金屬超聲振動擠壓特性實驗研究

金屬超聲振動擠壓特性實驗研究目錄金屬超聲振動擠壓特性實驗研究 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超聲振動在金屬成形中作用機理研究 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驗 132.1實驗方案 132.2實驗裝置及模具 142.2.1實驗模具的設(shè)計 142.2.2實驗設(shè)備壓力機 162.2.3實驗設(shè)備超聲振動系統(tǒng) 172.3實驗坯料的制備 182.4單晶體塑性變形的機制 192.5本章小結(jié) 19第三章T2紫銅超聲輔助微擠壓成形實驗研究 213.1T2紫銅超聲輔助微擠壓實驗 213.1.1實驗方案及實驗過程介紹 213.1.2體式顯微鏡和金相顯微鏡介紹 223.2模具變形區(qū)尺寸對微擠壓過程的影響 23第四章利用ABAQUS軟件對坯料的超聲成形過程進行仿真 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。因此這對于微型零件成形工藝和成形設(shè)備的設(shè)計制造就有了更多更新的要求，由于介觀尺寸效應的影響，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。從高頻率振動在宏觀的材料塑性成形的實驗中發(fā)現(xiàn)，將超聲波振動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，將超聲振動和微塑性成形結(jié)合到一起，研究坯料經(jīng)熱處理后晶粒相對于模具的大小和所加超聲波功率大小對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準，分析材料在受到不同超聲振幅時應力應變和微觀組織的變化規(guī)律。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，超聲波在加到材料微擠壓過程中，超聲振動在坯料上產(chǎn)生的聲波軟化效應和工具的應力疊加效應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。實驗中使用的金屬材料為經(jīng)熱處理和磨床處理過的T2紫銅，實驗中還設(shè)計了未加入超聲振動材料微擠壓的過程，將成形后的變形區(qū)與加入超聲振動的實驗進行對比發(fā)現(xiàn)：加入超聲能場會明顯降低材料成形時的成形力，并且加入的超聲波頻率越高，T2紫銅的成形力會下降的愈加明顯，成形之后性能也會顯著提高，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：制備實驗所需的T2紫銅材料，將材料進行熱處理，得到實驗中所需的晶粒大小為200μm的坯料，同時由于在微擠壓開始工具向下擠壓材料時會產(chǎn)生鐓粗過程，因此需要將材料用磨床進行端面的平整處理。設(shè)計一系列針對超聲振幅大小和晶粒與模具相對大小的實驗，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%。在未加超聲振動時，三種模具成形最為困難，在加入超聲振動后，材料流動應力逐漸變小，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，表面質(zhì)量的改善情況并不明顯。完成微擠壓實驗之后，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，實驗表明，加入超聲振動之后，成形件的晶粒會被細化，微觀組織相較于傳統(tǒng)塑性成形質(zhì)量會顯著提高。在做完實際實驗之后，利用ABAQUS軟件對實驗過程進行仿真，以了解在理想條件下的實驗結(jié)果表現(xiàn)如何，觀察仿真中坯料受到的應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；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)被比較廣泛的應用了，因此市場對于微細零部件的精密等級，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90年代已經(jīng)出現(xiàn)了將傳統(tǒng)工藝技術(shù)應用到微型塑性成形零件的加工中，可以生產(chǎn)尺寸在兩個維度上小于或等與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，并已經(jīng)應用于電子、機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)展給人們帶來了遠遠超越以往加工工藝的方便，人們對微形化產(chǎn)品和零部件的需求也越來越大。零件微型化對零件的加工中材料、工藝、工模具和設(shè)備都會產(chǎn)生影響，所以在微細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，由于尺寸的減小導致的微形尺寸效應，也可稱為介觀尺寸效應，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，這就使得對微塑性加工工藝成為國際和國內(nèi)的研究重點[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/納米制造科學與技術(shù)”列到國家科學技術(shù)研究的重點資助領(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)的廣泛應用。