金屬超聲振動塑性成形技術研究現狀及其發展趨勢

仲崇凱，管延錦，姜良斌，解振東

（山東大學材料液固結構演變與加工教育部重點實驗室，濟南 250061）

在傳統的金屬塑性成形過程中，如果利用一定的裝置對模具或工件進行激振，不僅可以降低工件和模具之間的摩擦力及整體成形力，同時還能提高材料的變形能力或成形性能，得到更好的工件質量［1］。迄今為止，人們針對金屬超聲振動塑性成形的理論機制，以及超聲振動在棒料拉絲、管材拉拔、板料成形、擠壓成形、粉末成形、鐓鉚、冷鍛、旋壓、擺動輾壓等塑性成形工藝中的應用進行了大量研究，其中振動拉絲和振動拔管等已經獲得了實際的工程應用［2—3］。文中詳細介紹金屬超聲振動塑性成形的研究現狀，并展望未來的重點發展方向。

1 金屬超聲振動塑性成形的技術原理與主要特點

1.1 技術原理

金屬超聲振動塑性成形是指對經典的塑性加工系統中的加工模具（或被加工材料）施以一定方向、頻率和振幅的可控超聲振動，從而利用超聲能量輔助完成各種塑性成形加工的工藝過程。用于金屬成形的超聲施振裝置一般由超聲波發生器、換能器、變幅軒和工具頭等基本部分構成［2—7］，如圖1所示。

圖1 超聲振動裝置Fig.1 Ultrasonic-vibration device

超聲波發生器的作用是將工頻交流電轉換為超聲頻電震蕩信號，以供給工具頭端面往復振動的能量。換能器的作用是將高頻電震蕩信號轉換成機械振動。超聲波變幅桿又稱超聲變速桿或超聲聚能器，其作用是放大換能器所獲得的超聲振幅，以滿足超聲成形的需要［5］。

一般將由換能器、變幅桿以及加工工具等所組成的系統稱為超聲振動系統。圖2給出了一種超聲振動輔助壓縮的實驗裝置示意圖。

圖2 超聲振動輔助壓縮試驗裝置示意圖Fig.2 Equipment for ultrasonic-vibration assisted compression

1.2 主要特點

與常規塑性成形相比，超聲振動塑性成形能夠顯著降低成形力，減少模具與工件間的摩擦，提高加工速度，減少中間處理環節［8］，并能有效提高制品的表面質量和尺寸精度。由于超聲振動塑性成形可提高材料的變形能力或成形性能，在高硬度、高強度及難變形材料的塑性加工方面具有獨特優勢，這可能成為一些特殊新材料的最有效加工途徑［7］。人們針對金屬超聲振動塑性成形的理論機制，以及超聲振動在棒料拉絲、管材拉拔、板料成形、擠壓成形、粉末成形、鐓鉚、冷鍛、旋壓、擺動輾壓等塑性成形工藝中的應用進行了大量研究，其中振動拉絲和振動拔管等已經獲得了實際的工程應用。

2 超聲振動塑性成形國內外研究現狀

2.1 理論研究

1955 年 Blaha 和 Langenecker［9］在進行超聲振動作用下的鋅單晶拉伸實驗時，觀察到了材料的變形力突然減小的“軟化現象”，這一現象被稱為金屬的超聲塑性加工效應，也稱為Blaha效應。Blaha效應的發現引起了人們極大的興趣，眾多學者就超聲振動在塑性變形體中的傳播及其對被加工材料行為的影響進行了研究。例如，Meleka和Harris［10］對純鋅進行拉伸試驗時施加20×103Hz的超聲振動，發現樣品所能承受的變形量比普通拉伸時大100%以上，并且這種優異的抗斷裂能力與預變形程度無關，而與振動的幅值成正比。Meleka認為采用振動所取得的效果與升溫所取得的效果相同。迄今為止，對金屬超聲振動塑性成形理論機制的研究均是建立在所謂“體積效應（volume effect）”和“表面效應（surface effect）”2個概念的基礎之上:金屬塑性流動時振動對內部應力影響的體積效應;振動對被加工工件與模具間的外摩擦影響的表面效應。

