超聲振動對微盒形件拉深高度及斷口質量的影響

查長禮 陳 煒

江蘇大學機械工程學院，鎮江，212013

超聲振動對微盒形件拉深高度及斷口質量的影響

查長禮 陳 煒

江蘇大學機械工程學院，鎮江，212013

構建了一種基于超聲振動的SUS304薄板成形試驗裝置以研究微盒形件的拉深性能，探究了不同的試樣厚度、模具及振幅對微盒形件拉深高度與斷口質量的影響，并引入歸一化比例系數λ，分析了三種模具對應的試樣成形時對超聲振動的敏感性。結果表明：在加載超聲振動時，厚度為40μm、100μm和200μm三種試樣對應的最大拉深高度分別由0.19mm、0.30mm和0.79mm提高至0.24mm、0.44mm和1.10mm；在無振動方式下拉深微盒形件至破裂時拐角處的斷口呈撕裂狀、凹凸不平，而隨著振幅的增大，斷口趨向平坦；2號模具對超聲振動的敏感性高于另外兩種模具。

超聲振動；微盒形件；拉深高度；斷口

0 引言

金屬塑性成形技術具有加工成本低、成形質量好且生產效率高等優點，是一種適合微成形件批量生產的技術。近年來，各領域對微型化金屬件的需求呈上升趨勢，尤其是對微盒形件的需求。拉深高度與圓角半徑比(H/r)即相對高度是評價微矩形件的一種重要參數，如何通過理想且簡單的拉深方法在一次拉深階段獲取較高的H/r值即拉深高度與圓角半徑比已成為一些學者研究的課題。

基于超聲振動的金屬塑性成形與常規金屬塑性成形方法相比，擁有諸多優點，如成形力小、板料與工具間的摩擦力小[1]、有效防止起皺與撕裂[2]等，該成形方法已成功應用于拉深[3]、彎曲[4]、擠壓及拉拔[5]等塑性成形工藝。MOSTAFAPUR等[6]在對微杯形件進行拉深成形時采用脈動式壓邊圈，使得厚度為1 mm的鋁1050薄板極限拉延比相比于采用靜態壓邊圈時可提高8%；PASIERB等[7]研究了超聲振動對拉深和拉延兩種成形工藝的影響，結果表明增加了超聲振動變形力均出現減小；JIMMA等[4]在對厚度為0.5 mm的304不銹鋼薄板進行拉深試驗時引入超聲振動，將20～21 kHz的頻率施加于壓邊圈，觀察到極限拉延比由2.38提高至2.77，表明有徑向振動激發的壓邊圈或凹模在其厚度方向上施加振動時均能有效提高拉延比。目前，拉深成形中使用超聲振動技術的研究主要集中在宏觀尺度下，而利用超聲振動對微拉深成形進行研究的涉及較少。為此，本文設計了一種用于研究在施加超聲振動條件下SUS304薄板微盒形件拉深性能的試驗裝置，探究了不同厚度、模具及振幅對微盒形件拉深高度的影響，并對未施加超聲振動和施加超聲振動條件下的微盒形件斷口質量進行了分析。

1 試驗裝置及參數

本研究中用于微成形拉深試驗的設備選用30-kN MTS電子萬能試驗機，該設備具備可控性好、精度高、數據自動采集及實時性強等優點。微盒形件成形裝置由凸模、凹模、壓邊圈、超聲波發生器、換能器、變幅桿及支撐機構等組成，如圖1所示。超聲波發生器的額定激振頻率為19.891 kHz，最大輸出功率為2 kW，不計損耗時實測凹模上表面的最大振幅為15.6 μm。變幅桿將換能器的振幅放大并傳遞至凹模，實現凹模高頻振動。通過調節超聲波發生器振幅輸出最大量程的比例，選取3.9 μm，7.8 μm和10.4 μm三種縱向振幅進行微成形試驗。

圖1 微盒形件成形裝置Fig.1 The micro-square cup forming apparatus

試驗材料選擇40 μm、100 μm和200 μm三種不同厚度尺寸的SUS304不銹鋼薄板，其化學成分如表1所示。

表1 304不銹鋼的化學成分(質量分數)

為研究不同的模具尺寸對微成形的影響，采用模塊化方法設計了三組用于研究微盒形件拉深的模具，如圖2所示。為防止微小粗糙顆粒對試驗的影響，對模具各個部件進行了精細的研磨與拋光處理；凸凹模間隙為凸模長邊尺寸的3%；模具尺寸的比例系數λ按照1.0、0.5、0.2遞變，同時試樣的厚度尺寸t、加工尺寸也按照相同比例遞變，