因此人們在傳統(tǒng)的加工技術(shù)上逐漸的研究和改進，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、反應快、低耗能、良好的穩(wěn)定性和重量輕等諸多優(yōu)點，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，例如成形時間短、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構(gòu)YoleDevelopment于2013年發(fā)布的研究報告指出，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)的廣泛應用對于零件各要求如精度、性能、質(zhì)量等也提出了更高的要求，同時需求量也在不斷提高，這促使在對生產(chǎn)過程中的成本、精度、合格率等都提出了相對以往更高的要求。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，因為本身就有傳統(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)有點可以作為基礎(chǔ)和優(yōu)勢可以應用到現(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，得到一種準三維結(jié)構(gòu)的技術(shù)被稱為表面的微機械加工技術(shù)，世界上的第一個微形靜電馬達就是采用這種技術(shù)的制造生產(chǎn)而成的微機電系統(tǒng)零件。體積微機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機械機構(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重要方向，歐益宏等[6]采用的就是該技術(shù)進行硅深槽刻蝕。Vollertsen教授[7]在宏觀微塑性成形實驗中發(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，這項實驗對比也證實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比照片。圖1.1宏觀和微觀下拉深成形件的對比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)驗和實踐開發(fā)微成形技術(shù)[8]。孟慶當教授等[9]在實驗中發(fā)現(xiàn)304不銹鋼的箔板在微成形過程中板的變形應力和彎曲角度隨著不銹鋼板厚的逐漸增厚而不斷減小，這一實驗現(xiàn)象在Hall-Petch關(guān)系式?jīng)]有辦法得到很好的解釋，孟慶當教授把用相對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驗中材料因變形而產(chǎn)生的尺寸效應。單德彬教授等[11]自行設(shè)計了一套微塑性成形系統(tǒng)以進行徽塑性成形工藝研究，并進行了齒輪的成形實驗，在保證成形齒輪表面質(zhì)量的同時，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)計了加工制造形狀復雜的圓盤類微形零件的模具，實現(xiàn)了復雜模具設(shè)計制造的數(shù)字一體化方法，并優(yōu)化了模具設(shè)計制造加工工藝。季忠與鄭超等[12]利用自己團隊設(shè)計的的脈沖激光，將激光作用于材料表面進行等離體爆轟波的沖擊實驗，通過有限元模型中等效塑性變形速率、變形殘余應力和應變的分布來描述變形機理，通過實驗發(fā)現(xiàn)，試樣厚度越大，變形深度逐漸減小；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，將超聲波振動加入到材料成形中，使工件受到周期性振動的情況下產(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應力下降，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最早把超聲振動加入到金屬塑性成形加工中，他們發(fā)現(xiàn)當把超聲波振動加入到拉伸實驗過程中，材料成形時的屈服應力和流動應力都出現(xiàn)了顯著的下降，這個實驗現(xiàn)象被后來在這個領(lǐng)域的研究者稱為Blaha效應[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Blaha效應及超聲波振動在材料塑性成形中的大范圍應用方面進行了大量的研究。Langenecke等學者研究發(fā)現(xiàn)，對單晶鋁坯料進行單向拉伸實驗時加入超聲波振動會對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)下應力應變曲線），超聲波能量對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)下的應力應變的曲線2006年，C.J.Bunget[15]等設(shè)計了一系列的超聲波振動輔助微擠壓實驗研究，實驗設(shè)備如圖1.3所示，研究實驗過程中當施加高頻率振動時微擠壓成形的材料成形規(guī)律，實驗結(jié)果表明當施加高頻率振動時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微擠壓成形的基本特性，他們發(fā)現(xiàn)超聲振動使模具與工件表面間的摩擦狀況不同于普通擠壓時模具和工件之間的接觸情況，超聲振動可以使?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，同時成形力和成形時間都比原來減少很多，同時微壓制零件的精度也得到提高[16]。2013年，J.C.Hung等綜合考慮了各項因素對超聲實驗中材料成形的影響規(guī)律[17]。