金屬超聲振動(dòng)擠壓特性實(shí)驗(yàn)研究

金屬超聲振動(dòng)擠壓特性實(shí)驗(yàn)研究目錄金屬超聲振動(dòng)擠壓特性實(shí)驗(yàn)研究 0摘要 2第一章緒論 61.1 課題研究背景 61.2 微成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 61.2.1國外的微成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 61.2.2國內(nèi)的微成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 81.3超聲輔助微成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 91.3.1超聲輔助微成形技術(shù)工藝發(fā)展現(xiàn)狀 91.3.2超聲振動(dòng)在金屬成形中作用機(jī)理研究 101.4研究的內(nèi)容及意義 11第二章超聲波輔助微擠壓成形實(shí)驗(yàn) 132.1實(shí)驗(yàn)方案 132.2實(shí)驗(yàn)裝置及模具 142.2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)＞叩脑O(shè)計(jì) 142.2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備壓力機(jī) 162.2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備超聲振動(dòng)系統(tǒng) 172.3實(shí)驗(yàn)坯料的制備 182.4單晶體塑性變形的機(jī)制 192.5本章小結(jié) 19第三章T2紫銅超聲輔助微擠壓成形實(shí)驗(yàn)研究 213.1T2紫銅超聲輔助微擠壓實(shí)驗(yàn) 213.1.1實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)過程介紹 213.1.2體式顯微鏡和金相顯微鏡介紹 223.2模具變形區(qū)尺寸對(duì)微擠壓過程的影響 23第四章利用ABAQUS軟件對(duì)坯料的超聲成形過程進(jìn)行仿真 254.1ABAQUS軟件介紹 254.2ABAQUS/CAE主要特征 264.3微擠壓有限元模型的建立 274.4設(shè)置仿真參數(shù)及云圖分析 29第五章總結(jié)與展望 335.1總結(jié) 335.1展望 34致謝 38摘要近些年來，微型零部件在電子通信、航空航天、汽車制造、精密儀器等行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，微型零件的成形工藝和成形設(shè)備也受到了市場和科研方面的廣泛關(guān)注，市場對(duì)于高效率、低成本、精度高的微型零部件的需求也在不斷增大。因此這對(duì)于微型零件成形工藝和成形設(shè)備的設(shè)計(jì)制造就有了更多更新的要求，由于介觀尺寸效應(yīng)的影響，使得坯料在成型過程中的成形力、與模具之間的摩擦力變大，坯料成形后的變形區(qū)成形性能降低。從高頻率振動(dòng)在宏觀的材料塑性成形的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，將超聲波振動(dòng)加入到塑性成形中可以有效改善金屬塑性成形中坯料的成形力，坯料與模具之間的摩擦力，成形后變形區(qū)的力學(xué)性能等。本文將根據(jù)已知的超聲能場加入到微塑性成形中的優(yōu)點(diǎn)，將超聲振動(dòng)和微塑性成形結(jié)合到一起，研究坯料經(jīng)熱處理后晶粒相對(duì)于模具的大小和所加超聲波功率大小對(duì)金屬坯料成形能力的影響規(guī)律，用坯料在模具中的擠出長度作為金屬成型能力的判斷標(biāo)準(zhǔn)，分析材料在受到不同超聲振幅時(shí)應(yīng)力應(yīng)變和微觀組織的變化規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，超聲波在加到材料微擠壓過程中，超聲振動(dòng)在坯料上產(chǎn)生的聲波軟化效應(yīng)和工具的應(yīng)力疊加效應(yīng)在材料成形中成形力下降，成形性能提高的影響中占主要因素。實(shí)驗(yàn)中使用的金屬材料為經(jīng)熱處理和磨床處理過的T2紫銅，實(shí)驗(yàn)中還設(shè)計(jì)了未加入超聲振動(dòng)材料微擠壓的過程，將成形后的變形區(qū)與加入超聲振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：加入超聲能場會(huì)明顯降低材料成形時(shí)的成形力，并且加入的超聲波頻率越高，T2紫銅的成形力會(huì)下降的愈加明顯，成形之后性能也會(huì)顯著提高，另外，超聲輔助微擠壓成形中模具與材料之間的摩擦狀況也會(huì)隨超聲波振幅的提高而發(fā)生明顯的改善。研究內(nèi)容如下：制備實(shí)驗(yàn)所需的T2紫銅材料，將材料進(jìn)行熱處理，得到實(shí)驗(yàn)中所需的晶粒大小為200μm的坯料，同時(shí)由于在微擠壓開始工具向下擠壓材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生鐓粗過程，因此需要將材料用磨床進(jìn)行端面的平整處理。設(shè)計(jì)一系列針對(duì)超聲振幅大小和晶粒與模具相對(duì)大小的實(shí)驗(yàn)，模具分為三種，擠出直徑大小分別為0.5mm、0.7mm、0.9mm，超聲波振幅用功率來表示，超聲波頻率為20kHz，功率為30%、50%、70%、90%。在未加超聲振動(dòng)時(shí)，三種模具成形最為困難，在加入超聲振動(dòng)后，材料流動(dòng)應(yīng)力逐漸變小，擠出的長度逐漸變長，成形區(qū)的表面質(zhì)量也逐漸變好。但超聲波振幅增大時(shí)，表面質(zhì)量的改善情況并不明顯。完成微擠壓實(shí)驗(yàn)之后，將成形件鑲樣，磨樣，腐蝕液腐蝕，觀察變形之后的晶界分布和晶粒大小的變化，實(shí)驗(yàn)表明，加入超聲振動(dòng)之后，成形件的晶粒會(huì)被細(xì)化，微觀組織相較于傳統(tǒng)塑性成形質(zhì)量會(huì)顯著提高。在做完實(shí)際實(shí)驗(yàn)之后，利用ABAQUS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行仿真，以了解在理想條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)如何，觀察仿真中坯料受到的應(yīng)力分布以及坯料在模具中的變形過程。在ABAQUS中可以直接看到坯料受力的變化過程就可以直接推斷出金屬坯料晶粒變化最大的是哪一部分。關(guān)鍵詞：T2紫銅；超聲振動(dòng)；微塑性擠壓；超聲振幅AbstractForthelastfewyears,micro-componentsarewidelyusedinelectroniccommunication,aerospace,automobile,precisioninstrumentmanufacturingandotherindustries,what’smore,theformingtechnologyandequipmentofminiaturepartshavealsobeenwidelyconcernedbythemarketandscientificresearch.Andasthesametimethereisalsoagrowingdemandforhighefficiency,lowcostandhighprecisionmicrocomponents.Becauseofthis,therearemoreandmorerequirementsforthedesignandmanufactureofformingtechnologyandformingequipmentofmicroparts.However,duetotheeffectofmicroscopicdustanalysis,thefrictionbetweentheformingforceandthedieincreasesduringtheformingprocess.Andtheformabilityofthedeformedareaisreducedafterforming.It’sfoundthataddingultrasonicvibrationtoplasticformingcaneffectivelyimprovetheformingforceoftheblank,thefrictionbetweentheblankandthedie,andthemechanicalpropertiesofthedeformationzoneafterformingfromtheexperimentofmacroscopicmaterialplasticwithhighfrequencyvibration.Accordingtotheadvantagesthatareknownofmicroplasticformingwithultrasonicenergyfield,inthispaper,theeffectofgrainsizeandultrasonicpowerontheformingabilityofbilletafterheattreatmentwillbestudiedinthissituationofcombiningultrasonicvibrationandmicroplasticforming.Theextrusionlengthoftheblankinthedieisusedasthecriterionofmetalformingability.Thestress-strainandmicrostructureofthematerialunderdifferentultrasonicamplitudeswillbeanalyzed.Itisfoundthroughtheexperimentalstudythatwhenultrasonicwaveisaddedtothemicro-extrusionprocessofthematerial,Thesofteningeffectofultrasonicvibrationontheblankandthestresssuperpositioneffectofthetoolarethemainfactorsinthereductionofformingforceandtheimprovementofformingperformance.ThemetalusedintheexperimentisT2coppertreatedbyheattreatmentandgrindingmachine.Themicro-extrusionprocesswithoutultrasonicvibrationmaterialwasalsodesignedintheexperiment.Throughcomparingifthereisultrasonicvibrationintheexperimentornot,it’sfoundthatultrasonicenergyfieldcanobviouslyreducetheformingforceofthematerialandthehighertheultrasonicfrequencyis,themoreobvioustheformingforceofT2copperwilldecrease,andtheperformancewillalsobesignificantlyimprovedaftertheforming.Thefrictionbetweenthemoldandthematerialinultrasonicassistedmicroextrusionisalsoimprovedwiththeincreaseofultrasonicamplitude.Theresearchcontentisasfollows:TheT2redcoppermaterialwhichwasheattreatedwaspreparedtoobtaintheblankwith200mgrainsizerequiredintheexperiment.Atthesametime,becausetheprocessofupsettingoccurswhenthetoolpressesthematerialdownwardatthebeginningofmicroextrusion,thematerialneedstobeleveledwithagrindingmachine.Aseriesofexperimentsonultrasonicamplitudeandrelativesizeofgrainandmoldweredesigned.Themoldsaredividedintothreetypes,andtheextrusiondiameteris0.5mm,0.7mmand0.9mm,respectively.Theultrasonicamplitudeisrepresentedbypower,andtheultrasonicfrequencyis20kHz,andpoweris30%,50%,70%,and90%.Intheabsenceofultrasonicvibration,thethreetypesofmoldformingisthemostdifficult.Aftertheultrasonicvibrationisadded,theflowstressofthematerialgraduallydecreases,theextrusionlengthgraduallygetslonger,andthesurfacequalityoftheformingareagraduallygetsbetter.However,thesurfacequalitydoesnotimproveobviouslywiththeincreaseofultrasonicamplitude.Afterthemicro-extrusionexperiment,insertsample,abrasivesampleandetchingliquidoftheformedpartwerecorroded,andobservedthegrainboundarydistributionandgrainsizechangeafterdeformation.Theresultsshowthatafterultrasonicvibrationisadded,thegrainsoftheformedpartswillberefined,andthemicrostructurewillbesignificantlyimprovedcomparedwiththetraditionalplasticformingquality.Aftertheactualexperiment,theexperimentprocesswassimulatedwithABAQUSsoftwaretounderstandtheperformanceoftheexperimentalresultsunderidealconditions,andthestressdistributionoftheblankandthedeformationprocessoftheblankinthemoldwereobservedinthesimulation.InABAQUS,thechangeprocessofbilletstresscanbedirectlyobserved,andthepartwiththelargestgrainchangeofmetalbilletcanbedirectlyinferred.Keywords:T2redcopper;Ultrasonicvibration;Microplasticextrusion;Ultrasonicamplitude第一章緒論課題研究背景微型零件在微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、通訊、電子、航天航空、汽車、等制造中已經(jīng)被比較廣泛的應(yīng)用了，因此市場對(duì)于微細(xì)零部件的精密等級(jí)，工藝質(zhì)量等要求也在不斷提高，因此微成形加工的零部件的工藝技術(shù)也受到了比較廣泛的關(guān)注。上世紀(jì)90年代已經(jīng)出現(xiàn)了將傳統(tǒng)工藝技術(shù)應(yīng)用到微型塑性成形零件的加工中，可以生產(chǎn)尺寸在兩個(gè)維度上小于或等與1mm的塑性成形零件。微塑性成形工藝制備的零部件具有生產(chǎn)效率更高、生產(chǎn)成本較傳統(tǒng)制備工藝更低、精度更高等優(yōu)點(diǎn)，并已經(jīng)應(yīng)用于電子、機(jī)械等大量的制造行業(yè)中，已經(jīng)是微塑性成形零件的主要技術(shù)之一，主要包括擠壓、鍛造、沖裁，拉伸，拉拔等工藝[1]。微形化技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的極速發(fā)展給人們帶來了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越以往加工工藝的方便，人們對(duì)微形化產(chǎn)品和零部件的需求也越來越大。零件微型化對(duì)零件的加工中材料、工藝、工模具和設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生影響，所以在微細(xì)即微觀成形方面有很多和在傳統(tǒng)的加工成形方面的不同。微成形零件中的技術(shù)與傳統(tǒng)加工工藝中的不同并不是單純的尺寸上面的減小，由于尺寸的減小導(dǎo)致的微形尺寸效應(yīng)，也可稱為介觀尺寸效應(yīng)，使得傳統(tǒng)的材料成形的理論已經(jīng)不再適用于微塑性加工工藝之中。傳統(tǒng)的加工工藝和加工設(shè)備也不能夠在微塑性加工中發(fā)揮較大的作用，這就使得對(duì)微塑性加工工藝成為國際和國內(nèi)的研究重點(diǎn)[2]。很多國家和民間私營企業(yè)均投入了大量的資源用于微成形技術(shù)的研究，例如我國就把“微/納米制造科學(xué)與技術(shù)”列到國家科學(xué)技術(shù)研究的重點(diǎn)資助領(lǐng)域中。雖然目前的微成形技術(shù)有很多種類，有很多微成形技術(shù)也十分成熟了，但市場的需求需要生產(chǎn)的企業(yè)做到降低成本、提高效率、滿足市場需求、縮短周期，這些因素的存在制約了LIGA、激光等微成形技術(shù)的廣泛應(yīng)用。因此人們?cè)趥鹘y(tǒng)的加工技術(shù)上逐漸的研究和改進(jìn)，用來制造微成型零件。微成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國外的微成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀微型化產(chǎn)品由于其自身具有體積更小、精度更高、反應(yīng)快、低耗能、良好的穩(wěn)定性和重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，正被國內(nèi)外科研單位和制造行業(yè)所關(guān)注。雖然上述提到的這些技術(shù)都能夠成功加工出微細(xì)零部件，但是在效率及成本等方面都不能滿足微型化產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的要求。相較于以上所說的微加工技術(shù)，近乎于凈成形的塑性成形技術(shù)，如沖壓、脹形、鐓擠等，更能滿足微型化產(chǎn)業(yè)量大、高效、低成本等要求[3]。微成形技術(shù)中擁有傳統(tǒng)的技術(shù)中的大部分優(yōu)點(diǎn)，例如成形時(shí)間短、材料的整體利用率更高、加工成本降低、工序簡化以及成形后的零件性能較好并且精度較高，可以采用沖裁、鐓鍛、拉管、擠壓、模壓和拉絲等多種塑性成形方法，滿足大部分形狀復(fù)雜制造流程較長的微型零件的制造要求。法國權(quán)威科技市場研究與分析機(jī)構(gòu)YoleDevelopment于2013年發(fā)布的研究報(bào)告指出，2013年MEMS的全球市場額約為120億美元[4]。微形零部件在制造業(yè)的廣泛應(yīng)用對(duì)于零件各要求如精度、性能、質(zhì)量等也提出了更高的要求，同時(shí)需求量也在不斷提高，這促使在對(duì)生產(chǎn)過程中的成本、精度、合格率等都提出了相對(duì)以往更高的要求。微塑性成形零件和其他的微形零件制造比較的話，有著更好的發(fā)展優(yōu)勢和更加廣闊的發(fā)展趨勢，因?yàn)楸旧砭陀袀鹘y(tǒng)的制造技術(shù)和工業(yè)基礎(chǔ)作為底子，這樣很多技術(shù)有點(diǎn)可以作為基礎(chǔ)和優(yōu)勢可以應(yīng)用到現(xiàn)在微塑性成形的發(fā)展上面來。各國也在微塑性技術(shù)的發(fā)展上面投入了大量的資源，尤其是西方發(fā)達(dá)國家，這其中主要以美國和德國為代表。德國已經(jīng)發(fā)展出LIGA技術(shù)，日本則發(fā)展出超精密加工技術(shù)，同時(shí)還發(fā)展了電火花微加工技術(shù)、深層腐蝕電刻技術(shù)、將微加工技術(shù)加入到板材的沖壓中等微加工技術(shù)[5]。