在體積效應研究方面，Kempe［11］等人提出了位錯可能吸收振動能量的3種機制，即:共振機制、松弛機制以及滯后作用。Atanasiu［12］對超聲場中有關金屬材料的參數變化給出了系統的定量計算式，并用剛粘塑性模型描述了強超聲場成形工藝中的金屬行為，認為材料的屈服強度是超聲強度的指數函數。何勍等人［13］基于彈粘塑性本構關系，討論了附加振動時單軸拉伸的應變及應力變化過程，給出了低中頻振動塑性加工中體積效應的一個一維力學模型，發現振動拉伸的應力歷程取決于應變歷史和應變率的大小。何勍等人［14］根據疊加原理的基本思想，采用Kirchner等人對應變變化的基本假定，給出了體積效應機理的數學描述，并且指出體積效應機理的本質在于平均應力的減小。振動對于金屬單軸拉伸過程的影響主要取決于頻率、振幅及變形速度3個參量，宏觀的作用結果表明當塑性變形的速度很緩慢時，平均應力降低的幅度僅取決于振幅的大小，而頻率的改變對體積效應沒有明顯的影響。鄭金鑫等人［15］指出超高頻振動下材料的本構關系已發生重大變化，他研究了金屬材料在超高頻振動下的特殊行為，建立了材料在超高頻振動下的本構方程，并著重指出在研究和分析材料在超高頻作用下的性能時必須考慮到微結構間的影響。蔡改貧等人［16—17］采用Kirchner對應變時間歷程的基本假設，針對振動拉伸建立了一維的粘彈塑性模型;根據所給定的振型參數和材料力學性能參數，結合特定的振動拉伸實例，分別得出金屬在準靜態拉伸和振動拉伸時的動態應力與時間、動態應力與應變和平均應力與應變率的變化趨勢等，基于粘彈塑性本構關系分析了低頻振動塑性成形的體積效應機理。Huang等人［18］以塑性泥模擬和實驗研究了超聲振動作用下的金屬熱鐓粗成形過程，發現平均成形力降低，并解釋為應力0疊加和界面摩擦的降低，實驗中采用三維多普勒激光測振儀測量振動參數。Hung等人［19］實驗研究了A6061-T6鋁合金在超聲振動鐓粗過程中的成形載荷降低機制，在無摩擦條件下鐓粗過程中超聲振動能提高試樣溫度和軟化試樣表面，從而降低成形載荷。另一方面，金相分析和顯微硬度試驗揭示了在鐓粗過程中位錯存在能量吸收，也對成形載荷的降低有所貢獻。G.Faraji［20］等人采用實驗和有限元分析結合的方法，研究了管狀通道角擠壓成形中，軸向和徑向的超聲振動振幅對材料變形行為和擠壓力的影響;實驗結果表明施加超聲振動后，有效應變的大小和應變分布的均勻性都得到提升，并且振幅越大，有效應變越大，應變分布越均勻;模擬結果表明，超聲振動能降低擠壓力，并且振幅越大，擠壓力越低;另外，徑向振動對應變和擠壓力的影響要大于軸向振動。

在表面效應研究方面，Dawson等人［21］認為，將振動引入塑性加工后，在加工工件與工具之間由于振動而產生瞬間分離;摩擦力矢量反向，使得在振動周期的部分時間里摩擦力反而有利于變形加工;局部熱效應的作用，使得局部粘焊現象減少，振動改善了加工潤滑條件，表面成形質量將顯著提高。Siegert和Ulmer［22］將超聲效應與體積效應分離開，用滑動摩擦向量法（SFVE法，Sliding Friction Vector Effect）解釋了超聲波減少滑動摩擦力的現象。通過對模具施加平行于拉拔方向的超聲振動（頻率范圍20 kHz～22 kHz），發現摩擦力降幅與超聲振幅和拉拔速度相關，提出了超聲振動條件下的摩擦模型，建立了摩擦力降幅與綜合速度（取決于拉拔速度和振動速度）、接觸壓力、潤滑劑黏度、材料和表面參數等的函數關系。蔡改貧等人［23—24］建立并求解了振動拉拔加工中的力學平衡微分方程，結合塑性變形應力應變假設，得到了方程的近似解以及非局部條件下振動拉拔摩擦力的解析表達式，對振動拉拔表面效應進行了理論探討，研究發現表面效應的影響因素主要是頻率、振幅和非局部影響系數。Bunget等人［25］設計了超聲振動微擠壓成形系統，實驗研究了超聲振動降低成形載荷（如圖3所示）和提高工件表面質量（如圖4所示）的效果，超聲振動使模具/工件界面上產生高的瞬時相對速度，不易形成粘著摩擦，改善了潤滑條件。同時，摩擦力的方向隨模具/工件界面上的相對運動方向的不斷改變而變化，這有利于材料的流動。

