趙升噸 李泳嶧 范淑琴

西安交通大學(xué)，西安，710049

0 引言

超聲波通常指振動(dòng)頻率高于16kHz的聲波，超聲波具有頻率高、傳播方向性強(qiáng)和易于獲得集中聲能等優(yōu)點(diǎn)，因而在生產(chǎn)和科學(xué)研究中有著廣泛的用途，已形成聲學(xué)的一個(gè)重要分支——超聲學(xué)科。超聲振動(dòng)金屬塑性加工技術(shù)是伴隨著金屬塑性加工工藝和超聲學(xué)科的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來的［1］。

超聲振動(dòng)塑性加工技術(shù)是指在傳統(tǒng)金屬塑性成形加工工藝中，在工件或模具上主動(dòng)施加方向、頻率和振幅可調(diào)的超聲振動(dòng)，以達(dá)到改善工藝效果、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。超聲振動(dòng)塑性加工技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)金屬塑性成形工藝通常認(rèn)為具有以下優(yōu)點(diǎn)：降低成形力，降低金屬流動(dòng)應(yīng)力，減小工件與模具間的摩擦，擴(kuò)大金屬材料塑性成形加工范圍，提高金屬材料塑性成形能力，可獲得較好的產(chǎn)品表面質(zhì)量和較高的尺寸精度［2－3］。鑒于超聲振動(dòng)塑性加工的諸多優(yōu)點(diǎn)，眾多學(xué)者對(duì)該技術(shù)開展了廣泛的研究，并將其在一定范圍應(yīng)用于拉拔、沖壓和擠壓等工藝。因此，掌握超聲振動(dòng)對(duì)塑性加工的作用機(jī)理，了解超聲振動(dòng)塑性加工的研究、應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)于促進(jìn)超聲振動(dòng)塑性加工技術(shù)的創(chuàng)新，推動(dòng)其行業(yè)發(fā)展具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

1 超聲振動(dòng)塑性加工系統(tǒng)組成

超聲振動(dòng)塑性加工系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、超聲換能器、變幅桿和模具等組成，如圖1所示。超聲波發(fā)生器是用于產(chǎn)生并向超聲換能器提供超聲能量的裝置，作用是將220V或380V的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻的電振蕩信號(hào)，通常輸出功率為1～2kW，振動(dòng)頻率為20kHz。超聲換能器的作用是將超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲頻的機(jī)械振動(dòng)，輸出振幅通常小于10μm。振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)的作用是將超聲換能器固定，并與外部的設(shè)備連接。變幅桿的作用是將超聲換能器輸出的機(jī)械振動(dòng)振幅放大，以滿足不同工況的使用要求，放大后的輸出振幅可達(dá)100～150μm，模具安裝在變幅桿的末端，超聲振動(dòng)通過模具完成對(duì)金屬的塑性加工［1］。

圖1 超聲振動(dòng)塑性加工系統(tǒng)組成示意圖

2 超聲振動(dòng)對(duì)塑性加工的作用機(jī)理

超聲振動(dòng)塑性加工技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代奧地利Blaha等［4］的一次材料拉伸試驗(yàn)，他們?cè)趯?duì)單晶鋅進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)時(shí)施加了超聲振動(dòng)，首次觀察到材料屈服應(yīng)力和流動(dòng)應(yīng)力降低的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也被稱為Blaha效應(yīng)。之后，許多學(xué)者對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了持續(xù)深入的研究，Blaha效應(yīng)也被歸納為超聲振動(dòng)塑性加工中的體積效應(yīng)（volume effect）。目前，有關(guān)超聲振動(dòng)塑性加工金屬材料內(nèi)部和表面的理論都基于兩大基本效應(yīng)：一為金屬塑性流動(dòng)時(shí)超聲振動(dòng)對(duì)金屬內(nèi)部應(yīng)力影響的體積效應(yīng)；二為超聲振動(dòng)對(duì)工件與模具間的外摩擦影響的表面效應(yīng)（surface effect）［2－3，5－6］。

體積效應(yīng)與超聲振動(dòng)對(duì)金屬塑性流動(dòng)中內(nèi)應(yīng)力的作用有關(guān)，宏觀上表現(xiàn)為平均應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化、延伸率的提高和加工硬化現(xiàn)象的減少等。微觀上，超聲振動(dòng)相當(dāng)于在一定的溫度作用下，材料內(nèi)部微粒升溫獲得能量后，產(chǎn)生高頻振動(dòng)，材料活性增強(qiáng)，出現(xiàn)了與晶體位錯(cuò)有關(guān)的熱致軟化，材料發(fā)生動(dòng)態(tài)變形，而變形抗力得到顯著降低［2，5－13］。目前，對(duì)于體積效應(yīng)的解釋，仍基本局限于與晶體位錯(cuò)有關(guān)的熱致軟化和基于唯象力學(xué)的應(yīng)力疊加原理兩大理論［2－3，5］。