在硅基上面進(jìn)行光刻之后，通過腐蝕工藝腐蝕掉其他多余的材料，得到一種準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)的技術(shù)被稱為表面的微機(jī)械加工技術(shù)，世界上的第一個(gè)微形靜電馬達(dá)就是采用這種技術(shù)的制造生產(chǎn)而成的微機(jī)電系統(tǒng)零件。體積微機(jī)械加工工藝是指去掉一部分材料這里指的同樣是硅基，從而得到想要的微細(xì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的一種加工技術(shù)，鍵合技術(shù)還有在硅基上腐蝕電刻技術(shù)的出現(xiàn)又為體微機(jī)械加工工藝提供了新的發(fā)展方向。SOIMEMS即是現(xiàn)在多種體硅加工的一個(gè)重要方向，歐益宏等[6]采用的就是該技術(shù)進(jìn)行硅深槽刻蝕。Vollertsen教授[7]在宏觀微塑性成形實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)宏觀成形件的表面成形質(zhì)量更好，微觀塑性成形中成形件的表面有輕微起皺，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比也證實(shí)了在微觀塑性成形的情況下，成形件的表面形貌不好控制。下圖1.1為兩種成形情況下的成形件對(duì)比照片。圖1.1宏觀和微觀下拉深成形件的對(duì)比1.2.2國內(nèi)的微成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀反觀國內(nèi)的微成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，國內(nèi)在微成形領(lǐng)域的研究起步較晚，同時(shí)由于國內(nèi)在技術(shù)、設(shè)備、成形理論、科研人員等方面的局限性導(dǎo)致我國微成形技術(shù)發(fā)展緩慢，目前國內(nèi)的成形方法有微沖壓、微鑄造、激光微加工、微注塑等成形方法，國內(nèi)研究的微成形技術(shù)主要是在傳統(tǒng)塑性成形工藝的基礎(chǔ)上結(jié)合多年成熟經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐開發(fā)微成形技術(shù)[8]。孟慶當(dāng)教授等[9]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)304不銹鋼的箔板在微成形過程中板的變形應(yīng)力和彎曲角度隨著不銹鋼板厚的逐漸增厚而不斷減小，這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在Hall-Petch關(guān)系式?jīng)]有辦法得到很好的解釋，孟慶當(dāng)教授把用相對(duì)厚度代替了原來公式中的厚度，被修改后的Hall-Petch關(guān)系式可以比較好的解釋在實(shí)驗(yàn)中材料因變形而產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)。單德彬教授等[11]自行設(shè)計(jì)了一套微塑性成形系統(tǒng)以進(jìn)行徽塑性成形工藝研究，并進(jìn)行了齒輪的成形實(shí)驗(yàn)，在保證成形齒輪表面質(zhì)量的同時(shí)，也能保證成形件的尺寸精度。單德彬教授等采用數(shù)字化技術(shù)設(shè)計(jì)了加工制造形狀復(fù)雜的圓盤類微形零件的模具，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜模具設(shè)計(jì)制造的數(shù)字一體化方法，并優(yōu)化了模具設(shè)計(jì)制造加工工藝。季忠與鄭超等[12]利用自己團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的的脈沖激光，將激光作用于材料表面進(jìn)行等離體爆轟波的沖擊實(shí)驗(yàn)，通過有限元模型中等效塑性變形速率、變形殘余應(yīng)力和應(yīng)變的分布來描述變形機(jī)理，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試樣厚度越大，變形深度逐漸減??；脈沖激光能量逐漸增大，變形深度也逐漸增大，模具直徑和變形深度沒有明顯的數(shù)據(jù)關(guān)系。1.3超聲輔助微成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1超聲輔助微成形技術(shù)工藝發(fā)展現(xiàn)狀超聲輔助是指結(jié)合塑性加工工藝，將超聲波振動(dòng)加入到材料成形中，使工件受到周期性振動(dòng)的情況下產(chǎn)生變形的一種加工技術(shù)，由于超聲波的加入，使得材料成形中流動(dòng)應(yīng)力下降，得到一定的軟化效果，并在一定程度上提高材料成形力，改善了工件和工具之間表面的接觸狀況，降低成形抗力，改善成形件表面質(zhì)量和尺寸精度。1955年，B.Langenecker和F.Blaha最早把超聲振動(dòng)加入到金屬塑性成形加工中，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)把超聲波振動(dòng)加入到拉伸實(shí)驗(yàn)過程中，材料成形時(shí)的屈服應(yīng)力和流動(dòng)應(yīng)力都出現(xiàn)了顯著的下降，這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象被后來在這個(gè)領(lǐng)域的研究者稱為Blaha效應(yīng)[13]?，F(xiàn)在，在他們之前的研究基礎(chǔ)上，國內(nèi)外越來越多的研究者對(duì)Blaha效應(yīng)及超聲波振動(dòng)在材料塑性成形中的大范圍應(yīng)用方面進(jìn)行了大量的研究。Langenecke等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)單晶鋁坯料進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)加入超聲波振動(dòng)會(huì)對(duì)材料有顯著的聲波軟化現(xiàn)象（如圖1.2，單晶鋁在不同處理狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變曲線），超聲波能量對(duì)單晶鋁的聲波軟化程度和單晶鋁在高溫狀態(tài)下的軟化程度在某些方面是類似的[14]。圖1.2鋁單晶不同處理狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變的曲線2006年，C.J.Bunget[15]等設(shè)計(jì)了一系列的超聲波振動(dòng)輔助微擠壓實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1.3所示，研究實(shí)驗(yàn)過程中當(dāng)施加高頻率振動(dòng)時(shí)微擠壓成形的材料成形規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)施加高頻率振動(dòng)時(shí)微擠壓過程中材料的成形力有顯著的的下降，并且微擠壓制品的表面質(zhì)量和模具工件之間的摩擦狀況都有明顯的的改善。Bunget等研究了超聲波振動(dòng)微擠壓成形的基本特性，他們發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)使模具與工件表面間的摩擦狀況不同于普通擠壓時(shí)模具和工件之間的接觸情況，超聲振動(dòng)可以使?jié)櫥瑮l件得到有效改善。圖1.3Bunget等人研制的超聲微擠壓設(shè)備實(shí)物圖2007年，Mekaru等發(fā)現(xiàn)在加入超聲波之后，微擠壓成形的零件表面質(zhì)量更好，同時(shí)成形力和成形時(shí)間都比原來減少很多，同時(shí)微壓制零件的精度也得到提高[16]。2013年，J.C.Hung等綜合考慮了各項(xiàng)因素對(duì)超聲實(shí)驗(yàn)中材料成形的影響規(guī)律[17]。2014年，Wu等[18]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有超聲輔助的實(shí)驗(yàn)中材料的硬度和延展性都比沒有加入超聲輔助的材料硬度和延展性提高不少。2015年，Luo等在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)超聲波可以提高材料的充型性能，并且在實(shí)驗(yàn)中加入的超聲波功率越大，超聲振動(dòng)時(shí)間越長，材料充型能力越好[19]。2016年YangBai等采用超聲輔助微鐓壓工藝對(duì)黃銅箔片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其中實(shí)驗(yàn)中的黃銅箔片的尺寸互不相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示超聲振動(dòng)影響的是表面晶粒大小，且表面晶粒直徑越小，超聲作用效果越明顯[20]。2018年Yao等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在超聲輔助材料成形中，主要存在應(yīng)力、聲軟化作用、摩擦狀況等三個(gè)影響因素，在降低金屬材料單軸壓縮載荷的同時(shí)，還能通過降低界面摩擦力的方式改善工件的表面質(zhì)量，在此過程中超聲引起的材料軟化是主因[21]。2018年中國地質(zhì)大學(xué)彭卓研究了非晶合金在微擠壓成形過程中加入超聲振動(dòng)輔助的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也為微形零部件的加工提供了一定的設(shè)計(jì)思路和指導(dǎo)性的方法[22]。1.3.2超聲振動(dòng)在金屬成形中作用機(jī)理研究在已有的研究中幾乎都有這樣的結(jié)論，超聲振動(dòng)輔助在塑性成形中有部分相同的作用效果[23,24]，可以有效降低材料的流動(dòng)應(yīng)力，同時(shí)改變模具與工具之間的摩擦狀況。很多研究者想要用自己的方式解釋這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并且在超聲振動(dòng)的作用機(jī)制上有所爭議。