超聲輔助微擠壓成形系統(tǒng)設(shè)計

彭 卓, 韓光超,2,3, 李 凱, 陳 昊

(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. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗室, 哈爾濱 150001;3. 華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室, 武漢 430081)

超聲輔助微擠壓成形系統(tǒng)設(shè)計

彭 卓1, 韓光超1,2,3, 李 凱1, 陳 昊1

(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. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗室, 哈爾濱 150001;3. 華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室, 武漢 430081)

針對微型零部件的超聲微擠壓成形過程，對超聲振動平臺的振動特性進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計，研制可實(shí)現(xiàn)工件輔助超聲振動的超聲微擠壓成形系統(tǒng)。在對矩形六面體豎直超聲振動模態(tài)進(jìn)行仿真分析的基礎(chǔ)上，通過矩形六面體的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化并設(shè)置一定數(shù)量的圓柱形內(nèi)孔，使得超聲變幅器輻射面可實(shí)現(xiàn)均勻的豎直方向超聲振幅輸出，并采用雙換能器和雙變幅桿驅(qū)動形式實(shí)現(xiàn)整體超聲振動系統(tǒng)的支撐和振動能量的輸入。實(shí)驗結(jié)果表明，所研制的超聲輔助微擠壓成形系統(tǒng)可負(fù)載微成形工件及模具實(shí)現(xiàn)豎直方向的整體超聲諧振，并能滿足工件超聲振動輔助微擠壓成形加工的需求。

微擠壓; 工件超聲振動; 超聲變幅器; 振動特性; 仿真分析

隨著微型零部件在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、通訊、電子等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，微型構(gòu)件的微細(xì)成形加工受到廣泛關(guān)注。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了應(yīng)用傳統(tǒng)塑性加工工藝制備微型零件的微塑性成形工藝，可用于生產(chǎn)至少在兩維方向上尺寸小于1 mm的零件。微塑性成形工藝制備微型零件具有高精度、高生產(chǎn)效率、低成本、凈成形等優(yōu)點(diǎn)，并已大量應(yīng)用于微電子、微機(jī)械等行業(yè)當(dāng)中，已成為微器件制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要包括微擠壓、微鍛造、微沖裁等工藝[1]。微塑性成形工藝并不是傳統(tǒng)塑性成形工藝的簡單幾何縮小，由于存在介觀尺度效應(yīng)，建立在宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)上的塑性變形理論已不再適用，傳統(tǒng)的塑性成形設(shè)備和工藝方法也已不能滿足微塑性成形的要求，這使得各種復(fù)合微塑性成形工藝成為國內(nèi)外研究和發(fā)展的焦點(diǎn)。超聲輔助微塑性成形工藝正是在此背景下被提出并成為微塑性成形加工領(lǐng)域的重要研究方向之一[2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對超聲輔助微塑性成形工藝進(jìn)行了廣泛的研究。Bunget等[3]對超聲振動微擠壓成形的基本特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)超聲振動使模具/工件表面間產(chǎn)生很高的瞬間相對速度，不易形成黏著摩擦，改善了潤滑條件，且摩擦力的方向隨著模具/工件界面的相對運(yùn)動不斷改變，有利于材料流動。Yao等[4]進(jìn)行介觀尺度高頻振動輔助微鐓粗成形研究，結(jié)果表明超聲振動引起變形力降低主要存在應(yīng)力疊加、超聲軟化以及摩擦力降低等3個方面原因，而超聲引起的材料軟化是主因。Witthauer等[5]研究了超聲沖裁過程中聲波軟化與硬化的作用規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)高速沖裁時超聲振動能夠減弱應(yīng)變速率的影響，且沖裁力可降低30%。張博等[6]對紫銅箔板的超聲微沖裁成形工藝進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)紫銅箔板的表面粗糙度隨著沖頭超聲振幅的增加而降低。Bai等[7]采用超聲微鍛壓工藝來提高金屬箔板表面質(zhì)量，結(jié)果也表明工具的超聲振動可有效降低金屬箔板的表面粗糙度。Hung等[8]研究了多種合金材料的超聲微墩粗成形過程，結(jié)果表明超聲振動可降低材料的塑性變形抗力，但振動能量較大時材料會產(chǎn)生硬化現(xiàn)象。Huang等[9]搭建了20 kHz 超聲振動輔助微拉深系統(tǒng)，對超聲振幅、板厚等微拉深成形工藝進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)超聲振動能明顯降低沖頭載荷，振幅越大，沖頭載荷越低，最大降幅可達(dá)32%。Zhuang等[10]研究超聲振動輔助成形內(nèi)在機(jī)理，發(fā)現(xiàn)振動有利于降低材料流動性和改善試樣表面形貌，而成形力的降幅與所施加超聲振動的振幅成比例關(guān)系。Luo等[11]采用超聲振動來實(shí)現(xiàn)金屬薄板微壓印成形過程，通過工具超聲振動熔融塑料顆粒來傳遞成形壓力和超聲波振動。結(jié)果表明高頻振動能夠有效地減少微壓印缺陷，提高制品的尺寸精度和幾何精度。