表面效應(yīng)與超聲振動(dòng)對(duì)工件和模具間的摩擦影響有關(guān)，普遍解釋為摩擦因數(shù)的減小和摩擦矢量的改變。宏觀上表現(xiàn)為工件與模具間的黏滑減小，產(chǎn)品表面質(zhì)量提高，模具的磨損消耗降低。對(duì)于表面效應(yīng)，Dawson等［10］提出了一種應(yīng)力疊加原理進(jìn)行解釋，其他學(xué)者的研究則認(rèn)為：工件與模具之間由于振動(dòng)產(chǎn)生的瞬間分離有利于潤(rùn)滑劑進(jìn)入變形區(qū)從而改善加工潤(rùn)滑條件；摩擦力矢量反向，使得在振動(dòng)周期中的部分時(shí)間摩擦力有利于變形加工；局部熱效應(yīng)作用（體積效應(yīng)作用）使得局部黏焊現(xiàn)象減少［14－15］。其中，摩擦力矢量方向的解釋，可通過工件運(yùn)動(dòng)速度和模具振動(dòng)速度的比較進(jìn)行說明。如圖2所示，工件運(yùn)動(dòng)速度為vw，模具振動(dòng)頻率為f，振幅為A，工件運(yùn)動(dòng)方向與模具超聲振動(dòng)方向一致，模具振動(dòng)速度為vv＝2πAfcos（2πft），臨界振動(dòng)速度為vvc＝2πAf。通常認(rèn)為當(dāng)工件運(yùn)動(dòng)速度vw小于模具臨界振動(dòng)速度vvc時(shí)，在一個(gè)周期T內(nèi)的t1和t3時(shí)間段，模具的運(yùn)動(dòng)將超前于工件的運(yùn)動(dòng)，引起作用在工件上的摩擦力反向變?yōu)檎Σ亮?，該力有利于工件材料的變形，同時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)平均摩擦力也會(huì)下降［2］。

圖2 超聲振動(dòng)塑性加工中工件和模具振動(dòng)速度比較圖

3 超聲振動(dòng)塑性加工技術(shù)研究現(xiàn)狀

自Blaha等［4］的單晶鋅超聲振動(dòng)拉伸試驗(yàn)后，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)超聲振動(dòng)塑性加工展開了廣泛深入的理論與試驗(yàn)研究。1956年，Kempe等［7］提出了位錯(cuò)可能吸收超聲振動(dòng)能量的3種機(jī)制，即共振、松弛和滯后作用。1957年，Nevill等［8］研究認(rèn)為超聲振動(dòng)塑性加工中流動(dòng)應(yīng)力的降低包含了靜態(tài)應(yīng)力的疊加。1984年，Kirchner等［11］通過對(duì)鋁合金試件進(jìn)行振動(dòng)頻率為0.5、1、10、20、50Hz的壓縮試驗(yàn)，提出了無加工硬化彈塑性材料的數(shù)學(xué)模型，用于描述各種頻率下平均應(yīng)力降低的現(xiàn)象。同年，Atanasiu［12］提出了超聲振動(dòng)下金屬材料屈服強(qiáng)度的定量描述準(zhǔn)則：

式中，σy0為對(duì)應(yīng)于超聲強(qiáng)度I0時(shí)的屈服極限；a為特定超聲場(chǎng)的材料常數(shù)。

另外，Atanasiu等［12］還采用剛黏塑性模型描述了強(qiáng)超聲場(chǎng)中金屬的塑性行為，認(rèn)為黏性常數(shù)η（Bingham模型）隨超聲強(qiáng)度的增強(qiáng)而減弱，當(dāng)變形速度接近超聲引起的材料微粒振動(dòng)速度時(shí)，其下降速度逐漸減小。黏性常數(shù)與超聲強(qiáng)度的關(guān)系可表示為