在作用機(jī)制上存在爭議是因?yàn)閮H僅靠實(shí)驗(yàn)所得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線無法完全解釋實(shí)驗(yàn)背后的實(shí)質(zhì)物理現(xiàn)機(jī)制，而有些實(shí)驗(yàn)過程中的得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)沒有其他輔助測試的證明，因此其解釋有局限性和主觀臆測性。從類別上看，超聲振動(dòng)在金屬成形過程中的作用機(jī)制包括體積效應(yīng)和表面效應(yīng)[25-28]。表面效應(yīng)：表現(xiàn)在超聲振動(dòng)在加入材料成形過程中時(shí)，成形材料表面質(zhì)量明顯得到改善，微觀表面形貌和表面粗糙度有明顯變化，模具和工件之間的摩擦狀況變好，刀具表面磨損減小。材料表面晶粒被細(xì)化，且晶粒分布均勻。導(dǎo)致產(chǎn)生表面效應(yīng)的原因一般認(rèn)為可能有：1、材料吸收了超聲振動(dòng)中的能量使得表面晶粒的活躍度得到提升。2、超聲振動(dòng)使模具和工件之間不斷的接觸分離再接觸，在這個(gè)過程中，模具和工件的接觸面積也在減小，因此摩擦力也在減小。3、振動(dòng)使得工件和模具之間局部產(chǎn)熱增加了材料的塑性。體積效應(yīng)：金屬在力疊加效應(yīng)下更利于成形。導(dǎo)致產(chǎn)生體積效應(yīng)的原因一般可能認(rèn)為有：1、應(yīng)力疊加效應(yīng)，然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法分辨出在這一過程中成形力的下降是因?yàn)閼?yīng)力疊加效應(yīng)還是聲波導(dǎo)致的軟化效應(yīng)。2、高頻振動(dòng)使材料內(nèi)部晶?；钴S度變高，材料的成形力減小，更易于成形。1.4研究的內(nèi)容及意義雖然類似超聲輔助微擠壓成形的金屬微塑性成形有許多優(yōu)點(diǎn)，但在超聲波成熟的應(yīng)用到金屬微塑性成形上之前還有很多尚不明朗的問題需要解決。微型化的零部件在成形過程中所引起的介觀尺寸效應(yīng)，在材料的成形性能、材料的成形流動(dòng)應(yīng)力、材料流動(dòng)變化規(guī)律和材料的軟化等都與某些尺寸有著特定關(guān)聯(lián)，在金屬的微塑性變形中，坯料的尺寸、模具中的變形區(qū)尺寸以及坯料的晶粒度尺寸都會(huì)影響材料的成形性能。運(yùn)用超聲振動(dòng)的超聲波能場輔助金屬微塑形成形在已有的研究中表現(xiàn)出可以改善金屬塑性成形性能的能力，在有些研究中表明，材料的宏觀塑性成形和微觀塑性成形中加入超聲波都可以顯著軟化材料，降低材料的成形應(yīng)力，改善模具和坯料之間的摩擦狀況并且降低成形抗力等作用。利用超聲能場在金屬塑性成形中提高坯料成形能力、降低坯料成形應(yīng)力、提高尺寸精度和成形件表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，將超聲振動(dòng)與金屬微塑性成形相結(jié)合是一種值得嘗試的方法。本文將在微成形基礎(chǔ)上加入超聲波振動(dòng)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的超聲輔助微擠壓成形實(shí)驗(yàn)，研究超聲波輔助微成形機(jī)理及其微尺寸效應(yīng)，因尺寸效應(yīng)帶來的材料變形問題，分析超聲輔助對(duì)材料微成形各項(xiàng)性能、微觀組織演變規(guī)律的影響。論文主要內(nèi)容安排如下：第一章：緒論部分，介紹課題研究背景、研究現(xiàn)狀、本文研究內(nèi)容和意義。第二章：實(shí)驗(yàn)中超聲系統(tǒng)的組成部分、包括超聲振動(dòng)系統(tǒng)、超聲變幅桿、超聲換能器、本實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)裝置的組成、模具的設(shè)計(jì)。第三章：根據(jù)設(shè)計(jì)出的實(shí)驗(yàn)方案完成實(shí)驗(yàn)部分內(nèi)容，具體介紹實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究超聲振動(dòng)對(duì)微擠壓實(shí)驗(yàn)過程中的影響規(guī)律。第四章：根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度視情況完成一部分仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡單的分析。第五章：本文的總結(jié)和展望，總結(jié)本文研究的成果，存在的問題，以及對(duì)未來研究方向的展望。第二章超聲波輔助微擠壓成形實(shí)驗(yàn)在微塑性成形中有很多其他塑性成形工藝不具備的優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)椴牧辖橛^尺寸效應(yīng)帶來的許多需要解決的問題仍然存在，例如在坯料成形時(shí)與模具之間的摩擦，坯料的流動(dòng)應(yīng)力和模具精度的控制等。超聲波輔助金屬材料成形在宏觀中的研究中發(fā)現(xiàn)，超聲波具有減小材料流動(dòng)應(yīng)力、改善模具與材料間摩擦狀況、改善成形件表面質(zhì)量、細(xì)化坯料晶粒等優(yōu)點(diǎn)，但是超聲波輔助微塑性成形工藝仍存在實(shí)驗(yàn)階段，還未在生產(chǎn)中大范圍應(yīng)用，并且坯料成形時(shí)材料內(nèi)部流動(dòng)應(yīng)力的變化規(guī)律還不清楚，在仿真中也無法將實(shí)際流動(dòng)情況表現(xiàn)出來，成形機(jī)制暫時(shí)還不清楚，還需進(jìn)一步探討。本章將根據(jù)研究內(nèi)容介紹設(shè)計(jì)一系列實(shí)驗(yàn)方案探究模具尺寸與材料晶粒相對(duì)大小和超聲波功率大小對(duì)材料成形中應(yīng)力應(yīng)變、成形力、成形后晶粒的影響規(guī)律。并重點(diǎn)介紹實(shí)驗(yàn)中使用的模具、成形壓力機(jī)、超聲波發(fā)生器、變幅桿、換能器以及坯料的制備處理，此外簡單介紹金屬晶體在變形中的基本機(jī)理。2.1實(shí)驗(yàn)方案在大多數(shù)的文獻(xiàn)中，探究材料在超聲波輔助的情況下的微擠壓實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被完成過，因此我將根據(jù)自己的實(shí)際情況設(shè)計(jì)出探究超聲波功率和模具尺寸與晶粒相對(duì)大小兩個(gè)因素對(duì)材料成形中應(yīng)力應(yīng)變、變形區(qū)表面質(zhì)量、變形區(qū)成形能力的影響規(guī)律。在已知的超聲波輔助微塑性成形實(shí)驗(yàn)中，超聲波振幅對(duì)于材料成形的顯著影響是可以類比得到一些結(jié)果的。本文同時(shí)認(rèn)為模具的尺寸同樣會(huì)對(duì)材料的成形產(chǎn)生一些明顯的影響，不僅在成形能力上，在微觀組織上也會(huì)有一些表現(xiàn)，也就是在不同的擠出直徑下，晶粒的細(xì)化程度是不一樣的。為消除擠壓比對(duì)實(shí)驗(yàn)的某些影響因素，本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)會(huì)在同一擠壓比下進(jìn)行，并選取了擠壓直徑為φ0.5mm、φ0.7mm、φ0.9mm的模具，因?yàn)檫@次實(shí)驗(yàn)制備的材料為T2紫銅棒，且在不同的超聲波振幅下對(duì)比個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，所以統(tǒng)一使用了熱處理后晶粒大小為200mm。使用的超聲波頻率為20kHz，選用的超聲波功率為30%、50%、70%、90%四種，在恒定的擠壓力下測定材料在超聲波輔助微塑性成形的性能。實(shí)驗(yàn)原理簡圖，如圖2.1所示，其中材料的微擠壓尺寸示意圖如圖2.2所示。圖2.1實(shí)驗(yàn)原理簡圖圖2.2微擠壓成形件示意圖2.2實(shí)驗(yàn)裝置及模具2.2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)＞叩脑O(shè)計(jì)在超聲輔助微塑性成形工藝中，模具的設(shè)計(jì)和制作過程也是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，模具的幾何尺寸精度對(duì)成形件的影響十分大，由于成形件的尺寸自身就很小，因此模具的精度必須要求很高。坯料的尺寸決定了模具尺寸不能過大，這就使得模具的制備難度變得更大，對(duì)于模具的精度和質(zhì)量的要求也變得更加嚴(yán)格。因此制作高精度、低成本、使用起來便捷可靠的模具也成為主要的問題。在目前的情況下，使用精密機(jī)械加工的方法制作模具在模具制作中仍然占據(jù)著很大的比例。本文模具主要是由高精度銑床和電火花加工制作的，由橫向壓板模具上端、橫向壓板模具下端、縱向壓板模具等組成，縱向壓板模具是可以替換的，可以直接互相替換以進(jìn)行不同尺寸的擠壓實(shí)驗(yàn)，縱向壓板模具如圖2.3所示。（a）(b)（a）(b)（d）（c）（d）（c）圖2.3各尺寸縱向壓板模具(a)擠出直徑為φ0.5mm；(b)擠出直徑為φ0.7mm；(c)擠出直徑為φ0.9mm；(d)橫向壓板模具上端孔直徑為φ1.5mm；橫向壓板模具上端、縱向壓板模具圖紙如圖2.4所示。（e）（e）（f）（f）圖2.4（e）橫向壓板模具上端；（f）縱向壓板模具；2.2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備壓力機(jī)最近幾年來，國內(nèi)許多學(xué)者已經(jīng)在鐓粗、擠壓、拉伸、拉絲等領(lǐng)域就對(duì)超聲輔助塑性成形進(jìn)行了很多的實(shí)驗(yàn)和研究。對(duì)于超聲輔助微擠壓成形工藝來講，傳統(tǒng)的壓力機(jī)上不僅僅是加上超聲波發(fā)生裝置那樣簡單了，在傳統(tǒng)壓力機(jī)上增加超聲設(shè)備要求對(duì)現(xiàn)有的壓力機(jī)進(jìn)行比較大的改造和升級(jí)，所以需要解決適合超聲輔助微擠壓成形實(shí)驗(yàn)的壓力機(jī)設(shè)備?