圖3 超聲振動對復合擠壓成形載荷的影響（黃銅）Fig.3 Influence of the ultrasonic vibration on the forming cup extrusion test（Brass）

圖4 正擠壓有/無超聲振動工件表面質量對比Fig.4 Comparison between the surfaces obtained with and without ultrasonic load for forward-backward oscillations for forward extrusion

雖然眾多學者對體積效應和表面效應進行了多方面的研究，但基于精確實驗并給出定量描述的模型至今還沒有形成，許多學者在此方面的認識基本仍局限于20世紀70年代的描述。即對于體積效應的2種解釋:其一是坯料內部微粒產生振動后活性增大、溫度升高，出現與晶體位錯有關的熱致軟化，坯料的動態變形阻力隨之降低，它通常被看作是高振幅、高能量密度時能夠降低材料流動應力的主要原因;其二是基于唯象力學的應力疊加原理，它被看作低振幅、低振動能量密度時降低材料流動應力的主要原因。此外，也有人認為，振動的擾力作用將使金屬中的應力多向化，從而使在不同方位的滑移面均易產生滑移，同時在動靜載荷聯合作用下，晶體塑性變形的滑移和孿晶機制都能得到很好的發揮，均有利于提高材料的塑性［7］。對于表面效應的2種解釋也基本維系20世紀70年代的2種考慮:一是摩擦因數減小，二是摩擦矢量的改變。在振動塑性加工時，坯料與工具的接觸面由于振動而產生瞬間分離、摩擦力方向產生改變、局部熱效應以及振動對潤滑條件的改善，被認為是產生表面效應的幾個主要原因，直接的表現就是成形過程的摩擦力得到降低。盡管體積效應最初是在超聲振動下發現的，但有關研究表明低頻振動下仍會產生體積效應和表面效應，產生這2個效應的振動頻率范圍通常在15 Hz至1.5×106Hz。

2.2 工程應用

近年來，由于資源與環境問題的日益突出，對鋁合金、鎂合金等輕合金材料及其塑性成形工藝的研究成為熱點之一。其中，如何提高材料的塑性成形能力是擴大輕合金材料應用范圍的關鍵，也是一個迫切需要解決的問題。金屬超聲振動塑性成形由于具有如前所述的特點，有望為輕合金材料的塑性成形加工開辟一條嶄新的途徑。在設備裝置方面，不論是低頻振動還是高頻振動，都存在向大功率發展的問題，進一步發展高效率、大功率、廉價、簡單、使用方便的換能器，將是一個很重要的研究課題［26］。

針對鋁/鎂合金等輕合金的超聲振動塑性成形，國內外專家學者研究了在超聲振動條件下的拉絲、拉拔、拉深、鐓粗、擠壓等塑性成形過程，充分證實了超聲振動可以提高材料的成形性能，降低在各種塑性成形方式下的成形力，能夠達到良好的成形效果。例如，Hung等人［27］建立了一套圖5所示的高溫超聲振動鐓粗裝置，進行了高溫下鋁合金的超聲振動鐓粗試驗，結果顯示超聲振動可以明顯降低熱壓時的壓制力，降低幅度隨著溫度增加而降低。另外，發現應變率對降低鋁合金壓制力的影響不大。Hung［28］等人采用A6061鋁合金試樣進行了超聲振動圓環鐓粗實驗和有限元模擬，研究了鐓粗過程中超聲振動對摩擦的影響，結果表明超聲振動不僅能效降低材料的流動應力，而且能使材料溫度升高。Daud［29—30］對1050鋁合金進行了超聲振動下的拉伸和壓縮實驗，實驗得到的應力應變關系并不滿足簡單的振蕩應力疊加模型，表明僅僅通過應力疊加和表面效應來描述超聲激勵對金屬成形過程的影響是不夠的。袁江波［31］在以實際生產拉絲機為平臺的拉絲實驗中，考察了有無超聲振動情況下拉拔力的變化，發現超聲振動傳遞到模具上，引起了摩擦因數的降低和模具對絲的高速沖擊作用，從而使拉拔力下降，而且改善了模具與拉絲線材之間的接觸狀況，減少了絲表面劃痕、凹坑等缺陷，提高了表面加工質量。Yao［32］等人對純鋁（Al 1100）在高頻振動下的微/中尺度成形及其高頻振動的作用機制進行了研究，研究基于超聲振動鐓粗實驗和有限元模擬分析，發現9.3 kHz的橫向振動使試樣上表面的表面粗糙度由1.5 μm降至0.9 μm，使沖頭/試樣間的摩擦因數由0.14降至0.07，成形力減小約50%。Rasoli［33］實驗研究了軸向超聲振動對6061鋁合金管的旋壓成形的影響，并且通過模態分析研究了成形系統的振動特性。實驗發現低功率的軸向振動可提高鋁管的內表面質量，而高功率的振動則有助于降低成形力。Wen等人［34］對AZ31鎂合金板料深拉深（室溫下）的過程施加頻率1.5 kHz功率2 kW的超聲振動，研究發現高頻振動對AZ31鎂合金板料的成形性能和失效方式、成形載荷等有顯著影響，影響程度取決于施加的振動振幅，實驗中振幅約為最大振幅的25%時，AZ31鎂合金板料的成形能力達到最佳。Hung［35］等人結合試樣尺寸和晶粒尺寸等因素，研究了超聲振動對黃銅（C2600）微成形的影響，發現在微壓縮實驗中，隨試樣尺寸的減小或者晶粒尺寸的增大，流動應力都會減小。而超聲振動輔助微壓縮能顯著降低流動應力，尤其是對于微型試樣來說，且降低幅度受試樣尺寸的影響比受晶粒尺寸的影響要大。

