張海棟，鄧 磊，王新云，金俊松

（華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074）

塑性成形工藝包括擠壓、拉拔、拉深、鐓鍛等，在航空航天、汽車工業(yè)、能源工業(yè)等領(lǐng)域的零件制造中應(yīng)用廣泛。隨著裝備服役工況不斷突破原有極限，例如超高溫、超低溫、高低溫循環(huán)、強腐蝕、高真空、高應(yīng)力等極端服役條件，對塑性成形零件的性能要求也不斷提高[1]。與此同時，零件的結(jié)構(gòu)趨于整體化、薄壁化、復(fù)雜化，這就要求不斷發(fā)展更加先進的塑性成形工藝，以滿足低成本、高效率制造高性能、高精度零件的需求。

科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在塑性成形過程中施加振動，可以提高金屬材料的成形性能。早在1955年，Blaha 和Langenecker 將超聲振動施加到單晶鋅的拉伸試驗中，試驗結(jié)果表明材料的屈服應(yīng)力和流動應(yīng)力均降低，這一現(xiàn)象被稱為超聲塑性效應(yīng)，也被稱為Blaha 效應(yīng)[2]。隨后許多學(xué)者對振動輔助成形開展了相關(guān)的試驗和理論研究，振動逐漸被應(yīng)用到各種塑性成形工藝中，例如拉拔[3–4]、沖壓[5]、擠壓[6–7]、擺輾[8–9]、漸進成形[10–11]等。在塑性成形中施加振動具有減小成形載荷、改善零件表面質(zhì)量的作用，且能夠有效減小板料的回彈[12–16]。近年來，在各種測試手段和控制技術(shù)發(fā)展的推動下，振動輔助塑性成形的機理和應(yīng)用研究有了較大的進展（圖1）。本文首先對振動輔助塑性成形效應(yīng)以及相關(guān)機理進行闡述，然后對振動輔助塑性成形工藝及相關(guān)裝置的研究進展進行綜述，并探討該領(lǐng)域目前存在的問題和發(fā)展趨勢。

振動輔助塑性成形效應(yīng)

自超聲塑性效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)有許多學(xué)者對振動輔助塑性成形效應(yīng)進行了研究，包括降低流動應(yīng)力、減小界面摩擦、調(diào)整殘余應(yīng)力、改善表面性能、細(xì)化晶粒等[12–18]。一般認(rèn)為振動的影響可以分為體積效應(yīng)（Volume Effect）和表面效應(yīng)（Surface Effect）。體積效應(yīng)指的是振動對于材料內(nèi)部物理性能的影響，表面效應(yīng)指的是振動對于工件–模具界面之間摩擦的影響。不同材料的振動輔助塑性成形效應(yīng)存在差異，并且受到振動參數(shù)和加載條件的影響。

圖1 振動輔助塑性成形機理及應(yīng)用發(fā)展Fig.1 Development on mechanism and application of vibration assisted plastic forming

1 振動對材料流動應(yīng)力的影響

在塑性成形過程中施加振動會產(chǎn)生流動應(yīng)力減小的現(xiàn)象，并且流動應(yīng)力的減小受到振幅、頻率以及材料的影響[15,19]。振幅對流動應(yīng)力影響較為明顯，Huang 等[20]在純銅的超聲輔助壓縮中觀察到流動應(yīng)力降低幅度與振幅成正比，并且通過與純金的試驗結(jié)果比較，認(rèn)為振動軟化效果可能在很大程度上受晶體結(jié)構(gòu)而不是材料類型的影響。早期學(xué)者認(rèn)為，由于振動頻率遠(yuǎn)小于位錯環(huán)的固有頻率（一般認(rèn)為是109Hz）而無法產(chǎn)生共振，因此認(rèn)為頻率大小對流動應(yīng)力沒有影響[21]，但這種解釋不能完全排除頻率對于振動軟化的影響。Zhou 等[16]觀察到在20～40kHz 的范圍內(nèi)增加頻率會減弱振動軟化效果，作者認(rèn)為頻率增加會使應(yīng)變速率增加，使材料強度提高。