2014年，Wu等[18]通過實驗發(fā)現(xiàn)有超聲輔助的實驗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等在實驗研究中發(fā)現(xiàn)超聲波可以提高材料的充型性能，并且在實驗中加入的超聲波功率越大，超聲振動時間越長，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黃銅箔片進行實驗研究，其中實驗中的黃銅箔片的尺寸互不相同，實驗結(jié)果顯示超聲振動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等實驗結(jié)果表明在超聲輔助材料成形中，主要存在應力、聲軟化作用、摩擦狀況等三個影響因素，在降低金屬材料單軸壓縮載荷的同時，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)大學彭卓研究了非晶合金在微擠壓成形過程中加入超聲振動輔助的實驗，實驗結(jié)果也為微形零部件的加工提供了一定的設(shè)計思路和指導性的方法[22]。1.3.2超聲振動在金屬成形中作用機理研究在已有的研究中幾乎都有這樣的結(jié)論，超聲振動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應力，同時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驗現(xiàn)象，并且在超聲振動的作用機制上有所爭議。在作用機制上存在爭議是因為僅僅靠實驗所得到的應力應變曲線無法完全解釋實驗背后的實質(zhì)物理現(xiàn)機制，而有些實驗過程中的得到的實驗數(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，超聲振動在金屬成形過程中的作用機制包括體積效應和表面效應[25-28]。表面效應：表現(xiàn)在超聲振動在加入材料成形過程中時，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。材料表面晶粒被細化，且晶粒分布均勻。導致產(chǎn)生表面效應的原因一般認為可能有：1、材料吸收了超聲振動中的能量使得表面晶粒的活躍度得到提升。2、超聲振動使模具和工件之間不斷的接觸分離再接觸，在這個過程中，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：金屬在力疊加效應下更利于成形。導致產(chǎn)生體積效應的原因一般可能認為有：1、應力疊加效應，然而實驗結(jié)果無法分辨出在這一過程中成形力的下降是因為應力疊加效應還是聲波導致的軟化效應。2、高頻振動使材料內(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，但在超聲波成熟的應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，在材料的成形性能、材料的成形流動應力、材料流動變化規(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影響材料的成形性能。運用超聲振動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、降低坯料成形應力、提高尺寸精度和成形件表面質(zhì)量等優(yōu)點，將超聲振動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，設(shè)計相應的超聲輔助微擠壓成形實驗，研究超聲波輔助微成形機理及其微尺寸效應，因尺寸效應帶來的材料變形問題，分析超聲輔助對材料微成形各項性能、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：實驗中超聲系統(tǒng)的組成部分、包括超聲振動系統(tǒng)、超聲變幅桿、超聲換能器、本實驗中的實驗裝置的組成、模具的設(shè)計。第三章：根據(jù)設(shè)計出的實驗方案完成實驗部分內(nèi)容，具體介紹實際實驗過程中的實驗現(xiàn)象，分析實驗數(shù)據(jù)，研究超聲振動對微擠壓實驗過程中的影響規(guī)律。第四章：根據(jù)實驗進度視情況完成一部分仿真實驗，并對仿真實驗結(jié)果進行簡單的分析。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，以及對未來研究方向的展望。第二章超聲波輔助微擠壓成形實驗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，但是因為材料介觀尺寸效應帶來的許多需要解決的問題仍然存在，例如在坯料成形時與模具之間的摩擦，坯料的流動應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應力、改善模具與材料間摩擦狀況、改善成形件表面質(zhì)量、細化坯料晶粒等優(yōu)點，但是超聲波輔助微塑性成形工藝仍存在實驗階段，還未在生產(chǎn)中大范圍應用，并且坯料成形時材料內(nèi)部流動應力的變化規(guī)律還不清楚，在仿真中也無法將實際流動情況表現(xiàn)出來，成形機制暫時還不清楚，還需進一步探討。本章將根據(jù)研究內(nèi)容介紹設(shè)計一系列實驗方案探究模具尺寸與材料晶粒相對大小和超聲波功率大小對材料成形中應力應變、成形力、成形后晶粒的影響規(guī)律。并重點介紹實驗中使用的模具、成形壓力機、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理。2.1實驗方案在大多數(shù)的文獻中，探究材料在超聲波輔助的情況下的微擠壓實驗已經(jīng)被完成過，因此我將根據(jù)自己的實際情況設(shè)計出探究超聲波功率和模具尺寸與晶粒相對大小兩個因素對材料成形中應力應變、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驗中，超聲波振幅對于材料成形的顯著影響是可以類比得到一些結(jié)果的。本文同時認為模具的尺寸同樣會對材料的成形產(chǎn)生一些明顯的影響，不僅在成形能力上，在微觀組織上也會有一些表現(xiàn)，也就是在不同的擠出直徑下，晶粒的細化程度是不一樣的。為消除擠壓比對實驗的某些影響因素，本文設(shè)計的實驗會在同一擠壓比下進行，并選取了擠壓直徑為φ0.5mm、φ0.7mm、φ0.9mm的模具，因為這次實驗制備的材料為T2紫銅棒，且在不同的超聲波振幅下對比個實驗的結(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。