhachangli@126.com。陳 煒，男，1965年生。江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。