對于振動輔助塑性成形中振動軟化的機理，主要有以下4 種解釋。（1）應(yīng)力疊加，材料在周期性加載和卸載作用下，平均流動應(yīng)力減小[15]。（2）振動的溫度效應(yīng)使材料溫度升高，產(chǎn)生熱致軟化的現(xiàn)象[22–24]。（3）聲學(xué)軟化效應(yīng)，材料中位錯等內(nèi)部缺陷吸收振動能量而使塑性變形機制或物理性能發(fā)生變化。振動能量被位錯等缺陷優(yōu)先吸收，使得位錯分布改變，新的位錯源被激活，位錯遷移率增加，使材料的流動應(yīng)力降低[24]。關(guān)于振動對位錯的作用方式，Kempe等[25]提出了位錯吸收振動能量的3種方式，即共振、弛豫和滯后；Dutta等[26]提出振動可以增強位錯偶極子的湮滅能力，并且促使位錯傳播更長的距離，從而增加了位錯湮滅的可能性。（4）應(yīng)力波疊加，即當(dāng)模具的運動速度小于使模具和坯料保持接觸的臨界速度時，變形過程中模具與坯料不斷碰撞，在坯料內(nèi)部產(chǎn)生具有不同傳播速度的彈性波與塑性波，不斷在材料表面反彈，在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波疊加，導(dǎo)致流動應(yīng)力減小[27–28]。

圖2 超聲輔助壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線（v為振動速度；tH為振動持續(xù)時間）Fig.2 Stress-strain curves of ultrasonic vibration assisted compression(v is punch speed; tH is vibration duration)

在振動輔助成形中停止振動后，材料表現(xiàn)出殘余的軟化或硬化現(xiàn)象，稱為殘余效應(yīng)。鋁的超聲輔助壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線中就出現(xiàn)了殘余硬化現(xiàn)象[29–30]，如圖2[30]所示。殘余軟化和殘余硬化的產(chǎn)生通常被認(rèn)為是由于振動導(dǎo)致位錯密度以及微觀組織的變化造成的，不同的頻率、振幅以及材料都可能導(dǎo)致不同的殘余效應(yīng)。據(jù)相關(guān)文獻報道，在鋁合金和冷軋鋼中觀察到殘余硬化，而在鈦合金、鋅單晶、純銅和純金中觀察到殘余軟化的現(xiàn)象[16,20,24,31]。Zhou 等[29]認(rèn)為鋁合金的殘余硬化可以通過基于邊界增強機制的Hall-Petch 效應(yīng)來解釋，而鈦合金的殘余軟化行為是由于超聲振動促進形變孿晶的飽和而使孿晶邊界變少，形變孿晶引起的應(yīng)變硬化效果減弱而出現(xiàn)殘余軟化的現(xiàn)象。

2 振動對界面摩擦的影響

在金屬塑性成形過程中引入振動，可以減小工件與模具之間的摩擦，即所謂的表面效應(yīng)，從而促進材料的流動，改善工件的表面質(zhì)量。表面效應(yīng)產(chǎn)生的原因被認(rèn)為主要有以下3 個方面：（1）工件與模具在振動作用下產(chǎn)生瞬時分離；（2）工具與模具的周期性分離使得潤滑介質(zhì)更容易進入并儲存在接觸界面中，并且有研究表明振動可以減小潤滑膜的破損率[32]；（3）摩擦力矢在每個振動周期內(nèi)發(fā)生變化，使摩擦在部分階段有利于變形，從而減小平均摩擦系數(shù)[15]。另外，姚喆赫[32]認(rèn)為在干摩擦條件下，振動軟化導(dǎo)致剪切強度降低和界面接觸由塑性接觸轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥越佑|也是摩擦降低的原因。一般來說在振動作用下，振幅越大減摩效果越好，并且受到界面潤滑狀態(tài)的影響[33–34]。對于接觸界面復(fù)雜以及大變形情況，振動的減摩效果相對較差[7,35]。