上述研究表明，在超聲輔助微塑性成形工藝中，輔助超聲振動可有效改善金屬材料的微塑性成形過程。但在目前的研究中，超聲振動主要施加在工具頭上，對工件直接施加超聲振動的研究較少，這主要是由于工件的形狀、尺寸和質(zhì)量的多樣性使得超聲諧振的實(shí)現(xiàn)難度較大。而已有研究表明[12]，工件的輔助超聲振動可以有效降低工件材料的屈服強(qiáng)度和塑性變形抗力，從而有利于增強(qiáng)材料的微塑性成形性能。在超聲微塑性成形工藝中，不同工藝參數(shù)微成形模具和工件之間的形狀和尺寸差別不大，且總體質(zhì)量較小，這都降低了實(shí)現(xiàn)超聲諧振的難度。但目前仍缺乏一種可負(fù)載不同微小形狀和尺寸工件實(shí)現(xiàn)超聲輔助振動的微塑性成形平臺，從而靈活滿足各種超聲微塑性成形工藝的需求。本文在前期對多孔矩形六面體超聲變幅器進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上[13]，以超聲微擠壓成形工藝為研究對象，對矩形六面體超聲振動平臺進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，研制可實(shí)現(xiàn)工件輔助超聲振動的超聲輔助微擠壓成形系統(tǒng)，并進(jìn)行超聲微擠壓成形實(shí)驗驗證。

1 超聲輔助微擠壓成形系統(tǒng)設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)工件超聲振動輔助微擠壓成形，需要研制具有較強(qiáng)負(fù)載能力的超聲振動平臺。矩形六面體由于具有極為豐富的三維耦合振動模式，且在某些頻率附近諧振頻率密集分布，作為一種有效的寬頻帶輻射聲源特別適合于制備可負(fù)載多種形狀和尺寸工件的大尺寸超聲變幅器[14-15]。但由于矩形六面體超聲變幅器具有明顯的三維耦合振動特性，因此需要對其振動特性進(jìn)行優(yōu)化控制，才能滿足超聲輔助微擠壓成形工藝單向振動的要求。

1.1 矩形六面體結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用ANSYS有限元軟件對常規(guī)矩形六面體(基本尺寸為120 mm×130 mm×40 mm)的超聲振動模態(tài)進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)矩形六面體有一種特殊的固有模態(tài)，可使得矩形六面體上下表面的中心區(qū)域?qū)崿F(xiàn)Z向的對稱垂直振動(如圖1中六面體上下表面中間部分黑色區(qū)域所示，此時默認(rèn)的超聲輸入方式為水平Y(jié)向輸入)，如果將其上表面中心區(qū)域作為輻射面即可滿足超聲輔助微擠壓成形工藝要求。

圖1 矩形六面體特殊振動模態(tài)

圖2 優(yōu)化設(shè)計尺寸的矩形六面體振動模態(tài)

根據(jù)超聲微擠壓成形實(shí)驗要求對矩形六面體形狀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。設(shè)定矩形六面體長寬相等，高度小于1/4波長，材料為鈦合金Ti6242，工作頻率為20 kHz，其彈性模量E=116 GPa，密度ρ=4 500 kg/m3，泊松比υ=0.34。根據(jù)表觀彈性法，可確定其基本尺寸為160 mm×160 mm，并得到Z向振動模態(tài)如圖2中所示。仿真結(jié)果表明，重新設(shè)計的矩形六面體在上下表面中心區(qū)域(圖2中六面體上表面中心黑色圓形區(qū)域)仍保持均勻且單一方向的振動特性，但總體振幅分布并不均勻，且諧振頻率僅為18 607 Hz，較20 kHz的工作頻率低7%，因此需要對其進(jìn)行進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