實驗原理簡圖，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實驗原理簡圖圖2.2微擠壓成形件示意圖2.2實驗裝置及模具2.2.1實驗模具的設(shè)計在超聲輔助微塑性成形工藝中，模具的設(shè)計和制作過程也是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，模具的幾何尺寸精度對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，對于模具的精度和質(zhì)量的要求也變得更加嚴格。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行不同尺寸的擠壓實驗，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實驗設(shè)備壓力機最近幾年來，國內(nèi)許多學者已經(jīng)在鐓粗、擠壓、拉伸、拉絲等領(lǐng)域就對超聲輔助塑性成形進行了很多的實驗和研究。對于超聲輔助微擠壓成形工藝來講，傳統(tǒng)的壓力機上不僅僅是加上超聲波發(fā)生裝置那樣簡單了，在傳統(tǒng)壓力機上增加超聲設(shè)備要求對現(xiàn)有的壓力機進行比較大的改造和升級，所以需要解決適合超聲輔助微擠壓成形實驗的壓力機設(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)的立柱式壓力機結(jié)構(gòu)與其相適配，又因此需要相對應的超聲系統(tǒng)固定在壓力機設(shè)備上，不具備適用于大多數(shù)超聲輔助的塑性成形中。因此采用的壓力機設(shè)備如圖2.3，圖2.4所示，壓力機的驅(qū)動部分為伺服電機，傳動機構(gòu)為絲杠螺母，伺服電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動力通過絲杠螺母傳遞到工具實現(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10KN超聲輔助微塑性成形壓力機的主要使用對象則是超聲輔助微擠壓實驗，其控制軟件的接口包括兩部分，一個是運動接口，主要通過API函數(shù)和運動控制卡這兩者之間進行交互，工控機內(nèi)的運動控制卡通過外接的放大器和手輪控制交流伺服電機的運動；第二個接口是數(shù)據(jù)接口，采集信號輸入模塊收集計算機上連接的位移和壓力傳感器上采集的數(shù)據(jù)。2.2.3實驗設(shè)備超聲振動系統(tǒng)本文的實驗除基于實驗室前期研制的10KN超聲輔助微塑性成形壓力機之外，還使用到了同樣是前期研制的多孔超聲振動設(shè)備，該超聲振動平臺如圖2.5所示。圖2.5多孔超聲振動平臺該超聲振動平臺由兩個超聲換能器、兩個階梯狀結(jié)構(gòu)的超聲變幅器和一個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現(xiàn)橫向的超聲振動轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向的超聲振動，從而實現(xiàn)超聲振動方向的改變，同時也可以解決變幅器過長不便于安裝的問題。采用兩個變幅器和兩個變幅桿的設(shè)計可以實現(xiàn)超聲振動系統(tǒng)的較好支撐以及整個系統(tǒng)振動能量的傳輸。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)點處設(shè)置法蘭盤和支撐底座，超聲波發(fā)生器是由一臺TJS-3000超聲波電源提供高頻率信號，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現(xiàn)超聲振動方向轉(zhuǎn)變的超聲變幅器，它通過變幅桿和圓形盤的相互結(jié)合，將縱向的振動和徑向振動偶合起來，實現(xiàn)變幅桿軸向振動和圓形盤徑向振動的相互轉(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稱的凸臺。通過已有的實驗表明，超聲變幅器上面方形凸臺尺寸的變化會影響超聲變幅器振動頻率以及縱向振動覆蓋區(qū)域面積。超聲變幅桿是超聲振動系統(tǒng)中的一個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較小的面上，改善超聲振動的振動質(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)整它們之間的負載系數(shù)，減小因振動而產(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實驗坯料的制備本文中實驗坯料使用的是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、導電導熱性良好、可塑性強等優(yōu)點，因此被廣泛應用于電子行業(yè)中，同時也是實驗中經(jīng)常被用到的一種材料。T2紫銅的化學成分如表2-1所示。用高精度車床和電火花切割機將紫銅坯料加工成直徑為1.5mm，高度為2.25mm的圓柱形樣品，為消除加工時產(chǎn)生的應力，并獲得實驗要求的晶粒大小，需要在微擠壓成形前放入加熱爐中進行熱處理。在微擠壓開始時，由于坯料會被完全擠壓導致充滿整個模具，這將會有一個坯料鐓粗的過程，同時也是為了消除電火花切割時在坯料端面留下的電蝕層的影響，需要在實驗前將坯料的端面用磨床進行精磨處理，越是小尺寸的坯料成形實驗，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紫銅化學成分代號成分（%重量）Cu+AgBiSbPbAsSOT299.900.0020.0020.0050.0020.0050.062.4單晶體塑性變形的機制晶?