3 振動對零件性能的影響

在塑性成形過程中施加振動，會在材料內(nèi)部產(chǎn)生交變應(yīng)力，使一些處于彈性應(yīng)力狀態(tài)的部分發(fā)生塑性屈服，釋放殘余應(yīng)變，起到減小零件殘余應(yīng)力的作用[36]。王宇飛[37]在低頻振動輔助彎曲試驗中觀察到殘余應(yīng)力與位錯密度同時減小，殘余應(yīng)力產(chǎn)生的物理本質(zhì)是晶格畸變，而晶格畸變在很大程度上由位錯產(chǎn)生，這在一定程度上解釋了振動作用下殘余應(yīng)力的變化。

振動輔助表面微塑性處理可以提高零件表面硬度和耐磨性，改善表面質(zhì)量。Xie 等[34]在鋁合金的超聲輔助鐓粗試驗中觀察到，在超聲振動作用下表面硬度增加，粗糙度降低，并且振幅越大，效果越好。Wang等[12]采用超聲表面滾壓技術(shù)對40Cr 材料表層進行納米晶化處理，表面硬度提高了52.6%，顯著提高了材料的耐磨性能。

總體來說，振動輔助塑性成形效應(yīng)具有高度的復(fù)雜性，是多種機制的耦合作用效果。近年來學(xué)者們通過試驗測試和理論分析對振動輔助成形中摩擦減小、應(yīng)力疊加、聲學(xué)軟化和殘余效應(yīng)分別進行了討論，加深了對振動作用機理的認(rèn)識。但現(xiàn)有的研究結(jié)果多基于簡單的單軸拉伸或壓縮試驗，與實際成形條件存在一定的區(qū)別，需要對多種因素的耦合機制以及每種因素的量化表征進行更為系統(tǒng)和深入的研究。

振動輔助塑性行為的本構(gòu)建模與數(shù)值模擬

在物理試驗中難以對振動輔助成形材料的瞬態(tài)變形行為進行監(jiān)測，數(shù)值模擬的方法可以對成形過程進行定時定量分析，有助于振動輔助塑性成形的機理研究和工藝研發(fā)，而構(gòu)建能準(zhǔn)確描述振動作用下材料流動行為的本構(gòu)模型，是保證振動輔助塑性成形數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的必要條件[38–39]。

經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)理論和彈塑性模型難以對振動軟化和殘余效應(yīng)進行精確的描述。早期的學(xué)者將振動輔助成形的數(shù)值模擬工作集中在修改摩擦系數(shù)和描述應(yīng)力疊加上，其采用的本構(gòu)模型中沒有包含反映聲學(xué)軟化或者殘余效應(yīng)的因子，不足以對振動輔助成形過程中材料的變形行為進行精確的描述[40–41]。因此，許多后續(xù)工作集中在通過唯象模型和基于物理的模型來描述材料在振動輔助成形中的流變行為。在唯象本構(gòu)模型方面，Siddiq 等[42]通過修改常規(guī)的晶體塑性模型以納入聲學(xué)軟化效應(yīng)，開發(fā)了基于唯象微觀力學(xué)的本構(gòu)模型。Xie 等[43]基于Johnson–Cook 模型建立了6063 鋁合金在室溫超聲振動下的本構(gòu)模型，定量分析了振幅和頻率對屈服強度、硬化系數(shù)和硬化指數(shù)的影響。在基于物理的本構(gòu)模型方面，Rusinko[44]將其提出的超聲缺陷密度引入本構(gòu)模型，準(zhǔn)確描述了材料在超聲輔助成形中的軟化和無靜載條件下的硬化行為。姚喆赫等[30]通過熱活化理論和位錯演化理論分別描述了聲學(xué)軟化和殘余硬化效應(yīng)，構(gòu)建了基于晶體塑性理論的聲塑性本構(gòu)模型。Sedaghat 等[45]通過考慮材料在超聲振動下的位錯動力學(xué)和聲能傳遞機理，提出了一種基于物理的本構(gòu)模型，可以較好地預(yù)測超聲振動作用下材料的變形行為。Wang 等[46]通過聲能密度和基于振幅的冪律表達式分別描述了聲學(xué)軟化和應(yīng)力疊加的影響，建立了一種混合模型。