式中，η0為超聲強(qiáng)度I0對(duì)應(yīng)的黏性常數(shù)；b、c為材料常數(shù)。

2002年，英國的Huang等［16］以橡皮泥的材料模型研究了超聲振動(dòng)對(duì)成形邊界的影響。他們采用振動(dòng)頻率為20kHz、振幅為10μm的圓柱體鐓粗有限元模型進(jìn)行系列試驗(yàn)，得出了施加超聲振動(dòng)后的模具能使材料的成形力和摩擦現(xiàn)象減小的結(jié)論，據(jù)此，他們認(rèn)為超聲振動(dòng)可使材料吸收能量，局部溫升導(dǎo)致的邊界條件改變影響了成形力。

2006年，英國的 Daud等［17－18］進(jìn)行了鋁合金超聲振動(dòng)的拉伸、壓縮試驗(yàn)，其試驗(yàn)用換能器如圖3所示，試驗(yàn)的振動(dòng)頻率為20kHz，振幅為10μm。通過建立的有限元模型，分析了超聲振動(dòng)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響，研究了超聲振動(dòng)在金屬塑性變形中的應(yīng)力疊加模型和接觸摩擦的特點(diǎn)，但未能充分解釋超聲振動(dòng)對(duì)鋁合金應(yīng)力應(yīng)變的影響機(jī)理。

圖3 拉伸、壓縮試驗(yàn)超聲換能器示意圖

國內(nèi)，雖然受到上個(gè)世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的制約，在超聲振動(dòng)塑性加工方面的研究起步較晚，但發(fā)展迅速，目前，在該領(lǐng)域已取得了很多研究成果。

1986年，何勍等［19］基于疊加原理的基本思想，采用Kirchner等對(duì)應(yīng)變變化的基本假定，給出了體積效應(yīng)機(jī)理的數(shù)學(xué)描述。1995年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王曉林等［20］開展了銅在超聲振動(dòng)下力學(xué)行為的研究，試驗(yàn)用超聲波發(fā)生器的輸出功率為1kW，頻率為20kHz，通過試驗(yàn)，他們獲得了銅在超聲振動(dòng)下的本構(gòu)方程，得出了超聲振動(dòng)能使材料的屈服極限和冪律減小、硬化指數(shù)與應(yīng)變有關(guān)兩個(gè)結(jié)論。1997年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鄭金鑫等［21］根據(jù)非局部理論建立了材料在超高頻振動(dòng)下的本構(gòu)關(guān)系，并通過低碳鋼的拉伸試驗(yàn)得到了與理論相符的結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)外部的超聲振動(dòng)波長(zhǎng)與材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征尺度相當(dāng)時(shí)，超聲振動(dòng)對(duì)材料本構(gòu)關(guān)系的影響就不可忽略。

2000年，王剛等［22］利用超聲振動(dòng)疲勞拉伸試驗(yàn)裝置對(duì)紫銅進(jìn)行了疲勞拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)能使材料的力學(xué)行為發(fā)生改變，其屈服極限、硬化率和斷裂時(shí)的變形力都有所下降。2007年，河南理工大學(xué)的秦軍等［23］開展了脆性材料在超聲振動(dòng)下的拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)表明脆性材料的屈服極限和硬化率都有所下降，表現(xiàn)出了良好的力學(xué)特性和加工特性。2011年，重慶大學(xué)的 Wen等［24］研究了AZ31鎂合金在室溫超聲振動(dòng)下的塑性行為，采用的超聲振動(dòng)頻率約為15kHz，初始振幅為3μm，功率為2kW的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：小振幅下的超聲振動(dòng)減小了材料的流動(dòng)阻力，提高了材料的塑性。其結(jié)論概括了超聲振動(dòng)對(duì)材料塑性行為的軟化效應(yīng)。

4 超聲振動(dòng)在塑性加工中的應(yīng)用

目前，超聲振動(dòng)以其對(duì)塑性加工獨(dú)特的作用機(jī)理，已經(jīng)在諸多傳統(tǒng)塑性加工工藝中得以應(yīng)用，例如拉拔、沖壓、擠壓、鉚接、彎管、擺輾、軋制等，以下主要對(duì)超聲拉拔、沖壓、擠壓等工藝進(jìn)行介紹。