(a)1號模具 (b)2號模具 (c)3號模具圖2 不同尺寸的微成形模具Fig.2 The different sizes of micro-deep drawing mold

即試樣的厚度分別為200 μm、100 μm和40 μm，對應的試樣加工尺寸(長×寬)分別為20 mm×10 mm、10 mm×5 mm和4 mm×2 mm；選擇三種與模具對應的4250 N、910 N和95 N沖壓力進行拉深試驗，拉深速度均為0.01 mm/s，具體拉深試驗參數見表2。各種試樣在每種試驗方案下至少重復試驗3次，以保證結果的有效性。

表2 微拉深試驗參數

考慮微成形裝置的強度因素，當試樣在沖壓力作用下進行拉深成形時，沖頭下行進入凹模內腔直至試樣剛好出現破裂，試驗機停止工作，隨后取下試樣測量微成形件的拉深高度。

2 試驗結果與討論

2.1 振幅與模具尺寸對拉深高度的影響

表3～表5為不同的試樣厚度、模具及振幅下試驗測定的拉深高度值。試驗結果得出在施加超聲振動時微盒形件的拉深高度均出現了增大，且不同的試樣厚度、模具及振幅對拉深高度的影響有著明顯的差異。厚度為0.20 mm的1號模具對應的拉深高度由0.79 mm提高到1.10 mm；厚度為0.10 mm的2號模具對應的拉深高度由0.30 mm增加至0.44 mm；厚度為0.04 mm的3號模具對應的拉深高度由0.19 mm提高到0.24 mm。導致該現象出現的主要原因有兩個方面:超聲振動產生的減小板料與模具間摩擦力的“表面效應”，以及降低材料流動應力的“體積效應”。

表3 1號模具的拉深高度(H1)

表4 2號模具的拉深高度(H2)

表5 3號模具的拉深高度(H3)

通過分析試驗數據發現,在振幅為10.4 μm時三種模具的拉深高度增加率均呈現減緩。由于施加超聲振動后降低了材料的屈服強度，減小了成形力，當振幅增加到一定時會出現屈服強度增大的現象,即超聲“硬化”現象[8]，因此，振幅為10.4 μm時拉深高度增加率下降主要由于超聲“硬化”現象所導致。

將不同模具、試樣厚度及振幅下試驗測定的拉深高度值按照比例系數λ為1、0.5、0.2進行歸一化處理，結果見表6。可見，1號和3號模具的拉深高度值相差不大，2號模具的拉深高度與其他兩種模具的拉深高度有一定差異。2號模具對應的厚度為0.1 μm的試樣對超聲振動敏感性明顯高于1號和3號模具，且“硬化”現象占主導地位。

表6 歸一化的拉深高度(H)

2.2 振幅對微盒形件斷口的影響

BUNGET等[9]在進行超聲振動對微成形的影響研究中，選用鋁(AA1100)和黃銅作為試驗材料，對不同尺寸、不同擠壓方式和不同潤滑方式的試樣進行微擠壓成形，并通過對微擠壓成形后的試樣表面形貌觀察與擠壓載荷的測量，發現在超聲振動輔助下的微擠壓獲得的表面質量明顯高于其他成形方式獲得的表面質量,即出現“表面效應”。從本試驗結果分析，超聲振動有利于提高微盒形件的表面質量。圖3為厚度0.2 mm的試樣分別在無振動和3.9 μm、7.8 μm和10.4 μm振幅方式下獲得的微盒形件的拉深結果。

圖3 微盒形件拉深結果Fig.3 The drawing result of micro-square cup

由圖4可知，無振動方式下微盒形件拐角處的斷口呈撕裂狀、凹凸不平；而隨著振幅的增大斷口趨向平坦，這與超聲振動“體積效應”中的“軟化”機制降低了流動應力、提高充模性能[10]， “表面效應”減小了摩擦力以及“硬化”等耦合作用有關。

(a)無振動 (b)振幅為3.9 μm

(c)振幅為7.8 μm (d)振幅為10.4 μm 圖4 不同振幅下的斷口Fig.4 The different amplitudes of fractures quality at the corner of the micro-square cup