許多學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法，如有限元模擬、晶體塑性有限元模擬、分子動力學(xué)模擬分別從宏觀、介觀和微觀尺度對振動輔助塑性成形機理和工藝進行研究。Siddiq 等[38]將修改的本構(gòu)模型用于超聲輔助板料成形、鐓粗和拉絲工藝，定量研究了超聲振動對摩擦力和成形載荷減小的影響。Li 等[11]采用基于物理的晶體塑性本構(gòu)模型對超聲輔助漸進成形進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明考慮軟化作用的本構(gòu)模型可以提高數(shù)值模擬的精度，有限元模型的絕對誤差會隨著成形深度的增加而減小，總體誤差低于20%。Zhang 等[47]采用分子動力學(xué)模擬的方法研究了1GHz 高頻振動對非晶合金變形行為的影響，發(fā)現(xiàn)施加振動載荷幾乎不會降低平均變形抗力，但在去除振動載荷后產(chǎn)生了明顯的殘余硬化效果，同時振動可以提高剪切局部化程度，有利于非晶合金的變形。

數(shù)值模擬技術(shù)是振動輔助塑性成形發(fā)展中關(guān)鍵的一環(huán)，為振動輔助塑性成形的機理研究和工藝開發(fā)提供了一種十分有效的手段。近年來，基于物理的本構(gòu)模型通過引入熱活化理論、位錯演化理論和聲能傳遞機理對聲學(xué)軟化和殘余效應(yīng)進行了較好的描述，而唯象本構(gòu)模型通過定量描述振幅、頻率等振動參數(shù)對材料變形行為的影響，也體現(xiàn)了較好的準(zhǔn)確性。各種本構(gòu)模型的建立增加了振動輔助塑性成形模擬的準(zhǔn)確性和適用性，使數(shù)值模擬可以更好地預(yù)測材料的變形行為，有利于振動輔助塑性成形的機理研究和工藝開發(fā)。

振動輔助塑性成形工藝

振動輔助成形具有近凈成形、成形成性、加工難變形金屬的潛力，最早被應(yīng)用在拉拔工藝中，隨后在振動輔助板料成形、擠壓等其他工藝也逐漸得到了發(fā)展，被應(yīng)用于鋁、鈦、銅、鋼等材料的成形中。振動輔助塑性成形根據(jù)振動頻率的不同可分為低頻振動輔助成形和超聲振動輔助成形，前者常用的頻率一般為幾Hz 到幾百Hz，后者則一般在15 ～ 40kHz 左右。

1 振動輔助拉拔成形

振動輔助拉拔主要包括振動輔助拉管和拉絲，自20 世紀(jì)60年代就得到了工業(yè)應(yīng)用，取得了良好的效果。拉拔和擠壓是受界面摩擦影響較大的工藝，因此振動的表面效應(yīng)能夠顯著減小成形載荷、改善表面質(zhì)量。此外，振動輔助拉拔工藝可以提高延伸系數(shù)、減少拉拔道次、減少拉拔過程中的斷裂現(xiàn)象，有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，有助于難變形材料零件的成形，如航空發(fā)動機散熱系統(tǒng)用高溫合金毛細(xì)管的成形[48]。

振動輔助拉拔的原理如圖3 所示，即在絲材或管材拉拔過程中將軸向、徑向或者切向的振動引入到拉拔模具或芯軸中。在工業(yè)應(yīng)用中考慮到對設(shè)備的改動較小，常采用芯軸振動的方案[49]。Murakawa 等[4]發(fā)現(xiàn)徑向振動拉絲具有更高的極限拉拔速度，但軸向振動拉絲可以得到更好的表面質(zhì)量和更小的流動應(yīng)力；與常規(guī)拉絲相比，軸向振動拉絲最大應(yīng)力下降約91%，而徑向振動拉絲下降約67%[3–4]。除了普通材料外，振動輔助拉絲也被應(yīng)用在高強度材料如鈦合金、高溫合金的拉拔中。單小彪等在鈦合金絲材拉拔中施加頻率為21kHz、振幅為20μm 的切向扭轉(zhuǎn)復(fù)合超聲振動，成形力與軸向振動拉絲相比降低了15.6%，與不施加超聲相比降低了23%。復(fù)合超聲振動具有比單一軸向超聲振動更好的成形效果，為難變形金屬的拉拔成形提供了一種新思路[50–51]。低頻振動輔助拉拔也取得了比較好的成形效果，姜志宏等[52]將低頻振動引入到薄壁銅管的游動芯頭拉拔中，隨著振幅的增加拉拔力明顯降低，但頻率的影響不是很明顯。