超聲拉拔工藝包括超聲振動(dòng)拉絲和超聲振動(dòng)拉管，其中對(duì)超聲振動(dòng)拉絲開展的研究最多，且效果最為明顯。超聲振動(dòng)拉絲就是在傳統(tǒng)拉絲工藝的基礎(chǔ)上，工件以速度vw通過拉絲模具，在拉絲模具上施加振動(dòng)頻率、方向和振幅可調(diào)的超聲振動(dòng)，以獲得超聲振動(dòng)對(duì)金屬材料的作用效果。1985年，Gebhardt等［25］對(duì)超聲振動(dòng)拉絲工藝作了系統(tǒng)評(píng)述，并對(duì)難成形材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究。2001年，日本的Murakawa等［26］也對(duì)超聲振動(dòng)拉絲工藝進(jìn)行了研究，并提出了縱向（與拉絲方向一致）、橫向（與拉絲方向垂直）和扭轉(zhuǎn)（沿拉絲模具的切向）3種超聲振動(dòng)方向，如圖4a所示。

2003年，Hayashi等［27］通過有限元方法研究了超聲振動(dòng)拉絲工藝，結(jié)果表明，當(dāng)超聲振動(dòng)方向與拉絲方向一致時(shí)，最大的應(yīng)力值可下降約91%，當(dāng)超聲振動(dòng)方向與拉絲方向垂直時(shí)，最大的應(yīng)力值可下降約64%，并定量分析了超聲振動(dòng)對(duì)改善拉絲工藝的作用機(jī)理。在國內(nèi)，研究超聲振動(dòng)拉拔工藝的單位主要有中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、清華大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。早在20世紀(jì)80年代，李連詩等［28］在大直徑、錐形、中空、短長(zhǎng)度的模具上進(jìn)行了超聲振動(dòng)拉拔研究，并給出了聲速、頻率、極化電流、阻抗匹配等參數(shù)的確定方法，且指出表面效應(yīng)在超聲振動(dòng)拉絲工藝中起主要作用。1999年，清華大學(xué)的孟永鋼等［29］發(fā)現(xiàn)在超聲振動(dòng)拉拔加工中所產(chǎn)生的摩擦力、成形力下降的主要原因是由于工件與模具之間的斷續(xù)接觸和沖擊造成的。2006年，謝濤等［30］用直徑為0.3mm的T2黃銅絲在減縮率為24.9%條件下進(jìn)行了超聲振動(dòng)拉絲試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：當(dāng)在拉絲模上施加20kHz超聲振動(dòng)頻率后，拉拔力下降了約33%，且存在一個(gè)使拉拔力顯著下降的臨界振幅。

超聲振動(dòng)拉管的作用機(jī)理與超聲振動(dòng)拉絲相同，在傳統(tǒng)的拉管裝置上安裝超聲振動(dòng)系統(tǒng)，超聲振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的超聲振動(dòng)傳遞給拉管裝置的內(nèi)?；蛲饽?，如圖4b所示，在拉管過程中，工件以速度vw進(jìn)行拉拔成形，內(nèi)外模單獨(dú)振動(dòng)或者同時(shí)以頻率f和振幅A進(jìn)行超聲振動(dòng)，即可有效地改善拉管的質(zhì)量和效率。Pasierb等［31］利用純鋁進(jìn)行了管件的超聲拉拔試驗(yàn)，結(jié)果表明：鋁管直徑由18mm變形為16mm，壁厚由1.5mm變形為1.0～1.45mm時(shí)，平均拉拔力降低約69%。

圖4 超聲振動(dòng)拉拔工藝示意圖

通常認(rèn)為，超聲振動(dòng)拉拔工藝相對(duì)于傳統(tǒng)拉拔工藝具有降低拉拔力、提高延伸系數(shù)、減少拉拔道次、提高成形質(zhì)量、擴(kuò)大拉拔工藝材料范圍等優(yōu)點(diǎn)［1］。

超聲振動(dòng)沖壓工藝，主要應(yīng)用在薄板桶形件的拉深成形。波蘭、日本和前蘇聯(lián)的學(xué)者在該工藝的研究上取得了較好的成果，Smith等在進(jìn)行鋁板超聲振動(dòng)拉深試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其極限拉深比可提高約6%～20%，且壓邊力的大小、振幅的選擇對(duì)極限拉深比有著較大的影響［32］。Pasierb等［31］采用特殊的徑向超聲振動(dòng)凹模附加一個(gè)壓邊圈，在對(duì)鋁、銅、鋅和黃銅等板材的拉深試驗(yàn)中應(yīng)用超聲振動(dòng)后，成形力明顯下降，且工件在模具間的定位更加準(zhǔn)確。Jimma等［33］研制了包含16個(gè)振子的拉深裝置，其模具為帶法蘭盤的環(huán)形模具，超聲振動(dòng)沿凹模徑向方向，在對(duì)0.5mm厚薄鋼板進(jìn)行拉深時(shí)，最大拉深比從2.68提高到了3.01。此外，他們還總結(jié)了5種超聲振動(dòng)拉深的振動(dòng)方式，如圖5a所示，并發(fā)現(xiàn)軸向振動(dòng)方式（1、2）相對(duì)于其他振動(dòng)方式對(duì)提高極限拉深比的效果更為明顯。