圖5 高溫超聲振動鐓粗裝置Fig.5 Ultrasonic hot upsetting experiment set up

3 關于超聲振動塑性成形研究的問題和思考

近年來，鋁/鎂合金等輕合金材料的超聲振動塑性成形研究已引起塑性成形領域眾多學者的關注，其研究取得了重要的進展，但尚存在以下問題。

1）目前的研究基本限于簡單的實驗研究，大多是針對鋁/鎂合金等輕合金材料的超聲振動塑性成形，研究超聲振動對鋁/鎂合金等輕合金材料的塑性成形工藝過程的成形力降低和成形質量的影響效果。而就振動參量對鋁/鎂合金材料的性能、失效形式和特點、微觀組織，尤其是就超聲振動對材料流動和變形規律的作用機制等，缺乏系統、深入、細致的研究。

2）盡管眾多學者對金屬超聲振動塑性成形中的體積效應和表面效應進行了多方面的研究，但迄今為止基于精確實驗并給出定量描述的模型還沒有形成，人們尚未解決超聲振動對金屬塑性成形過程的影響與作用機制的物理本質等科學問題，理論研究相對滯后。自1955年F.Blaha和B.Langenecker發現體積效應至今，金屬材料學已有了長足的發展，彈塑性動力學、沖擊動力學等彈塑性波動理論與實驗技術方面的研究成果不斷涌現。因此，引入金屬材料學、彈塑性動力學和沖擊動力學、塑性成形理論等的最新成果，定量描述體積效應和表面效應的機理，揭示超聲振動對體積效應和表面效應的本質影響，已經成為金屬超聲振動塑性成形領域急需解決的問題之一。

3）金屬超聲振動塑性成形是一種高速下的行為，采用傳統實驗方法難以對成形過程中的物理場量進行有效觀測，數值模擬技術可以實現對振動塑性成形過程的實時定量研究，已經有許多研究者應用數值模擬技術分析振動塑性成形工藝過程，但整體上看，這些模擬研究所依據或建立的材料本構關系、理論模型等不夠準確，還不能很好地反映體積效應和表面效應這2種振動效應。

在超聲振動塑性成形研究中，應通過實驗、理論建模和數值模擬相結合的方法，系統研究鋁/鎂合金超聲振動塑性成形中的材料行為，揭示超聲振動對鋁/鎂合金材料的性能、變形行為、失效形式、微觀組織和位錯等的作用機制和作用規律。引入非局部摩擦理論、塑性成形理論、沖擊動力學和彈塑性動力學理論、金屬材料學的位錯動力學理論等的最新成果，定量描述體積效應和表面效應的機理，闡明超聲振動對體積效應和表面效應的作用機制。這對于豐富和發展金屬超聲振動塑性成形理論，促進金屬超聲振動塑性成形技術的應用，具有重要的理論意義與工程應用價值。

4 結語

目前，超聲振動塑性成形還存在著一些需要解決的問題，制約了該技術的進一步推廣應用，但其能大幅度降低材料變形抗力、提高材料成形極限、改善產品表面質量、降低加工能耗等優點的意義是不言而喻的。隨著人們對金屬超聲振動塑性成形的理論研究和工程應用的不斷推進，該技術將具有非常廣闊的應用前景。

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