；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力的作用下，其中的兩部分會相對的沿著晶界產(chǎn)生滑動，這個過程就被叫做滑移?；频倪^程不會對晶體中晶粒的排列產(chǎn)生影響，兩部分相對移動的距離是該材料中晶粒的整數(shù)倍。當外切應力比較小的時候，晶體只會發(fā)生彈性變形，但隨著切應力的逐漸增大，超過原子之間的吸引力的時候，便會產(chǎn)生相對移動。產(chǎn)生相對的滑動的晶粒表面叫做滑移面，在新的固定位置上將會形成一個新的穩(wěn)定狀態(tài)，這個時候即使撤去外部切應力，由于晶體已經(jīng)發(fā)生滑移，晶體的扭轉(zhuǎn)或可恢復，但是已經(jīng)產(chǎn)生滑移的部分將不會再恢復到原來的位置，這個時候就產(chǎn)生了因相對滑移而導致的晶體的塑性變形。除了晶體的相對滑移之外，還會同時產(chǎn)生晶體內(nèi)部晶粒的轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)，金屬單晶體要在外部切應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)動和旋轉(zhuǎn)對于晶體來說是必然的。晶體的另外一種塑性變形機制則是孿生，也成為孿晶。不同于滑移的原因是因為滑移是晶體中的一部分相對于另一部分產(chǎn)生相對移動，而孿晶是因為晶粒在外應力的作用下晶體內(nèi)部一部分相對于另一部分沿著某一方向發(fā)生了轉(zhuǎn)動，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，這樣的塑性變形會促使發(fā)生進一步的晶體滑移。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，實驗中使用的壓力機，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理。（1）設(shè)計了一系列針對T2紫銅的超聲輔助微擠壓實驗方案；（2）介紹了實驗中使用的前期實驗室已經(jīng)設(shè)計制作的壓力機的主要構(gòu)造和壓力機的大致工作原理，超聲振動系統(tǒng)的主要構(gòu)成和其中變幅器、變幅桿的主要特征，并介紹了實驗使用的模具尺寸和制作方法；（3）根據(jù)設(shè)計的實驗方案，將T2紫銅進行預先的熱處理，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驗研究本章在超聲輔助下對T2紫銅進行微擠壓實驗研究，對不同尺寸的實驗模具和不同的超聲功率下T2紫銅的微擠壓實驗數(shù)據(jù)進行研究，進一步了解T2紫銅成形能力，研究模具尺寸和超聲功率對紫銅成形時的影響規(guī)律。并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和對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)計的實驗相對比，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驗3.1.1實驗方案及實驗過程介紹在超聲輔助金屬材料微擠壓實驗中的實驗材料選擇的是經(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材料的尺寸進行處理，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，通過對比實驗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大小和超聲波功率大小對T2紫銅棒料微擠壓實驗成形后變形區(qū)成形性能，變形過程中成形力大小的影響規(guī)律。本次試實驗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%，與之相對應的超聲波振幅分別為10μm、14實驗過程中，壓力機向下擠壓的過程是通過壓力機的速度控制的，設(shè)置工具即壓頭在向下運動過程中下降的總高度為1.6mm，這個數(shù)據(jù)是在經(jīng)過對一組超聲輔助和未加超聲輔助時實驗后觀察變形件變形區(qū)的效果后得到的。當壓頭下降的高度較小時，有超聲輔助的微擠壓實驗效果雖然有區(qū)別，但效果并不明顯，而壓頭下降高度較大時，棒料剩余的微變形區(qū)長度太小，對在模具中的取料難度增加太大。在上一章中已經(jīng)介紹過本次實驗中的模具為整體模具，同其他的微成形實驗中的模具的不同在于某些模具可以拆開，但是這種設(shè)計有利有弊。可以拆卸的模具在取料時雖然對變形后的棒料沒有太大影響，但是超聲震動的能量會在不是整體的模具上有消減，這對于超聲輔助的影響效果會有一定的減弱。因此選擇使用的模具是無法拆卸整體的模具，對于超聲振動能量的分散影響較小。試驗時間設(shè)置為5min，等待實驗完成后，先使用10倍速手動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取下。成形件取下后放入實驗材料盒中，編號，等待實驗完成后，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體視顯微鏡實驗使用的體視顯微鏡如圖3-1所示，可以使用此顯微鏡對成形件拍照后對變形區(qū)長度進行比較，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)，實現(xiàn)觀察的同時進行圖像攝像。同時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。在同級別的變焦機構(gòu)中，這臺顯微鏡的觀察范圍會更大，因此在放大拍照時可以在同一比例尺下將變形件對比，成形件的表面質(zhì)量也更加清晰的表現(xiàn)出來。同時還有光路切換手柄，可以用不同的倍鏡鏡頭觀察，以便于對成形件的在鏡頭下的比較。