圖3 振動輔助拉拔工藝（f為頻率；a為振幅；v為速度）Fig.3 Vibration assisted drawing process (f is frequency; a is amplitude; v is speed)

2 振動輔助板料成形

板料成形件在航空航天、汽車等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。振動輔助板料成形工藝主要包括振動輔助拉深、沖裁、彎曲、拉伸、漸進成形等，關(guān)注的研究點包括成形性能、模具磨損、板料回彈、成形件質(zhì)量等。振動輔助拉深根據(jù)施加位置和振動方向的不同主要有如圖4 所示的5 種形式，可用于加工杯形件等回轉(zhuǎn)件或盒形件等非回轉(zhuǎn)件。Jimma 研究了冷軋鋼和304 不銹鋼的超聲輔助拉深工藝，發(fā)現(xiàn)施加超聲振動后極限拉深比（LDR）增加了12%～16%，起皺現(xiàn)象得到改善并且最大成形載荷減小約15%[5]，并且相關(guān)研究表明低頻振動輔助拉深同樣具有提高板料成形極限的效果[53]。

圖4 振動輔助拉深工藝（f為頻率；a為振幅；v為速度）Fig.4 Vibration assisted deep drawing process (f is frequency; a is amplitude;v is speed)

回彈是板件精度控制中一個十分關(guān)鍵的問題，振動的引入可以有效降低板料成形中的回彈現(xiàn)象。柏玲磊等[36]設(shè)計了振動輔助拉伸成形裝置，研究了飛機蒙皮的振動輔助拉伸成形，結(jié)果表明低頻振動可有效減小飛機蒙皮拉伸成形后的回彈，并且在試驗參數(shù)范圍內(nèi)（頻率10～30Hz，振幅0.5～1.5mm），回彈量隨振幅的增加而減小，而對頻率變化不敏感。丁婕[54]在鋁合金板料超聲輔助彎曲中觀察到回彈角最大降幅達37%，最大載荷降幅為56%。

振動輔助沖裁一般是在沖裁時對沖頭施加振動，可以提高斷面質(zhì)量。程濤等[55]研究了中碳鋼的超聲輔助沖裁工藝，發(fā)現(xiàn)超聲振動可以減小精沖件的塌角尺寸，并能夠促使裂紋提前萌生，從而提高光亮帶的比例。Liu 等[56]對厚度為0.2mm 的銅箔進行了超聲輔助微沖裁，采用的縱向超聲振動頻率和幅度分別為36.1kHz 和1.66μm，光亮帶最大比例從79%提高到84%，減少了毛刺的產(chǎn)生，并且沖裁過程中剪切面上的拋光效果可以減小表面粗糙度。

圖5 振動輔助漸進成形工藝（f為頻率；a為振幅）Fig.5 Vibration assisted incremental forming process (f is frequency; a is amplitude)

板料漸進成形是將板料的三維模型沿垂直方向分層離散成一系列等高層，在各等高層上形成加工軌跡，數(shù)控機床控制工具頭沿加工軌跡對板料進行逐層加工，最終成形出設(shè)計零件[57]，振動輔助漸進成形則是在原有設(shè)備的工具頭上引入振動（圖5）。板料漸進成形工藝具有較大的柔性且不使用凹模，可以成形形狀較為復(fù)雜的零件，在小批量生產(chǎn)中優(yōu)勢明顯。李燕樂等[10–11,58]對超聲輔助板料漸進成形工藝進行了系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明施加超聲振動后材料流動應(yīng)力減小，材料的流動面積增加，更多的材料參與變形，有利于改善材料堆積、起皺和破裂的問題。

