雷玉蘭，韓光超，2，*，盛超杰，張召臣

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢430074； 2.上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

在金屬塑性成形過程中，采用各種復(fù)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(yīng)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(guān)注的塑性復(fù)合成形工藝［1］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者已在拉絲、拉深、擠壓、沖壓、鐓鍛和粉末冶金等領(lǐng)域?qū)Τ曒o助塑性成形工藝進(jìn)行了大量的研究［2-4］。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［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(fù)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(jī)上安裝相關(guān)超聲成形設(shè)備需要對已有設(shè)備進(jìn)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(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)底部，由于材料試驗(yàn)機(jī)本身運(yùn)動精度等因素，該系統(tǒng)僅適用于宏觀成形試驗(yàn)。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(shí)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(jī)作為運(yùn)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(yùn)動過程，但對于不同形狀和尺寸的工具仍需要重新設(shè)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(jié)構(gòu)來支撐超聲系統(tǒng)，但對于不同形狀和結(jié)構(gòu)的成形工具仍需重新設(shè)計超聲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和尺寸，且無法與傳統(tǒng)的4柱式壓力機(jī)結(jié)構(gòu)相匹配，需要專門設(shè)計相應(yīng)的超聲系統(tǒng)固定結(jié)構(gòu)，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(shí)現(xiàn)超聲振動，具有較好的負(fù)載能力［16］。為了滿足超聲振動輔助塑性成形試驗(yàn)需求，在前期開發(fā)的多孔超聲振動平臺基礎(chǔ)上，本文設(shè)計和開發(fā)了10 kN超聲輔助塑性成形壓力機(jī)。采用C＋＋語言和Qt軟件平臺開發(fā)了壓力機(jī)的控制系統(tǒng)及人機(jī)交互界面，并通過T2紫銅超聲應(yīng)力軟化試驗(yàn)和AZ31鎂合金的超聲輔助壓縮試驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。

1 壓力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制系統(tǒng)開發(fā)

1.1 壓力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

10 kN超聲輔助塑性成形壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，壓力機(jī)主動件為伺服電機(jī)，傳動件為絲桿螺母，伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過絲桿螺母傳遞給上壓板從而實(shí)現(xiàn)對工件的塑性成形。該壓力機(jī)結(jié)構(gòu)可以方便安裝自行設(shè)計的多孔超聲振動平臺以實(shí)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(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)Fig.2 10 kN ultrasonic-assisted plastic forming pressmachine

1.2 控制系統(tǒng)功能分析

該壓力機(jī)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個功能：

1）控制伺服電機(jī)按設(shè)定的壓下位移或壓力進(jìn)行運(yùn)動行程控制，控制時任選其一。

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

3）可以設(shè)定預(yù)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(dá)到預(yù)壓力后停止。

4）可以實(shí)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(yàn)曲線，達(dá)到設(shè)定位移／壓力或極限位置時自動停止運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)束后可以保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以便后續(xù)分析處理。

5）非試驗(yàn)狀態(tài)下可以通過人機(jī)交互界面或數(shù)控手輪分別控制壓力機(jī)運(yùn)動過程，實(shí)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(shè)置試驗(yàn)的控制方式、運(yùn)行方式、試驗(yàn)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(dá)到設(shè)定預(yù)壓力時停止運(yùn)行，此時用戶對工件坐標(biāo)置零。

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

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

6）試驗(yàn)中達(dá)到任一目標(biāo)控制量將自動停止試驗(yàn)。

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(jī)主要用于超聲振動輔助塑性成形試驗(yàn)，其控制軟件采用C＋＋語言進(jìn)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(jī)控制軟件主要包括兩大接口：第一是運(yùn)動接口，主要通過API函數(shù)與工控機(jī)內(nèi)的運(yùn)動控制卡進(jìn)行交互，運(yùn)動控制卡外接伺服放大器和數(shù)控手輪來控制伺服電機(jī)的運(yùn)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(jī)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(shí)時數(shù)據(jù)模塊、試驗(yàn)圖形模塊。各子模塊采取自上而下的設(shè)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或圖形的輸出，其設(shè)計遵循功能結(jié)構(gòu)的合理性、完備性、可靠性等原則，基本的設(shè)計系統(tǒng)框架如圖3所示。