已有研究表明，R-L型超聲變幅器是一種類似可實(shí)現(xiàn)超聲振動方向轉(zhuǎn)換的超聲變幅器，它通過桿與盤的結(jié)合，將縱向振動與徑向振動進(jìn)行耦合，可以實(shí)現(xiàn)桿的軸向振動位移與盤的徑向振動位移間的相互轉(zhuǎn)換。因此，參考R-L超聲變幅器的結(jié)構(gòu)，采用逆向結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)水平振動與豎直振動間的相互轉(zhuǎn)換。所得到超聲變幅器的基本結(jié)構(gòu)由中部的方形板和上下對稱的方形凸臺連接而成，其超聲振動模態(tài)的仿真分析結(jié)果如圖3中所示。結(jié)果表明，經(jīng)過結(jié)構(gòu)調(diào)整的超聲變幅器諧振頻率已在工作頻率的允許范圍內(nèi)(20 kHz±0.5 kHz)，同時保持了中心區(qū)域(圖3中凸臺上表面的中心黑色圓形區(qū)域)的Z向單一振動特性。

圖3 矩形超聲變幅器基本結(jié)構(gòu)仿真特性

1.2 超聲變幅器振動特性研究

為了對超聲變幅器結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，調(diào)整超聲變幅器的諧振頻率并增強(qiáng)Z向的超聲振幅，采用ANSYS軟件對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下超聲變幅器的振動模態(tài)進(jìn)行仿真分析，主要研究凸臺結(jié)構(gòu)(如凸臺高度和凸臺邊長)對超聲變幅器振動特性的影響。另外，為減少超聲變幅器結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中，在超聲變幅器的中部方形板與凸臺結(jié)構(gòu)間采用圓弧過渡，以增加桿結(jié)構(gòu)與盤結(jié)構(gòu)的耦合面積，并增強(qiáng)耦合效果。其基本結(jié)構(gòu)如圖4(a)中所示，Z向振動仿真模態(tài)如圖4(b)所示，凸臺中心黑色圓形區(qū)域為均勻縱振覆蓋區(qū)域。

首先研究不同凸臺高度對超聲變幅器振動特性的影響規(guī)律。主要研究凸臺高度變化對超聲變幅器諧振頻率和凸臺中心均勻縱振覆蓋區(qū)域分布面積的影響，凸臺高度的取值范圍為5～45 mm。仿真分析結(jié)果如圖5(a)中所示。由結(jié)果可知，隨著凸臺高度的增加，超聲變幅器的縱振基頻呈現(xiàn)先增大后減小規(guī)律，而其相對應(yīng)的均勻縱振區(qū)域分布面積則呈現(xiàn)先減小后增大規(guī)律。當(dāng)凸臺高度為15 mm時，可獲得較好的縱振基頻和較大面積的均勻縱振區(qū)域。

(a) 矩形超聲變幅器優(yōu)化結(jié)構(gòu)

(b) Z向振動仿真模態(tài)

在凸臺高度一定的條件下，對不同凸臺邊長的超聲變幅器進(jìn)行仿真模態(tài)分析。凸臺邊長的取值范圍為40～120 mm。仿真分析結(jié)果如圖5(b)中所示。分析結(jié)果表明，超聲變幅器的縱振基頻隨凸臺邊長的增大呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，而其均勻縱振區(qū)域分布面積則呈現(xiàn)單調(diào)線性增長趨勢。當(dāng)凸臺邊長為80～90 mm時，可獲得較好的縱振基頻和較大面積的均勻縱振區(qū)域。上述仿真分析結(jié)果表明，隨著凸臺高度和邊長的增加，即隨著矩形超聲變幅器中部凸臺質(zhì)量的增加，超聲變幅器的頻率增加存在一個明顯的峰值，可根據(jù)工作頻率需要設(shè)定合適的尺寸。而在均勻縱振分布區(qū)域方面，隨著凸臺高度的增加，縱向振動能量的傳遞損耗也增加，因此縱振分布區(qū)域總體呈先逐漸減小然后小幅上升趨勢，存在一個最小分布極值；而隨著凸臺邊長的增加，凸臺表面積也隨之增大，因此縱向振動能量的傳播面積也隨之增大，從而有利于均勻縱振面積的增加。