；旧犀F(xiàn)在的超聲輔助微塑性成形的設(shè)備大多數(shù)采用的是較為傳統(tǒng)的階梯型超聲變幅桿，并且是采用整體框架結(jié)構(gòu)來支持超聲設(shè)備，但對(duì)于不同立體形狀的工具則需要新的超聲設(shè)備結(jié)構(gòu)和尺寸，無法用傳統(tǒng)的立柱式壓力機(jī)結(jié)構(gòu)與其相適配，又因此需要相對(duì)應(yīng)的超聲系統(tǒng)固定在壓力機(jī)設(shè)備上，不具備適用于大多數(shù)超聲輔助的塑性成形中。因此采用的壓力機(jī)設(shè)備如圖2.3，圖2.4所示，壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分為伺服電機(jī)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為絲杠螺母，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)力通過絲杠螺母傳遞到工具實(shí)現(xiàn)工具的縱向位移，使得工具向下擠壓坯料。圖2.310KN超聲輔助微擠壓成形壓力機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意簡圖圖2.410KN超聲輔助微擠壓成形壓力機(jī)10KN超聲輔助微塑性成形壓力機(jī)的主要使用對(duì)象則是超聲輔助微擠壓實(shí)驗(yàn)，其控制軟件的接口包括兩部分，一個(gè)是運(yùn)動(dòng)接口，主要通過API函數(shù)和運(yùn)動(dòng)控制卡這兩者之間進(jìn)行交互，工控機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制卡通過外接的放大器和手輪控制交流伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)；第二個(gè)接口是數(shù)據(jù)接口，采集信號(hào)輸入模塊收集計(jì)算機(jī)上連接的位移和壓力傳感器上采集的數(shù)據(jù)。2.2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備超聲振動(dòng)系統(tǒng)本文的實(shí)驗(yàn)除基于實(shí)驗(yàn)室前期研制的10KN超聲輔助微塑性成形壓力機(jī)之外，還使用到了同樣是前期研制的多孔超聲振動(dòng)設(shè)備，該超聲振動(dòng)平臺(tái)如圖2.5所示。圖2.5多孔超聲振動(dòng)平臺(tái)該超聲振動(dòng)平臺(tái)由兩個(gè)超聲換能器、兩個(gè)階梯狀結(jié)構(gòu)的超聲變幅器和一個(gè)R-L型多孔超聲變幅器組成，其中多孔的超聲變幅器可以實(shí)現(xiàn)橫向的超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向的超聲振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)方向的改變，同時(shí)也可以解決變幅器過長不便于安裝的問題。采用兩個(gè)變幅器和兩個(gè)變幅桿的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)系統(tǒng)的較好支撐以及整個(gè)系統(tǒng)振動(dòng)能量的傳輸。超聲換能器采用的是兩套YP5020-4D超聲換能器和兩個(gè)階梯形狀的超聲變幅桿，該超聲變幅器和變幅桿由杭州成功超聲設(shè)備公司生產(chǎn)，變幅器和變幅桿則是雙向?qū)ΨQ連接的。在階梯狀的變幅桿的節(jié)點(diǎn)處設(shè)置法蘭盤和支撐底座，超聲波發(fā)生器是由一臺(tái)TJS-3000超聲波電源提供高頻率信號(hào)，滿足超聲輔助微塑性成形的工藝要求。在已有的研究的中表明，R-L型的超聲變幅器是一種類似可以實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)方向轉(zhuǎn)變的超聲變幅器，它通過變幅桿和圓形盤的相互結(jié)合，將縱向的振動(dòng)和徑向振動(dòng)偶合起來，實(shí)現(xiàn)變幅桿軸向振動(dòng)和圓形盤徑向振動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換。得到的超聲變幅器的結(jié)構(gòu)由中間的方形板和上下對(duì)稱的凸臺(tái)。通過已有的實(shí)驗(yàn)表明，超聲變幅器上面方形凸臺(tái)尺寸的變化會(huì)影響超聲變幅器振動(dòng)頻率以及縱向振動(dòng)覆蓋區(qū)域面積。超聲變幅桿是超聲振動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要的不可或缺的組成部分，它的主要作用是將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波能量經(jīng)過放大，集中起來作用在一個(gè)較小的面上，改善超聲振動(dòng)的振動(dòng)質(zhì)量，提高耐熱性，拓寬設(shè)備使用的溫度范圍，并且起到延長換能器的使用壽命的作用。超聲變幅桿在工具頭和超聲換能器之間可以調(diào)整它們之間的負(fù)載系數(shù)，減小因振動(dòng)而產(chǎn)生的諧振阻抗。提高電流和超聲之間的轉(zhuǎn)換效率，可以有效降低超聲換能器因振動(dòng)而產(chǎn)生的熱量，延長使用壽命。除了桿式形狀的變幅桿以外，在大功率超聲冷拔絲，拉管的生產(chǎn)中還出現(xiàn)了盤形或者環(huán)形的變幅器，在某一些特殊的加工工藝中還有塊狀的變幅器。2.3實(shí)驗(yàn)坯料的制備本文中實(shí)驗(yàn)坯料使用的是T2紫銅，紫銅的微觀結(jié)構(gòu)為面心立方體結(jié)構(gòu)，具有延展性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性良好、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)中，同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常被用到的一種材料。T2紫銅的化學(xué)成分如表2-1所示。用高精度車床和電火花切割機(jī)將紫銅坯料加工成直徑為1.5mm，高度為2.25mm的圓柱形樣品，為消除加工時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，并獲得實(shí)驗(yàn)要求的晶粒大小，需要在微擠壓成形前放入加熱爐中進(jìn)行熱處理。在微擠壓開始時(shí)，由于坯料會(huì)被完全擠壓導(dǎo)致充滿整個(gè)模具，這將會(huì)有一個(gè)坯料鐓粗的過程，同時(shí)也是為了消除電火花切割時(shí)在坯料端面留下的電蝕層的影響，需要在實(shí)驗(yàn)前將坯料的端面用磨床進(jìn)行精磨處理，越是小尺寸的坯料成形實(shí)驗(yàn)，越是盡量消除某些微小的因素產(chǎn)生的不必要的影響。表2-1T2紫銅化學(xué)成分代號(hào)成分（%重量）Cu+AgBiSbPbAsSOT299.900.0020.0020.0050.0020.0050.062.4單晶體塑性變形的機(jī)制晶?；坪蛯\生是單晶體材料在發(fā)生塑性變形中的主要形式。晶體中晶粒在外部應(yīng)力的作用下，其中的兩部分會(huì)相對(duì)的沿著晶界產(chǎn)生滑動(dòng)，這個(gè)過程就被叫做滑移?；频倪^程不會(huì)對(duì)晶體中晶粒的排列產(chǎn)生影響，兩部分相對(duì)移動(dòng)的距離是該材料中晶粒的整數(shù)倍。當(dāng)外切應(yīng)力比較小的時(shí)候，晶體只會(huì)發(fā)生彈性變形，但隨著切應(yīng)力的逐漸增大，超過原子之間的吸引力的時(shí)候，便會(huì)產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)。產(chǎn)生相對(duì)的滑動(dòng)的晶粒表面叫做滑移面，在新的固定位置上將會(huì)形成一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候即使撤去外部切應(yīng)力，由于晶體已經(jīng)發(fā)生滑移，晶體的扭轉(zhuǎn)或可恢復(fù)，但是已經(jīng)產(chǎn)生滑移的部分將不會(huì)再恢復(fù)到原來的位置，這個(gè)時(shí)候就產(chǎn)生了因相對(duì)滑移而導(dǎo)致的晶體的塑性變形。除了晶體的相對(duì)滑移之外，還會(huì)同時(shí)產(chǎn)生晶體內(nèi)部晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，金屬單晶體要在外部切應(yīng)力的作用下想保持外形的不變，并且產(chǎn)生塑性變形，這種轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)對(duì)于晶體來說是必然的。晶體的另外一種塑性變形機(jī)制則是孿生，也成為孿晶。不同于滑移的原因是因?yàn)榛剖蔷w中的一部分相對(duì)于另一部分產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，而孿晶是因?yàn)榫ЯＴ谕鈶?yīng)力的作用下晶體內(nèi)部一部分相對(duì)于另一部分沿著某一方向發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，這種原因產(chǎn)生的晶界被稱為孿晶界，由于晶體發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣的塑性變形會(huì)促使發(fā)生進(jìn)一步的晶體滑移。孿晶雖然是單晶體塑性成形中中的一種產(chǎn)生機(jī)制，但是孿晶只發(fā)生在少數(shù)金屬晶體中，發(fā)生在多晶格金屬中的可能性會(huì)更大一些。2.5本章小結(jié)本章主要介紹了比較方案的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)中使用的壓力機(jī)，模具的制作，坯料的制備，簡單介紹了單晶體塑性變形中的機(jī)理。（1）設(shè)計(jì)了一系列針對(duì)T2紫銅的超聲輔助微擠壓實(shí)驗(yàn)方案；（2）介紹了實(shí)驗(yàn)中使用的前期實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)設(shè)計(jì)制作的壓力機(jī)的主要構(gòu)造和壓力機(jī)的大致工作原理，超聲振動(dòng)系統(tǒng)的主要構(gòu)成和其中變幅器、變幅桿的主要特征，并介紹了實(shí)驗(yàn)使用的模具尺寸和制作方法；（3）根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，將T2紫銅進(jìn)行預(yù)先的熱處理，獲得晶粒度大小為200μm的坯料。