3 振動輔助擠壓成形

振動輔助擠壓成形有較多的應(yīng)用，除了常規(guī)的工藝優(yōu)點外，還具有增大擠壓比、減少材料折疊的作用。在超聲輔助擠壓成形中，成形力的降低受到擠壓速度的限制，在高速時成形力下降不明顯[59]。這可能是由于材料在大變形、快速擠壓、大接觸面積和高壓變形中，超聲振動使界面局部溫度升高，導(dǎo)致摩擦力增加[7]。Xie 等[34]對6063 鋁合金環(huán)進行了超聲振動壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)超聲能量在傳播過程中的損耗使與工具頭接觸的上表面的表面質(zhì)量、硬度和減摩效果明顯優(yōu)于下表面。Bagherzadeh等[60]對超聲輔助等徑角擠壓工藝進行了研究，如圖6 所示，將頻率為20kHz、振幅為15μm 的超聲振動直接施加在鋁合金坯料上，與不加超聲振動相比，成形力降低了31%，平均塑性應(yīng)變增加58%，消除了材料的折疊缺陷，并提高了變形的均勻性。

圖6 超聲輔助等徑角擠壓工藝（PDZ為塑性變形區(qū)；Ft為靜力；Fv為振蕩力；f為頻率；a為振幅）Fig.6 Ultrasonic assisted equal channel angular extrusion process (PDZ is plastic deformation zone; Ft is static force; Fv is pulse oscillatory force; f is frequency; a is amplitude)

受到超聲振動裝置功率的限制以及超聲能量在傳播中的耗散影響，超聲輔助擠壓難以加工尺寸較大的零件，因此近年來許多學(xué)者對振動輔助微成形和低頻振動擠壓進行了研究。Lou 等[6]研究了純銅的超聲輔助微擠壓，結(jié)果表明材料的流動應(yīng)力、摩擦系數(shù)和顯微硬度隨振幅的增加而減小，表面質(zhì)量升高；由于零件尺寸較小，晶粒尺寸效應(yīng)不可忽略，因此振動對微成形中材料性能的影響比較復(fù)雜。低頻振動輔助擠壓工藝在部分研究中已經(jīng)被用于成形微槽道薄板[61]、花鍵[62–64]、齒輪[65–66]等零件，取得了較好的成形效果。

4 其他振動輔助成形工藝

也有學(xué)者對其他振動輔助成形工藝進行了研究。Suh[67]將超聲輔助冷鍛應(yīng)用在冷軋機切邊刀的生產(chǎn)中，刀具表面產(chǎn)生了納米級細(xì)小晶粒和殘余壓應(yīng)力，提高了刀具壽命和可靠性。Bai 等[68–69]研究了金屬箔的振動輔助微鍛造工藝，發(fā)現(xiàn)較大的振幅可以得到更好的表面質(zhì)量。蔡改貧等[8–9]研究了振動擺輾工藝，發(fā)現(xiàn)與普通擺輾相比，振動擺輾的成形力小、成形時間短、成形質(zhì)量高，并通過該工藝生產(chǎn)了內(nèi)花鍵套。Rasoli 等[70]將超聲振動引入鋁合金管的旋壓工藝中，結(jié)果表明低功率超聲振動可以改善樣品的內(nèi)表面質(zhì)量；大功率超聲振動可以使徑向力減小4%～13%，并減少物料溢出。鉚接是飛機裝配中一種重要的連接方式，解振東[71]研究了超聲輔助鉚接工藝，超聲振動使釘桿變形更加均勻，并增大了鉚接結(jié)構(gòu)的干涉量和均勻度，有助于提高鉚接結(jié)構(gòu)的剪切強度和疲勞壽命，在頻率28kHz、振幅4.32μm 時，可分別使45 鋼、6063 鋁合金、T2 銅的鉚接結(jié)構(gòu)剪切強度提高10.47%、10.22%、9.2%。

