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        基于不同振動模式的超聲輔助塑性成形工藝概述

        2019-01-17 06:56:20雷玉蘭韓光超盛超杰
        電加工與模具 2018年6期
        關(guān)鍵詞:塑性成形工件

        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。超聲振動一般是指頻率在16 kHz以上的機(jī)械振動。在金屬塑性成形過程中施加輔助超聲振動,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和工件輔助超聲振動對塑性成形過程和成形質(zhì)量的影響規(guī)律。

        1 超聲振動塑性成形理論

        目前,對超聲振動塑性成形機(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)高頻振動會造成成形應(yīng)力的疊加,在一定程度上可減小材料變形的流動應(yīng)力。

        (2)高頻振動會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阻力。

        (3)高頻振動促使晶體內(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]基于對簡諧波振動信號金屬表面效應(yīng)的分析,針對不同振型參數(shù)下的振動擺動輾壓模型進(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而產(chǎn)生高頻的接觸-分離過程,二者之間的摩擦力在振動周期的部分時(shí)間里與材料流動方向一致,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,超聲換能器將該電信號轉(zhuǎn)換為高頻振動,變幅桿再將高頻振動放大并傳遞給工具,使工具在豎直方向?qū)崿F(xiàn)高頻振動。工件通過夾具或模具固定在壓力機(jī)的底座上,工具在高頻振動的同時(shí)受壓力機(jī)電機(jī)驅(qū)動對工件產(chǎn)生擠壓力,從而完成超聲振動輔助塑性成形過程。

        圖1 工具輔助超聲振動成形示意圖

        Yao等[25]采用工具振動對純鋁在不同振動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)行了工具振動超聲輔助墩粗實(shí)驗(yàn),墩粗過程主要為橫向超聲振動,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)行了振動頻率為20 kHz的超聲振動輔助壓縮實(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的振動輔助微沖裁實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn),振動輔助微沖裁的最大平均沖裁力均比無振動時(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,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。目前,工具輔助超聲振動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是實(shí)現(xiàn)超聲振動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,工具固定在壓力機(jī)的壓板上并在壓力機(jī)電機(jī)驅(qū)動下對工件產(chǎn)生擠壓或拉伸,從而完成工件超聲振動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成形的相關(guān)研究也較少。

        圖2 工件輔助超聲振動成形示意圖

        Wang[35]對厚度為100 μm的銅箔進(jìn)行超聲振動輔助拉伸實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在振動頻率為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)行超聲振動輔助拉伸實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在振動頻率為35 kHz、振幅為0.51 μm時(shí),對工件施加超聲振動后的屈服強(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下,分別對T2紫銅薄板進(jìn)行超聲振動輔助微拉伸實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在橫向超聲振動中,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,工件輔助超聲振動也能產(chǎn)生與工具輔助超聲振動類似作用,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,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,韓光超等[39]設(shè)計(jì)了一套雙換能器驅(qū)動的超聲振動平臺,可在平臺表面通過螺紋連接并驅(qū)動不同形狀的微小工件實(shí)現(xiàn)豎直方向的輔助超聲振動(圖3a);采用該平臺進(jìn)行20 kHz超聲振動輔助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)動的超聲振動平臺及微擠壓實(shí)驗(yàn)

        4 工具與工件超聲振動成形工藝比較

        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,工件的振動通常也涉及成形模具的同步振動,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平臺,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,少有對這兩種超聲振動模式進(jìn)行比較。Yao[41]對直徑為2 mm的純鋁進(jìn)行超聲振動輔助擠壓實(shí)驗(yàn),分別對沖頭與模具施加超聲振動,發(fā)現(xiàn)兩種振動方式?jīng)]有明顯區(qū)別。但由圖4可見,兩種振動方式的實(shí)質(zhì)都是工具振動,并未實(shí)現(xiàn)真正意義上的工件振動,因此其實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似也是必然的。

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

        為了研究塑性成形過程中不同超聲振動對塑性成形特性的影響,陳長新等[42]在工具超聲振動、工件超聲振動及常規(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??梢姡c常規(guī)微擠壓過程相比,工具或工件單獨(dú)振動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相比,在微擠壓成形過程中對工件施加超聲振動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輔助塑性成形工藝及其超聲振動模式進(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,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,工件超聲振動與工具超聲振動相比,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)合超聲振動研究,將成為超聲輔助塑性成形工藝的研究方向。

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