3 結論

(1) SUS304薄板超聲振動微盒形件拉深成形過程中存在明顯的聲波“軟化”、“硬化”機制與“表面效應”。在施加超聲振動后，采用三種不同的試樣厚度、模具及振幅試驗方式成形后的拉深高度均得到了提高，且隨著振幅的增大而增大。由于不同尺寸的試樣對超聲振動的敏感程度存在著差異，故隨著振幅的增大，其中厚度為0.10 mm的試樣“硬化”現象體現得較其他兩種試樣更明顯。

(2)當振幅增大時，超聲“硬化”機制表象加劇，使得拉深高度增加率出現減緩。

(3)在無振動方式下成形微盒形件時其拐角處的斷口呈撕裂狀、凹凸不平；當施加超聲振動時，由于超聲振動 “軟化”機制降低流動應力、提高充模性能，“表面效應”減小了摩擦力以及“硬化”等耦合作用，使得增大振幅時的斷口趨向平坦。

[1] HUNG J C, LIN C C. Investigations on the Material Property Changes of Ultrasonic-vibration Assisted Aluminum Alloy Upsetting[J]. Mater. & Des.,2013,45:412-420.

[2] ASHIDA Y, AOYAMA H. Press Forming Using Ultrasonic Vibration[J]. Journal of Matericals Processing Technology, 2007,187(3):118-122.

[3] MURAKAWA M, JIN M. The Utility of Radially and Ultrasonically Vibrated Dies in the Wire Drawing Process[J]. Journal of Matericals Processing Technology, 2001,113(1/3):81-86.

[4] JIMMA T, KASUGA Y, IWAKI N, et al. An Application of Ultrasonic Vibration to the Deep Drawing Process[J].Journal of Matericals Processing Technology,1998,80/81(98):406-412.

[5] SIEGERT K, MOCK A. Wire Drawing with Ultrasonically Oscillating Dies [J]. Journal of Materials Processing Technology,1996,60(1):657-660.

[6] MOSTAFAPUR A, AHANGAR S, DADKHAH R. Numerical and Experimental Investigation of Pulsating Blank Holder Effect on Drawing of Cylindrical Part of Aluminum Alloy in Deep Drawing Process[J]. Int. J Adv. Manuf. Technol., 2013,69:1113-1121.

[7] PASIERB A, WOJNAR A . An Experimental Investigation of Deep Drawing and Drawing Process of Thin-walled Products with Utilization of Ultrasonic Vibrations[J]. Journal of Matericals Processing Technology,1992,34(1/4):489-494.

[8] YAO Zhezhe. Acoustic Softening and Residual Hardening in Aluminum: Modeling and Experiments[J]. Int. J. Plast., 2012, 39:75-87.

[9] BUNGET C, NGAILE G. Influence of Ultrasonic Vibration on Micro-extrusion[J]. Ultrasonics,2011,51:606-616.

[10] SAEED B, KAREN A. Effect of Ultrasonic Vibration on Compression Behavior and Microstructural Characteristics of Commercially Pure Aluminum[J]. Journal of Materials Engineering and Performance,2015,7:495-507.

(編輯 王艷麗)

Effects of Ultrasonic Vibration on Drawing Height and Fracture Quality at Corners of Micro-square Cup

ZHA Changli CHEN Wei

School of Mechanical Engineering, Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu,212013

A SUS304 sheet metal forming experiment set-up was designed to investigate the drawing formability of micro-square cup based on ultrasonic vibrations. Effects of the drawing height and fracture quality at the corners of the micro-square cup were researched with various sample thicknesses, molds and vibration amplitudes. And the normalized ratio coefficientλwas introduced to analysis the sensitivity of three kinds of mold to the ultrasonic vibration in drawing. Results show that using vibration following the deep drawing processes the height is increased from 0.19 mm to 0.24 mm, from 0.30 mm to 0.44 mm, and from 0.79 mm to 1.10 mm for thickness of 40 μm, 100 μm and 200 μm, respectively. The fractures at the corners of the micro-square cup present tears and irregulars in the absence of ultrasonic vibration conditions, and with the increasing of vibration amplitudes, the fractures become flatter. It is observed that the more sensitivity of No.2 mold to ultrasonic vibration is stronger than that of the other two types.

ultrasonic vibration; micro-square cup; drawing height; fracture

2016-05-25

高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20133227110013)

TG301

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.05.016

查長禮，男，1980年生。江蘇大學機械工程學院博士研究生。主要研究方向為微成形理論與技術、特種成形工藝及裝備。發表論文8篇。E-mail:zhachangli@126.com。陳 煒，男，1965年生。江蘇大學機械工程學院教授、博士研究生導師。