振動輔助塑性成形應(yīng)用在板料成形與體積成形中都取得了較好的效果。首先，振動可以減小成形載荷、改善材料的塑性，對于難變形、塑性較差材料以及變形量較大零件的加工優(yōu)勢明顯。其次，振動減小板料回彈的作用，可以顯著改善板料的成形效果，提高板件成形精度。另外由于表面效應(yīng)，振動應(yīng)用于拉拔、擠壓等成形工藝，對零件表面質(zhì)量的提升效果較為明顯。超聲振動裝置的局限性使得超聲輔助成形局限于坯料體積較小、成形力較小、模具結(jié)構(gòu)比較簡單的工藝。目前振動輔助成形工藝具有向微成形、多向復(fù)合振動輔助成形、振動局部加載成形或低頻成形的方向發(fā)展的趨勢，以解決超聲功率低的問題。

振動輔助成形裝置

振動輔助塑性成形是在塑性成形中通過振動發(fā)生裝置將振動引入到模具或者坯料中實現(xiàn)的。根據(jù)振動頻率和產(chǎn)生方式的不同，主要有超聲振動輔助成形裝置和低頻振動輔助成形裝置。

1 超聲振動輔助成形裝置

圖7 超聲振動輔助成形裝置Fig.7 Ultrasonic assisted forming apparatus

超聲振動輔助成形裝置一般由超聲發(fā)生器、超聲換能器、變幅桿和工具頭組成，如圖7 所示。超聲發(fā)生器用于將工頻交流電信號轉(zhuǎn)換為超聲頻率的電振蕩信號，然后經(jīng)超聲換能器將電振蕩信號轉(zhuǎn)換為超聲振動，頻率一般為15～40kHz。常用的超聲換能器有壓電陶瓷換能器和磁致伸縮換能器。通常超聲換能器產(chǎn)生的振動的振幅較小，需要經(jīng)過變幅桿放大，然后直接或經(jīng)工具頭引入坯料。彭卓等[72]設(shè)計的超聲輔助微擠壓成形裝置采用雙換能器和雙變幅桿驅(qū)動形式，并對矩形六面體變幅桿的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，可負(fù)載坯料及模具實現(xiàn)豎直方向的整體超聲諧振。

當(dāng)施加的頻率和系統(tǒng)固有頻率相等時能夠產(chǎn)生共振，超聲振動可以產(chǎn)生最大的效果[73]。成形過程中載荷和溫度的變化，會導(dǎo)致系統(tǒng)固有頻率變化而無法產(chǎn)生共振[28]，因此在一些研究中運用了具有自動調(diào)節(jié)能力的超聲發(fā)生裝置，可以在成形過程中在一定范圍內(nèi)自動產(chǎn)生諧振。對于不同的應(yīng)用條件，往往需要設(shè)計不同的變幅桿以達到良好共振的效果。共振狀態(tài)下，振幅比較高，可能會導(dǎo)致機械系統(tǒng)崩潰自毀。超聲振動成形裝置受到成形力的限制，在載荷較大時存在無法起振的現(xiàn)象，需要開發(fā)更大功率的超聲振動裝置。

2 低頻振動輔助成形裝置

低頻振動輔助成形工藝采用的振動頻率一般在幾Hz 到幾百Hz，采用的振動裝置除了伺服電機外，主要是低頻振動發(fā)生器。伺服電機可以通過精確控制滑塊的伺服運動來實現(xiàn)成形過程中低頻振動的疊加，增加了振動輔助成形過程的可控性，頻率、振幅的可調(diào)性更好，裝置通用性也更好。低頻振動發(fā)生器根據(jù)原理的不同，一般可以分為機械式、氣動式、電磁式和電液式[74–75]。機械式振動發(fā)生器是通過偏心輪等機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低頻振動，可以得到較大的輸出功率，但振動頻率和振幅的可調(diào)節(jié)性較差，并且在振動過程中會產(chǎn)生較大的噪聲。氣動式振動發(fā)生器通過機械結(jié)構(gòu)將壓縮氣體轉(zhuǎn)換為低頻機械振動，通過調(diào)整活塞質(zhì)量和氣體壓力分別調(diào)節(jié)振動頻率和激振力。電磁式振動發(fā)生器通過電磁感應(yīng)原理將電振蕩信號轉(zhuǎn)換為不同波形的低頻機械振動，頻率可調(diào)節(jié)范圍較大。電液式振動發(fā)生器是通過電動激振器帶動液壓伺服閥，控制液壓缸中的活塞產(chǎn)生機械振動，可以得到較大的激振力，在大型設(shè)備上應(yīng)用較多。