第三章T2紫銅超聲輔助微擠壓成形實(shí)驗(yàn)研究本章在超聲輔助下對(duì)T2紫銅進(jìn)行微擠壓實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)不同尺寸的實(shí)驗(yàn)?zāi)＞吆筒煌某暪β氏耇2紫銅的微擠壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，進(jìn)一步了解T2紫銅成形能力，研究模具尺寸和超聲功率對(duì)紫銅成形時(shí)的影響規(guī)律。并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和對(duì)成形件的處理探究成形后材料的微觀結(jié)構(gòu)和成形性能，通過一系列設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)相對(duì)比，主要探究超聲能場的影響作用。3.1T2紫銅超聲輔助微擠壓實(shí)驗(yàn)3.1.1實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)過程介紹在超聲輔助金屬材料微擠壓實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)材料選擇的是經(jīng)過熱處理的T2紫銅棒料，經(jīng)過熱處理后還需要需磨床等對(duì)材料的尺寸進(jìn)行處理，處理后其直徑為1.5mm，高度為2.25mm。熱處理后的T2紫銅棒料的晶粒直徑大小為200μm，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)探究在模具尺寸不同的情況下，模具變形區(qū)尺寸與晶粒直徑相對(duì)大小和超聲波功率大小對(duì)T2紫銅棒料微擠壓實(shí)驗(yàn)成形后變形區(qū)成形性能，變形過程中成形力大小的影響規(guī)律。本次試實(shí)驗(yàn)中使用的模具尺寸大小分別為0.5mm、0.7mm、0.9mm。選用的超聲波功率依次為30%、50%、70%、90%，與之相對(duì)應(yīng)的超聲波振幅分別為10μm、14實(shí)驗(yàn)過程中，壓力機(jī)向下擠壓的過程是通過壓力機(jī)的速度控制的，設(shè)置工具即壓頭在向下運(yùn)動(dòng)過程中下降的總高度為1.6mm，這個(gè)數(shù)據(jù)是在經(jīng)過對(duì)一組超聲輔助和未加超聲輔助時(shí)實(shí)驗(yàn)后觀察變形件變形區(qū)的效果后得到的。當(dāng)壓頭下降的高度較小時(shí)，有超聲輔助的微擠壓實(shí)驗(yàn)效果雖然有區(qū)別，但效果并不明顯，而壓頭下降高度較大時(shí)，棒料剩余的微變形區(qū)長度太小，對(duì)在模具中的取料難度增加太大。在上一章中已經(jīng)介紹過本次實(shí)驗(yàn)中的模具為整體模具，同其他的微成形實(shí)驗(yàn)中的模具的不同在于某些模具可以拆開，但是這種設(shè)計(jì)有利有弊。可以拆卸的模具在取料時(shí)雖然對(duì)變形后的棒料沒有太大影響，但是超聲震動(dòng)的能量會(huì)在不是整體的模具上有消減，這對(duì)于超聲輔助的影響效果會(huì)有一定的減弱。因此選擇使用的模具是無法拆卸整體的模具，對(duì)于超聲振動(dòng)能量的分散影響較小。試驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為5min，等待實(shí)驗(yàn)完成后，先使用10倍速手動(dòng)將工具緩慢提升至模具外，在使用100倍的速度將工具升起，將模具和成形件同時(shí)取下。成形件取下后放入實(shí)驗(yàn)材料盒中，編號(hào)，等待實(shí)驗(yàn)完成后，用體視顯微鏡和金相顯微鏡觀察成形件長度和變形區(qū)金相組織。3.1.2體式顯微鏡和金相顯微鏡介紹圖3-1體視顯微鏡實(shí)驗(yàn)使用的體視顯微鏡如圖3-1所示，可以使用此顯微鏡對(duì)成形件拍照后對(duì)變形區(qū)長度進(jìn)行比較，尼康SMZ745T體視顯微鏡可安裝尼康顯微鏡用的數(shù)碼成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)觀察的同時(shí)進(jìn)行圖像攝像。同時(shí)還有載物的底座和照明裝置等附件，工作距離為115mm，使得工作范圍變得更大。在同級(jí)別的變焦機(jī)構(gòu)中，這臺(tái)顯微鏡的觀察范圍會(huì)更大，因此在放大拍照時(shí)可以在同一比例尺下將變形件對(duì)比，成形件的表面質(zhì)量也更加清晰的表現(xiàn)出來。同時(shí)還有光路切換手柄，可以用不同的倍鏡鏡頭觀察，以便于對(duì)成形件的在鏡頭下的比較。3.2模具變形區(qū)尺寸對(duì)微擠壓過程的影響（a）無超聲模具尺寸為0.5mm（b）無超聲模具尺寸為0.7mm（c）無超聲模具尺寸為0.9mm（d）三種實(shí)驗(yàn)情況成形件對(duì)比圖3-2模具相較于材料晶粒直徑大小不同時(shí)微擠壓實(shí)驗(yàn)后的結(jié)果在壓力機(jī)向下擠壓速度為0.32mm/min，不加超聲振動(dòng)輔助的情況下，模具尺寸越小在同一比例尺下，長度越長，從顯微鏡下可以看到，成形件的表面質(zhì)量也越好。這說明在模具的變形區(qū)尺寸和材料的晶粒直徑大小接近時(shí)，材料在擠壓時(shí)越容易進(jìn)入模具變形區(qū)，材料的晶粒之間經(jīng)過相互擠壓產(chǎn)生細(xì)化，這樣使得成形后的材料表面質(zhì)量相較于其他尺寸的模具的成形件更好。經(jīng)過測量0.5mm的模具擠壓后的未加超聲振動(dòng)的材料長度為2.505mm，0.7mm的模具擠壓后的材料長度為2.18mm，0.9mm的模具擠壓后的材料長度為1.68mm。長度分別增加了29.7%，14.9%。由此實(shí)驗(yàn)可以得出隨著模具尺寸與熱處理后的材料晶粒度直徑大小相接近，材料的晶粒更容易進(jìn)入模具變形區(qū)中，在向下擠壓了相同長度的材料之后，模具尺寸為0.5mm的變形長度最長。實(shí)驗(yàn)完成后將實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的數(shù)據(jù)拷貝后進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)隨模具尺寸的減小，材料在擠壓成形過程中受到的應(yīng)力越大。其應(yīng)力位移圖像如圖3-3所示。圖3-3無超聲振動(dòng)時(shí)擠壓過程應(yīng)力位移圖像第四章利用ABAQUS軟件對(duì)坯料的超聲成形過程進(jìn)行仿真本章在超聲輔助T2紫銅微擠壓成形的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，計(jì)劃試用虛擬仿真軟件對(duì)擠壓過程進(jìn)行虛擬仿真，觀察仿真過程中應(yīng)力的變化情況，找到在理想條件下，虛擬實(shí)驗(yàn)中應(yīng)力集中的部分或者應(yīng)力變化最大的點(diǎn)。從而推斷出在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中晶粒變化最大的部分集中在坯料的哪個(gè)位置，結(jié)合實(shí)驗(yàn)后鑲樣，磨金相后觀察到的結(jié)果，以求證實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)中應(yīng)力集中的可靠性。為完成本章內(nèi)容，選擇了ABAQUS軟件作為此次學(xué)習(xí)并使用的軟件，常用的有限元分析軟件有Deform、MSC、ANSYS等，因?yàn)锳BAQUS在力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)中的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)都比較全面，所以決定使用該軟件作為仿真軟件。4.1ABAQUS軟件介紹ABAQUS軟件是由世界著名有限元分析軟件ABAQUS公司（原名KHS公司，2005年被法國達(dá)索公司所收購，2007年該公司又更名為SIMULIA）在1978年推出，ABAQUS根據(jù)用戶在使用中反饋的各種信息不斷的解決軟件在使用中的各類問題并進(jìn)行軟件升級(jí)，使ABAQUS不斷升級(jí)，不斷完善。ABAQUS軟件可以進(jìn)行有效的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)分析，模態(tài)、瞬態(tài)、彈塑性、接觸、碰撞和沖擊、爆炸、斷裂、屈服、疲勞和耐久性等結(jié)構(gòu)分析和熱分析，除此之外，還可以進(jìn)行流體固體耦合、壓電和熱耦合、聲場和聲固耦合、熱場固體耦合、質(zhì)量擴(kuò)散等有限元分析。ABAQUS軟件已經(jīng)在很多個(gè)國家有了比較廣泛的應(yīng)用，涉及到土木設(shè)計(jì)、機(jī)械工程、水利水電、航空航天、船舶制造、電器生產(chǎn)、汽車設(shè)計(jì)等各個(gè)工程領(lǐng)域。近些年來，我國的ABAQUS使用人群在不斷擴(kuò)大，這說明ABAQUS軟件在科技設(shè)計(jì)研發(fā)中的作用慢慢變大，ABAQUS也在仿真中發(fā)揮著巨大的作用。ABAQUS軟件基于它的豐富的單元庫，可以模擬各種復(fù)雜的平面或立體幾何形狀，并且擁有各類材料模型使用庫，可以用于絕大多數(shù)的生活中常見的工程應(yīng)用材料，如各類金屬、人造聚合物、人造復(fù)合材料、橡膠、可以進(jìn)行壓縮的彈性泡沫、鋼筋混凝土等工程材料。除此之外，ABAQUS的使用十分的簡便，很容易建立實(shí)際復(fù)雜問題的模型，對(duì)于大多數(shù)的模擬，用戶只要提供被分析結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料性質(zhì)、相互作用、邊界條件、、受到的載荷等工程數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行作業(yè)，對(duì)于非線性問題的有限元分析，ABAQUS能夠自動(dòng)選擇合適的增量值和收斂準(zhǔn)則，在分析的過程中會(huì)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行一些調(diào)整，以保證結(jié)果的精確性和可靠性。