圖5 矩形超聲變幅器振動特性與不同凸臺高度和凸臺邊長的關(guān)系

Fig.5 Vibration characteristics of rectangular sonotrode with different height and length of convex platform

在對超聲變幅器凸臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化分析后，還通過在凸臺內(nèi)分布一定數(shù)量的豎直圓柱形孔來調(diào)節(jié)超聲變幅器的振動特性以及輻射面上均勻縱振覆蓋區(qū)域面積，并采用類似的仿真分析方法對圓柱形孔分布特性進(jìn)行了研究[16]。經(jīng)過最終仿真優(yōu)化得到的超聲變幅器結(jié)構(gòu)及其超聲振動模態(tài)如圖6(a)中所示，其均勻縱振覆蓋區(qū)域(圖中凸臺上表面中心黑色圓形區(qū)域)基本覆蓋整個凸臺的輻射面，有利于實(shí)現(xiàn)負(fù)載在超聲變幅器表面任意位置進(jìn)行連接，且超聲變幅器的諧振頻率也滿足工作要求。

1.3 超聲振動微擠壓系統(tǒng)設(shè)計

為了驗證所研制的超聲變幅器對工件的負(fù)載能力，將一簡單形狀工件(直徑10 mm，高度15 mm的45#鋼質(zhì)圓柱)通過螺紋與超聲變幅器上表面的孔進(jìn)行連接，負(fù)載工件后變幅器整體振動模態(tài)如如圖6(b)中所示。仿真結(jié)果顯示，超聲變幅器的縱振基頻僅微升0.4%，同時，工件整體獲得了均勻且最大的Z向超聲振幅。這表明所研制的超聲變幅器可在一定尺寸和質(zhì)量范圍內(nèi)負(fù)載工件實(shí)現(xiàn)超聲諧振，且系統(tǒng)的諧振頻率對負(fù)載不敏感，并具有較強(qiáng)的負(fù)載能力。

為了實(shí)現(xiàn)超聲變幅器與超聲振動系統(tǒng)以及微擠壓成形設(shè)備的有效結(jié)合，采用雙換能器和雙變幅桿驅(qū)動形式實(shí)現(xiàn)整個超聲振動系統(tǒng)的支撐和振動能量的輸入。根據(jù)設(shè)計方案制備的微擠壓超聲振動實(shí)物系統(tǒng)如圖7中所示[17]。采用杭州成功超聲設(shè)備有限公司生產(chǎn)的兩套YP5020-4D超聲換能器和兩個階梯型變幅桿與超聲變幅器進(jìn)行雙向?qū)ΨQ連接。在階梯型變幅桿的節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置法蘭及支撐座，整套超聲系統(tǒng)采用一臺TJS-3000超聲電源提供高頻電信號，從而滿足超聲輔助微擠壓成形工藝要求。

(a) 優(yōu)化結(jié)構(gòu)振動模態(tài)

(b) 負(fù)載工件后振動模態(tài)

Fig.6 Vibration modal of structure optimized sonotrode and vibration modal loading with workpiece

圖7 超聲振動系統(tǒng)整體裝配圖

2 超聲輔助微擠壓成形實(shí)驗

為了驗證所研制超聲微擠壓成形系統(tǒng)的實(shí)際效果，采用該超聲振動平臺對鉛質(zhì)工件進(jìn)行超聲輔助微擠壓實(shí)驗。微擠壓成形實(shí)驗采用日本島津AG-100 kN壓力機(jī)(如圖8(a)中所示)，凹槽尺寸為0.8 mm和1 mm的微擠壓模具如圖8(b)中所示。工件為直徑10 mm，厚度4.5 mm的鉛質(zhì)圓柱工件，通過模套將工件和模具連接到超聲變幅器上表面實(shí)現(xiàn)整體超聲諧振。直徑4 mm的碳化鎢圓棒作為壓頭在壓力機(jī)作用下以0.1 mm/min的速度完成微擠壓過程，壓下行程為0.5 mm。有/無超聲振動的擠壓成形工件如圖9中所示(模具凹槽寬度為1 mm)，其擠出凸臺高度如圖10中所示。結(jié)果表明，在工件的輔助超聲振動條件下，鉛質(zhì)圓柱工件微擠壓十字凸臺擠出高度比常規(guī)微擠壓過程增加了50%以上，這表明所研制超聲微擠壓成形系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了超聲微擠壓成形實(shí)驗，同時工件的輔助超聲振動顯著改善了金屬材料的微塑性成形性能，提升了材料的微擠壓擠出成形性能。