該控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面如圖4所示，用戶可通過主界面實(shí)現(xiàn)對壓力機(jī)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(shí)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(yàn)曲線顯示系統(tǒng)狀態(tài)。成形過程結(jié)束后點(diǎn)擊保存按鈕即可保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)以便后期分析。

試驗(yàn)過程中，用戶根據(jù)試驗(yàn)要求在交互界面輸入相關(guān)參數(shù)，壓力機(jī)即按照用戶輸入?yún)?shù)控制試驗(yàn)過程，試驗(yàn)完成后自動停止運(yùn)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(jī)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(jī)運(yùn)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(shè)計的10 kN超聲輔助塑性成形壓力機(jī)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)與普通結(jié)構(gòu)壓力機(jī)的安裝連接，不需要對壓力機(jī)進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)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(jìn)行了模態(tài)仿真分析（結(jié)果如圖6所示），仿真結(jié)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(yàn)所用的不同結(jié)構(gòu)工具頭與多孔超聲振動平臺一起進(jìn)行整體ANSYS振動模態(tài)仿真分析，結(jié)果如圖7和圖8所示。仿真結(jié)果表明，圖7中負(fù)載平底壓頭的系統(tǒng)振動頻率為19 715 Hz；圖8中負(fù)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(fù)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(fù)載的形狀和大小變化不敏感，具備較好的負(fù)載適應(yīng)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(shè)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(fù)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(fù)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(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所開發(fā)的壓力機(jī)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(yàn)驗(yàn)證超聲輔助塑性成形過程所特有的應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖10所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，工具輔助超聲振動能有效降低金屬的壓縮成形應(yīng)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(yīng)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(yàn)

在完成壓力機(jī)驗(yàn)證后，利用該壓力機(jī)進(jìn)行鎂合金超聲輔助壓縮試驗(yàn)，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(jī)上壓板相連；然后，將成形試樣通過夾具固定在壓力機(jī)下底板上。通過超聲電源給多孔超聲振動平臺供電即可實(shí)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(yàn)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(jìn)行靜態(tài)壓縮和工具超聲輔助壓縮試驗(yàn)，工具的振幅由超聲電源輸出功率決定，試驗(yàn)中超聲電源輸出功率設(shè)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(yàn)過程不設(shè)置壓下量，當(dāng)試樣壓斷時停止試驗(yàn)，整個壓縮過程采用位移控制下的單步運(yùn)行，保持豎直向下的勻速壓縮過程。試驗(yàn)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(jìn)行了觀測。

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

3 試驗(yàn)結(jié)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(shí)應(yīng)力-應(yīng)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(shí)應(yīng)力基本保持一致，在材料產(chǎn)生屈服后真實(shí)應(yīng)力開始明顯下降，且下降幅度隨輸出功率的增大而增大。當(dāng)輸出功率為95%A時真實(shí)應(yīng)力下降幅度最大，最大真實(shí)應(yīng)力與靜態(tài)相比降低了67.6MPa，約15.6%。另外，試驗(yàn)結(jié)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(dāng)振幅較大時，變形量降低比較明顯，當(dāng)輸出功率為95%A時真實(shí)應(yīng)變下降幅度最大，最大真實(shí)應(yīng)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(shí)應(yīng)力-應(yīng)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(dāng)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(dāng)超聲輸出功率達(dá)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(jié)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(yīng)力疊加和超聲軟化效應(yīng)是造成圖11中成形應(yīng)力下降的主要原因。當(dāng)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(yīng)力疊加效應(yīng)，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(yīng)［18］。特別是當(dāng)超聲振幅較大時（超聲功率大于65%A時），超聲硬化效應(yīng)更為明顯，這使得鎂合金試樣的變形應(yīng)力隨超聲振幅的減少量在超聲功率達(dá)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(jié) 論

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

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

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

3）AZ31鎂合金超聲壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，工具輔助超聲振動可降低鎂合金的壓縮成形應(yīng)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。