ABAQUS/CAE是ABAQUS的集成后的工作環(huán)境，包括模型的創(chuàng)建、提交交互式作業(yè)、監(jiān)控作業(yè)運(yùn)算過程以及結(jié)果評(píng)估等功能。它的主要工作流程如圖4-1所示?？梢暬KABAQUS/CAE作業(yè)監(jiān)控建立可視化模塊ABAQUS/CAE作業(yè)監(jiān)控建立模型直接轉(zhuǎn)換器直接轉(zhuǎn)換器分析分析ABAQUS/StandardABAQUS/ExplicitABAQUS/CFDABAQUS接口ABAQUS接口第三方前處理器軟件接口軟件接口第三方第三方后處理器圖4-1ABAQUS工作流程圖4.2ABAQUS/CAE主要特征ABAQUS/CAE有一系列的功能模塊，每一個(gè)單元模塊都只包含一個(gè)與模擬作業(yè)的相關(guān)的一些工具?？梢栽诃h(huán)境欄選擇進(jìn)入不同的模塊，列表中的模塊順序和創(chuàng)建一個(gè)分析模型的邏輯順序是一樣的，在生成裝配體之前必須先生成一個(gè)部件。部件部件模塊可以繪制出各個(gè)獨(dú)立的部件，既可以在ABAQUS/CAE中提供的繪圖工具繪制圖形，同時(shí)也可以利用第三方建模軟件將繪制好的模型導(dǎo)入到ABAQUS/CAE中。屬性部件的材料屬性在此處定義，因?yàn)闊o法直接將材料的屬性直接定義出來，因此需要?jiǎng)?chuàng)建材料屬性，并將材料屬性賦予給截面，再將截面屬性賦予給部件。裝配在創(chuàng)建不同的部件時(shí)，所有單獨(dú)的部件只會(huì)存在自己的坐標(biāo)系中，因此在裝配時(shí)可以使用此模塊將這些部件放置在一個(gè)總的坐標(biāo)系中，并且可以使用該模塊中的某些按鈕移動(dòng)部件使得它們至于正確的位置。分析步可以使用該模塊創(chuàng)建分析步驟，和分析的各需求之間聯(lián)系起來。分析不在模擬的過程中的各類變化提供了更改的便捷途徑。相互作用可以指定部件之間或者模型之間的區(qū)域，包括它們與周圍環(huán)境之間的力學(xué)方面的相互作用，定義的相互作用包括各類約束，表面接觸等。軟件不會(huì)默認(rèn)各部件之間的相互作用，因此需要使用者自行確定它們的相互作用類型，相互作用和前面的分析步是相關(guān)的，所以這就要求必須指定相互作用是在哪一個(gè)分析步起到作用。載荷在這個(gè)模塊中需要確定載荷、邊界條件等，載荷和分析步也有關(guān)系，因此在添加載荷時(shí)需要確定所加載荷是在哪一個(gè)分析步中起作用，而場變量不一定在創(chuàng)建的分析步中起作用，而只在初始的分析步中起到作用。網(wǎng)格化網(wǎng)格中包含了給裝配件生成網(wǎng)格的工具，利用提供的各層次的自動(dòng)化分工具和控制工具，使用者可以劃分出滿足自己需求的網(wǎng)格。提交作業(yè)完成了之前定義模型的任務(wù)之后，就可以利用此模塊進(jìn)行分析計(jì)算，此模塊可以讓用戶提交完作業(yè)之后進(jìn)行監(jiān)控，并可以同時(shí)提交多個(gè)作業(yè)任務(wù)對(duì)它們進(jìn)行監(jiān)控?？梢暬四K提供了有限元模型分析和結(jié)果分析的圖像顯示，它可以從數(shù)據(jù)庫中獲取結(jié)果信息，通過各個(gè)分析步控制寫入數(shù)據(jù)庫中的信息，從而得到相對(duì)應(yīng)的結(jié)果。4.3微擠壓有限元模型的建立根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的超聲輔助微擠壓實(shí)驗(yàn)，對(duì)于仿真軟件中的有限元模型的建立如圖4-2所示。初始時(shí)，模型中的各組成部分按照實(shí)際的情況繪制出來，工具也就是微擠壓中擠壓坯料的壓頭用一條定義為解析剛體的橫線代替，并在此橫線上設(shè)置參考點(diǎn)作為工具在向下擠壓時(shí)邊界條件以及位移設(shè)置時(shí)的參考點(diǎn)。在給壓頭加上載荷時(shí)，無法同時(shí)給工具加上速度和位移，因此此處給工具只加上轉(zhuǎn)角/位移。創(chuàng)建模型時(shí)，可以從外部導(dǎo)入，也可以用ABAQUS提供的繪圖工具在部件中繪制。這個(gè)可以自己根據(jù)實(shí)際模型建立時(shí)的方便程度自己選擇，當(dāng)繪制三維圖形時(shí)，用SolidWorks繪制后導(dǎo)入到ABAQUS中更加方便，而本文中繪制二維圖即可直接使用ABAQUS中的繪圖工具建立對(duì)應(yīng)的模型。圖4-2微擠壓有限元模擬模型在SolidWorks中建立模型之后可直接確定各部件之間的相對(duì)位置，在ABAQUS中繪制好各部件之后需在裝配中導(dǎo)入各部件，使用裝配中的平移實(shí)例按鈕將各部件移動(dòng)到正確的相對(duì)位置。坯料在下模具中不受到任何約束，摩擦也設(shè)置為實(shí)際中的干摩擦，且摩擦系數(shù)設(shè)置為0.35.為保證擠壓精度，并且更接近的將仿真過程向?qū)嶋H實(shí)驗(yàn)靠攏，本文中會(huì)將仿真中的擠壓分析步中的步數(shù)設(shè)置為10000步，同時(shí)保證計(jì)算的可靠性，盡量保證仿真擠壓時(shí)間在一定的范圍內(nèi)。本章中將進(jìn)行超聲輔助的微擠壓過程模擬，探討坯料在模具中因擠出直徑的變化對(duì)擠壓中應(yīng)力改變的影響規(guī)律。在相同的條件下，將分析坯料相同，模具擠出直徑分別為0.5mm、0.7mm、0.9mm時(shí)，應(yīng)力分布的情況。圖4-3模具模型圖在ABAQUS中將模具的模型繪制出來，因?yàn)閷?shí)際模具是由兩部分組成，即橫向模具壓板上端和縱向壓板模具，在ABAQUS中繪制時(shí)，將兩部分繪制在一起，如圖4-3所示，由于在向下微擠壓時(shí)需要定義坯料和模具之間的邊界條件，最后的效果是相同的，因此為減少定義的主表面和從表面，可以將兩部分模具直接繪制出來。縱向壓板模具和橫向壓板模具接觸之間是有一定的倒角，便于坯料向下擠壓。因?yàn)樵诜抡孢^程中若變形處的尺寸突變會(huì)導(dǎo)致仿真無法計(jì)算，因此在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中和仿真中都需要設(shè)置倒角。繪制模具時(shí)需要在設(shè)置繪制圖形前定義繪制的是解析剛體，如圖4-4，這樣在定義材料時(shí)，只需要將材料性質(zhì)賦予給坯料。圖4-4繪制解析剛體部件圖4.4設(shè)置仿真參數(shù)及云圖分析將模型建立好之后，即對(duì)坯料的材料屬性進(jìn)行定義，在彈性一欄中，楊氏模量和泊松比如圖4-5所示。圖4-5坯料屬性圖如圖4-5所示，通過查詢資料可知T2紫銅的楊氏模量為210000Pa，泊松比為0.2～0.4，因此取泊松比為0.3.之后創(chuàng)建分析步，除初始分析步之外還需要?jiǎng)?chuàng)建另外兩個(gè)分析步，第一個(gè)分析步中并不參與擠壓的運(yùn)算，只要求其分析壓頭從初始位置到坯料上面的這段距離，而第二個(gè)分析步則參與壓頭的微擠壓運(yùn)算。邊界條件則設(shè)置為從初始分析步傳遞到分析步一，再傳遞到分析步二。分析步二中的增量步數(shù)設(shè)置為10000步，時(shí)間增量設(shè)置為0.001，分析步中的場輸出請(qǐng)求和歷程輸出請(qǐng)求則各設(shè)置按照默認(rèn)不更改。設(shè)置相互作用時(shí)需要考慮設(shè)置剛體的內(nèi)表面為主表面，坯料的外表面為從表面，這樣在擠壓過程中坯料只會(huì)存在于剛體內(nèi)部。設(shè)置模具和坯料之間的接觸有兩個(gè)方向的接觸，一個(gè)是法向行為，一個(gè)是切向行為。切向行為設(shè)置中摩擦公式的選擇為靜摩擦-動(dòng)摩擦指數(shù)衰減，靜摩擦系數(shù)按照所查詢到的數(shù)據(jù)設(shè)置為0.4，具體的參數(shù)設(shè)置如圖4-6.圖4-6模具坯料接觸參數(shù)模具的邊界條件設(shè)置為完全固定，即（U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0）,模具的邊界條件類型設(shè)置在部件中的參考點(diǎn)，如圖4-7所示。在微擠壓中，坯料是因?yàn)閴侯^向下運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變形，因此第二個(gè)邊界條件BC-2設(shè)置在壓頭上，如圖4-8所示。X軸方向上的運(yùn)動(dòng)為0，即U1=0，Y軸方向上的運(yùn)動(dòng)為從初始位置到開始擠壓位置，位移為-1.75mm，在分析步2中的位移修改為從初始位置到擠壓完成的位置，即-3.35mm。圖4-7模具邊界條件圖4-8模具邊界條件在提交作業(yè)前還需要對(duì)坯料劃分網(wǎng)格，首先需要對(duì)坯料進(jìn)行布種，因?yàn)榕髁显趧澐志W(wǎng)格時(shí)沒有需要局部布種的區(qū)域，因此可以選擇全部布種，近似全局尺寸不需要設(shè)置過大也不能選擇過小，太大的話計(jì)算時(shí)間會(huì)因此變長，太小的話并不能將應(yīng)力分布明顯的表達(dá)出來。單元的學(xué)習(xí)類型設(shè)置如圖4-9所示。圖4-9劃分網(wǎng)格后單元設(shè)置單元庫選項(xiàng)選擇為標(biāo)準(zhǔn)，幾何階次為線性，并設(shè)置為非協(xié)調(diào)模式。全部參數(shù)設(shè)置完成之后就可以提交作業(yè)進(jìn)行分析，并可以在監(jiān)控中查看分析時(shí)間和增量步，若在分析中并未產(chǎn)生錯(cuò)誤則在分析完成后會(huì)顯示已完成。在可視化模塊中可以使用在變形云圖上繪制云圖按鈕查看變形后應(yīng)力云圖分布情況。如圖4-10所示。圖4-10坯料變形后應(yīng)力云圖觀察不同方向上的應(yīng)力分布可以選擇查詢不同的分布情況，在工具欄的工具按鈕選項(xiàng)中選擇查詢，在結(jié)果按鈕中選擇場輸出按鈕，在彈出的對(duì)話框中選擇主變量名稱，在可視化中還能夠直接模擬出仿真實(shí)驗(yàn)中的變形過程可以直接觀察到坯料的各區(qū)域應(yīng)力變化情況，此處無法表現(xiàn)出來。從云圖上我們可以看出變形后材料的應(yīng)力分布大小情況，在變形端面的最外側(cè)是最大應(yīng)力集中處，在變形區(qū)的中心區(qū)則是應(yīng)力最小的地方。