(a) 成形實(shí)驗裝置

(a)無振動(b)工件超聲振動

圖9 超聲輔助微擠壓成形鉛質(zhì)工件

Fig.9 Ultrasonic assisted micro extrusion lead workpiece

3 結(jié) 論

為了滿足負(fù)載不同形狀和尺寸的微小工件實(shí)現(xiàn)超聲輔助微塑性成形加工的需求，以超聲微擠壓成形工藝為研究對象，研制可實(shí)現(xiàn)工件輔助超聲振動的超聲輔助微擠壓成形系統(tǒng)，得到如下研究結(jié)論：

(1) 矩形六面體超聲變幅器具有可實(shí)現(xiàn)豎直超聲振動的特殊振動模態(tài)；

圖10 超聲輔助微擠壓鉛工件擠出高度與模具尺寸關(guān)系圖

Fig.10 Relation between ultrasonic assisted micro extrusion height of lead work-piece and mould size

(2) 參考R-L型超聲變幅器結(jié)構(gòu)，對矩形六面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可使得矩形超聲變幅器的輻射面上基本實(shí)現(xiàn)均勻豎直方向超聲振動輸出；

(3) 超聲變幅器的凸臺結(jié)構(gòu)尺寸變化會直接影響超聲變幅器的諧振頻率以及輻射面上的均勻縱振覆蓋區(qū)域面積；

(4) 采用雙換能器和雙變幅桿驅(qū)動形式可實(shí)現(xiàn)整個超聲振動系統(tǒng)的支撐和振動能量的輸入；

(5) 超聲微擠壓成形實(shí)驗表明，所研制的超聲微擠壓成形系統(tǒng)可負(fù)載微型工件和模具實(shí)現(xiàn)超聲諧振，并改善材料的微擠壓成形性能，滿足超聲振動輔助微擠壓成形工藝要求。

致謝

本文的研究還得到中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目—“大學(xué)生自主創(chuàng)新資助計劃”項目(1610491B08)的大力支持，在此表示感謝！

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Design of an ultrasonic-assisted micro extrusion forming system

PENG Zhuo1, HAN Guangchao1,2,3, LI Kai1, CHEN Hao1

(1. School of Electronic Information & Mechanics, China University of Geosiences, Wuhan 430074, China;2. State Key Lab of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;3. State Key Lab of Materials Forming and Die & Mould Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

For an ultrasonic-assisted micro extrusion process of a micro part, an ultrasonic micro extrusion forming system was developed to realize the ultrasonic-assisted vibration of a workpiece. The numerical simulation analysis method was used to optimize the vibration characteristics of a rectangular hexahedron ultrasonic horn. Based on analyzing vertical ultrasonic vibration modes of the rectangular hexahedron, the radiating surface of the ultrasonic horn was made to realize uniform vertical outputs of ultrasonic vibration amplitude through optimizing structural parameters of the rectangular hexahedron and making a certain number of cylindrical holes inside. Double transducers and double stepped horns were designed to support the whole ultrasonic vibration system and to input the ultrasonic vibration energy. Test results showed that the developed ultrasonic assisted micro extrusion forming system can be used to load micro forming workpieces and dies and to realize global ultrasonic resonances; it can meet the requirements of workpieces’ ultrasonic-assisted micro extrusion forming processing.

micro extrusion; ultrasonic vibration of workpiece; ultrasonic horn; vibration characteristics; simulation analysis

湖北省科技支撐計劃項目(2015BAA019)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗室開放課題(AWJ-M15-07)；廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室開放基金課題(14-045-15S06)；華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室開放基金課題(P2015-04)

2016-04-26 修改稿收到日期：2016-06-17

彭卓 男，碩士生，1993年生

韓光超 男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，1974年生

TG375

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.15.039