圖5 超聲振動(dòng)拉深、擠壓工藝示意圖

超聲振動(dòng)擠壓工藝如圖5b所示，沖頭以速度vs正擠壓工件，通過在沖頭或擠壓模上單獨(dú)或同時(shí)施加頻率f和振幅A的超聲振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)擠壓成形。在鋁材或銅材的擠壓工藝中，通過在沖頭或擠壓模上引入超聲振動(dòng)后，擠壓速度可以提高1.5～3倍，且其擠壓力可減小一半。在超聲振動(dòng)擠壓工藝中，超聲振動(dòng)的主要作用是：提高材料塑性，降低變形抗力，減小接觸摩擦因數(shù)，提高潤(rùn)滑效果［1］。Mousavi等［34］在進(jìn)行的超聲振動(dòng)擠壓有限元方法研究中，通過擠壓速度、振動(dòng)頻率、振幅、摩擦因數(shù)和縮減率等參數(shù)的變化，分析了超聲振動(dòng)對(duì)金屬流動(dòng)應(yīng)力、等效應(yīng)變和擠壓力的影響。結(jié)果表明：當(dāng)擠壓速度低于臨界速度時(shí)，擠壓力和金屬流動(dòng)應(yīng)力會(huì)下降，例如，當(dāng)擠壓速度為40mm／s，在擠壓速度方向施加頻率為20kHz、振幅為10μm的超聲振動(dòng)時(shí)，金屬流動(dòng)應(yīng)力最大可下降約14%，且通過減小擠壓速度或增大振幅的途徑可大幅度地減小平均擠壓力。

超聲振動(dòng)鉚接是在鉚釘?shù)妮S向施加超聲振動(dòng)完成的。超聲振動(dòng)鉚接可降低鉚鐓力，減小鉚釘頭的高度和開裂率，提高連接強(qiáng)度。此外，超聲振動(dòng)還在彎管和矯直工藝中得到應(yīng)用，在芯模上施加超聲振動(dòng)后，可有效減小摩擦力和外側(cè)管壁的變薄量，實(shí)現(xiàn)節(jié)省材料和降低重量的目的［1］。

5 結(jié)語

超聲振動(dòng)金屬塑性加工技術(shù)具有降低成形力，降低金屬流動(dòng)應(yīng)力，減小模具與工件間的摩擦，擴(kuò)大金屬材料塑性加工成形的范圍，提高金屬材料塑性成形能力，提高產(chǎn)品表面質(zhì)量和尺寸精度等優(yōu)點(diǎn)。

目前，受限于對(duì)超聲振動(dòng)塑性加工技術(shù)的理論研究不夠深入，以及受限于超聲振動(dòng)塑性加工系統(tǒng)的功率大小，該技術(shù)除在拉拔、沖壓、擠壓等金屬塑性成形工藝中有一定應(yīng)用外，在其他的金屬塑性加工技術(shù)中仍處于試驗(yàn)研究階段，要進(jìn)一步深入推廣和應(yīng)用超聲振動(dòng)金屬塑性加工技術(shù)，有以下主要問題需要解決：

（1）需要解決體積效應(yīng)和表面效應(yīng)的定量分析問題，探討超聲振動(dòng)與溫度、應(yīng)變速率之間的關(guān)系。

（2）需要探討超聲振動(dòng)頻率、振幅對(duì)體積效應(yīng)和表面效應(yīng)的影響規(guī)律。

（3）需要解決合理選擇超聲振動(dòng)施加方式的問題，以及對(duì)超聲振動(dòng)下機(jī)器疲勞損壞的保護(hù)事宜。

（4）需要探討研究設(shè)計(jì)大功率的超聲振動(dòng)金屬塑性加工系統(tǒng)，擴(kuò)大超聲振動(dòng)塑性加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

可以看出，超聲振動(dòng)塑性加工技術(shù)中的兩大效應(yīng)的研究進(jìn)展很大程度上決定了該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平，積極開展超聲振動(dòng)塑性加工技術(shù)的機(jī)理研究和創(chuàng)新應(yīng)用，將有助于該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。

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