因?yàn)樵诓牧献冃螘r(shí)收到模具阻力最大的地方就是端面，而尺寸直接發(fā)生改變的地方就是端面的外則。云圖選項(xiàng)按鈕中可以選擇應(yīng)力最大點(diǎn)在云圖中顯示出來，應(yīng)力最小點(diǎn)也可以在云圖中顯示出來。如圖4-11所示。圖4-11應(yīng)力最大值和最小值位置第五章總結(jié)與展望5.1總結(jié)本文中通過了解到超聲輔助在金屬塑性成形中的優(yōu)點(diǎn)，以及微成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，將超聲能場加入到微擠壓成形中，從而降低金屬坯料在塑性成形中的成形力，流變應(yīng)力，改善成形件的表面質(zhì)量和微觀組織，細(xì)化晶粒。并研究金屬坯料在超聲能場中的成形機(jī)理。根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料在超聲輔助成形中的成形特性，設(shè)計(jì)了針對(duì)T2紫銅的總體實(shí)驗(yàn)方案，研究坯料晶粒與模具擠出尺寸相對(duì)大小和超聲波功率對(duì)坯料成形能力的影響規(guī)律，選用的模具為φ0.5mm、φ0.7mm、φ0.9mm三種擠出直徑尺寸，和相對(duì)應(yīng)的四種超聲波功率：30%、50%、70%、90%，坯料經(jīng)過熱處理后的晶粒直徑大小為φ200mm（1）通過閱讀大量國內(nèi)外文獻(xiàn)，了解到目前為止超聲輔助微擠壓的技術(shù)仍然處于大量試驗(yàn)階段，還無法普遍的應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。超聲輔助微成形現(xiàn)在已經(jīng)在材料的拉絲、拉管、鐓擠、沖裁等實(shí)驗(yàn)中得到比較與宏觀成形中更好的效果。（2）在參考對(duì)比了大量實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)驗(yàn)方案之后，本文中選擇的模具更具有便捷性和普適性。根據(jù)已知的針對(duì)超聲輔助的實(shí)驗(yàn)中的模具設(shè)計(jì)，某些模具的設(shè)計(jì)盡管在實(shí)驗(yàn)后取料時(shí)更方便，可在實(shí)驗(yàn)中模具的尺寸和結(jié)構(gòu)則會(huì)對(duì)坯料所接受的超聲能量分散，減弱超聲波在實(shí)驗(yàn)中的影響效果。而本文中采用的模具盡管在實(shí)驗(yàn)后的取料時(shí)會(huì)對(duì)尺寸產(chǎn)生一些影響，可以采取對(duì)模具和成形件一起測量的方法，除此之外，成形件的鑲樣和觀察金相并不會(huì)產(chǎn)生其他的影響。（3）對(duì)比各尺寸的模具實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)隨著模具擠出直徑的減小，成形件變形區(qū)逐漸變長，由于工具擠壓的距離是一定的，因此在坯料的變形過程中，經(jīng)過熱處理的坯料會(huì)因?yàn)榫ЯＷ兓某潭容^小而變長，因?yàn)樽冃蔚捏w積是一定的，變形區(qū)也會(huì)逐漸變長。而同時(shí)，晶粒也會(huì)有細(xì)化的現(xiàn)象，這時(shí)可以觀察到成形件的表面質(zhì)量逐漸變好，通過顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)變形區(qū)的晶粒有細(xì)化的現(xiàn)象，這說明微擠壓可以有效改變材料的微觀組織和性能。(4)隨著超聲波功率的增大，也可以發(fā)現(xiàn)材料成形后變形區(qū)逐漸變長，超聲波能量的作用下，坯料的成形力下降，流變應(yīng)力也會(huì)同時(shí)下降，當(dāng)超聲功率增加至70%-90%時(shí)，坯料在成形中還會(huì)因?yàn)槲漳芰亢凸ぞ甙l(fā)生粘接，功率越高時(shí)，發(fā)生粘接的現(xiàn)象越明顯。（5）實(shí)驗(yàn)中還表明改變模具的尺寸和超聲波功率都會(huì)降低材料的成形力，但增加超聲功率在降低成形力方面的效果會(huì)更好。（6）在超聲波功率加至70%之后發(fā)現(xiàn)成形的效果改善不大，但由于之后的每次實(shí)驗(yàn)中都會(huì)發(fā)生坯料和工具之間的粘接，因?yàn)橥茰y是因?yàn)槌芰康脑驅(qū)е抡辰邮沟门髁显谙蛳聰D壓時(shí)受到影響。（7）利用ABAQUS軟件對(duì)理想條件下的坯料進(jìn)行仿真觀察仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，坯料在受到向下擠壓力的作用過程中，首先受到應(yīng)力最大的部分是坯料端面的周邊，隨變形過程的繼續(xù)，應(yīng)力逐漸集中在坯料端面的中心，這里是坯料的主要變形區(qū)。5.1展望本文主要研究的是T2紫銅超聲輔助微擠壓變形實(shí)驗(yàn)，在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，觀察并分析實(shí)驗(yàn)條件包括模具尺寸和超聲波功率對(duì)材料成形力、成形性能的影響規(guī)律。并研究T2紫銅在超聲輔助下的成形機(jī)理，雖然已經(jīng)得到部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，但是因?yàn)楝F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備、個(gè)人精力還有個(gè)人能力的限制，還有很多地方是可以進(jìn)一步改善和完成的，后續(xù)的研究工作可以從以下幾個(gè)方面開展并深入研究：（1）雖然可以得出超聲振動(dòng)可以顯著提高所選金屬材料微擠壓成形能力結(jié)果，并且得到了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是加載超聲振動(dòng)后工具頭一端的振動(dòng)幅度和頻率無法實(shí)時(shí)監(jiān)測，這就無法監(jiān)測超聲設(shè)備實(shí)時(shí)的工作情況，之后的深入研究可以通過測得超聲系統(tǒng)的電流電壓以得到實(shí)際的輸出功率。（2）本文中建立的仿真實(shí)驗(yàn)是為了結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)觀察實(shí)驗(yàn)中的坯料受到應(yīng)力的分布情況，有很多參數(shù)的細(xì)節(jié)部分還未經(jīng)過處理，在之后的工作中可以針對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步加深研究。（3）本文中只針對(duì)了其中兩個(gè)因素對(duì)材料的成形影響進(jìn)行了研究，對(duì)于材料微擠壓成形的影響因素還有很多，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備和時(shí)間的允許下，可以在后續(xù)的研究中綜合考慮更多的影響因素，例如溫度、金屬不同的熱處理?xiàng)l件下、對(duì)工件的振動(dòng)等情況都可以綜合考慮進(jìn)來，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更有普遍性。（4）本文中只使用了T2紫銅作為實(shí)驗(yàn)材料，在T2紫銅上的實(shí)驗(yàn)效果是非常明顯的，但是無法驗(yàn)證在其他的實(shí)驗(yàn)材料上的效果如何，每種金屬在超聲輔助成形時(shí)的變形機(jī)制也可能是不盡相同的，因此超聲輔助微擠壓成形的結(jié)論只適用于現(xiàn)階段所做的實(shí)驗(yàn)中，在之后的研究中可以針對(duì)更多的金屬材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到可靠性更強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。（5）實(shí)驗(yàn)中材料的流動(dòng)應(yīng)力的實(shí)時(shí)變化的，在實(shí)驗(yàn)時(shí)是沒有監(jiān)測到的，在之后的實(shí)驗(yàn)中可以通過測得實(shí)驗(yàn)中對(duì)工具頭的反饋以得到材料的流變應(yīng)力變化規(guī)律。參考文獻(xiàn)[1]單德彬,袁林,郭斌.精密微塑性成形技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].塑性工程學(xué)報(bào),2008(02):46-53.[2]彭卓,韓光超,李凱,陳昊.超聲輔助微擠壓成形系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].振動(dòng)與沖擊,2017,36(15):259-264.[3]陳恒.超聲波輔助微擠壓成形性能與微觀組織演變規(guī)律[D].深圳大學(xué),2015.[4]王春舉,郭斌,單德彬,張曼曼.高頻/超聲振動(dòng)輔助微成形技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].精密成形工程,2015,7(03):7-16.[5]任明星.微米尺度構(gòu)件金屬型鑄造成形規(guī)律研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.[6]歐益宏,周明來,張正元.硅的深槽刻蝕技術(shù)研究[J].微電子學(xué),2004(01):45-47.[7]VollertsenF，HuZ，NiehoffHetal.StateoftheArtinMicroFormingandInvestigationsintoMicroDeepDrawing[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2004,151:70-79.[8]劉建龍.超細(xì)晶純鈦塑性微成形及其尺寸效應(yīng)研究[D].太原科技大學(xué),2016.[9]孟慶當(dāng),李河宗,董湘懷,彭芳,王倩.304不銹鋼薄板微塑性成形尺寸效應(yīng)的研究[J].中國機(jī)械工程,2013,24(02):280-283.[10]王波,梁迎春,孫雅洲,譚亞明.帶三維結(jié)構(gòu)的慣性MEMS器件的微細(xì)銑削加工[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006(05):1473-1476.[11]單德彬.微型齒輪精密微塑性成形工藝研究[A].中國機(jī)械工