前文提到低頻振動擠壓被用于生產(chǎn)齒輪、花鍵等，具有較好的成形效果，許多企業(yè)開發(fā)了相應(yīng)的壓力機。德國的FELSS 公司開發(fā)的立式振動擠壓機是比較具有代表性的產(chǎn)品，該裝置在凹模上施加低頻振動，頻率約為20Hz[75]。合肥合鍛公司開發(fā)了1000kN 軸向振動成形液壓機，采用的電液式振動發(fā)生器頻率可以在10～30Hz 之間調(diào)節(jié)，可用于花鍵生產(chǎn)并提高生產(chǎn)效率[76]。除了伺服壓力機外，低頻振動成形裝置的通用性相對于超聲振動成形裝置較差，需要開發(fā)專用壓力機，超聲振動成形裝置只需要附加在普通壓力機上，設(shè)備成本相對較低。超聲換能器在高溫下性能會急劇惡化，而大多數(shù)低頻振動成形裝置在較高溫度下仍能良好工作，因此相對于超聲振動，低頻振動在熱加工中的應(yīng)用優(yōu)勢明顯。

結(jié)論

與傳統(tǒng)塑性成形工藝相比，振動輔助塑性成形工藝具有降低成形載荷、提高零件表面質(zhì)量、改善材料成形性能的優(yōu)點，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，但仍存在一些問題亟待解決。

（1）對于振動輔助塑性成形機理缺乏統(tǒng)一和明確的解釋，對于“表面效應(yīng)”和“體積效應(yīng)”中各種機制的耦合作用缺乏清晰的認(rèn)識；微成形中振動與尺度效應(yīng)的耦合作用機理缺乏明確的解釋；振動對非晶合金、金屬基復(fù)合材料等特殊材料變形行為的影響機制不明確；不同材料在振動輔助成形中的微觀組織演化、失效形式以及變形機制缺乏系統(tǒng)的研究；各種理論的應(yīng)用范圍具有一定的局限性，這在一定程度上也限制了本構(gòu)模型的建立和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展。此外，目前研究中較少有從原子層面對振動輔助成形機理進行解釋，進一步研究中可采用分子動力學(xué)模擬以及原位試驗等方法對相關(guān)機制進行解釋；數(shù)值模擬可以對振動輔助成形過程進行定時定量研究，基于物理的本構(gòu)模型與混合本構(gòu)模型有助于獲得準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，應(yīng)當(dāng)予以關(guān)注。

（2）在振動輔助塑性成形工藝方面，存在振動功率不足、振動損耗、適用范圍窄并且缺乏明確的工藝標(biāo)準(zhǔn)的問題。進一步研究中，應(yīng)對微成形、多向復(fù)合振動輔助成形、振動局部加載成形、低頻輔助成形或振動輔助熱成形等工藝予以關(guān)注，對關(guān)鍵工藝參數(shù)如振幅、頻率、變形速率等的確定進行系統(tǒng)化研究以建立工藝標(biāo)準(zhǔn)。

（3）在成形裝置方面，振動對成形過程穩(wěn)定性、成形精度以及設(shè)備疲勞性能的影響需引起關(guān)注；需要研制大功率的振動發(fā)生裝置，并且具有對輸入能量、振幅和頻率等參數(shù)更好的量化調(diào)節(jié)能力；同時，進一步提高成形系統(tǒng)的控制精度、模具精度、穩(wěn)定性、系統(tǒng)剛度以及自動化水平，以滿足對成形力較大及形狀較為復(fù)雜零件的成形需求，提高在工業(yè)生產(chǎn)中的適用性。

雖然還存在一定的問題，但隨著相關(guān)研究的進行和問題的解決，振動輔助塑性成形工藝將具有更加廣闊的應(yīng)用前景。