3.2模具變形區(qū)尺寸對微擠壓過程的影響（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）三種實驗情況成形件對比圖3-2模具相較于材料晶粒直徑大小不同時微擠壓實驗后的結(jié)果在壓力機向下擠壓速度為0.32mm/min，不加超聲振動輔助的情況下，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，材料在擠壓時越容易進入模具變形區(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%。由此實驗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。實驗完成后將實驗設(shè)備中的數(shù)據(jù)拷貝后進行處理發(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力越大。其應力位移圖像如圖3-3所示。圖3-3無超聲振動時擠壓過程應力位移圖像第四章利用ABAQUS軟件對坯料的超聲成形過程進行仿真本章在超聲輔助T2紫銅微擠壓成形的實驗基礎(chǔ)上，計劃試用虛擬仿真軟件對擠壓過程進行虛擬仿真，觀察仿真過程中應力的變化情況，找到在理想條件下，虛擬實驗中應力集中的部分或者應力變化最大的點。從而推斷出在實際實驗中晶粒變化最大的部分集中在坯料的哪個位置，結(jié)合實驗后鑲樣，磨金相后觀察到的結(jié)果，以求證實仿真實驗中應力集中的可靠性。為完成本章內(nèi)容，選擇了ABAQUS軟件作為此次學習并使用的軟件，常用的有限元分析軟件有Deform、MSC、ANSYS等，因為ABAQUS在力學仿真實驗中的各項優(yōu)點都比較全面，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行軟件升級，使ABAQUS不斷升級，不斷完善。ABAQUS軟件可以進行有效的靜態(tài)和準靜態(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)量擴散等有限元分析。ABAQUS軟件已經(jīng)在很多個國家有了比較廣泛的應用，涉及到土木設(shè)計、機械工程、水利水電、航空航天、船舶制造、電器生產(chǎn)、汽車設(shè)計等各個工程領(lǐng)域。近些年來，我國的ABAQUS使用人群在不斷擴大，這說明ABAQUS軟件在科技設(shè)計研發(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用材料，如各類金屬、人造聚合物、人造復合材料、橡膠、可以進行壓縮的彈性泡沫、鋼筋混凝土等工程材料。除此之外，ABAQUS的使用十分的簡便，很容易建立實際復雜問題的模型，對于大多數(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)就可以進行作業(yè)，對于非線性問題的有限元分析，ABAQUS能夠自動選擇合適的增量值和收斂準則，在分析的過程中會對這些參數(shù)進行一些調(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)運算過程以及結(jié)果評估等功能。它的主要工作流程如圖4-1所示。可視化模塊ABAQUS/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，每一個單元模塊都只包含一個與模擬作業(yè)的相關(guān)的一些工具?？梢栽诃h(huán)境欄選擇進入不同的模塊，列表中的模塊順序和創(chuàng)建一個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部件。部件部件模塊可以繪制出各個獨立的部件，既可以在ABAQUS/CAE中提供的繪圖工具繪制圖形，同時也可以利用第三方建模軟件將繪制好的模型導入到ABAQUS/CAE中。屬性部件的材料屬性在此處定義，因為無法直接將材料的屬性直接定義出來，因此需要創(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，所有單獨的部件只會存在自己的坐標系中，因此在裝配時可以使用此模塊將這些部件放置在一個總的坐標系中，并且可以使用該模塊中的某些按鈕移動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。軟件不會默認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分析步起到作用。載荷在這個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，因此在添加載荷時需要確定所加載荷是在哪一個分析步中起作用，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之后，就可以利用此模塊進行分析計算，此模塊可以讓用戶提交完作業(yè)之后進行監(jiān)控，并可以同時提交多個作業(yè)任務對它們進行監(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，通過各個分析步控制寫入數(shù)據(jù)庫中的信息，從而得到相對應的結(jié)果。4.3微擠壓有限元模型的建立根據(jù)實際實驗中的超聲輔助微擠壓實驗，對于仿真軟件中的有限元模型的建立如圖4-2所示。初始時，模型中的各組成部分按照實際的情況繪制出來，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)置參考點作為工具在向下擠壓時邊界條件以及位移設(shè)置時的參考點。在給壓頭加上載荷時，無法同時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，可以從外部導入，也可以用ABAQUS提供的繪圖工具在部件中繪制。這個可以自己根據(jù)實際模型建立時的方便程度自己選擇，當繪制三維圖形時，用SolidWorks繪制后導入到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應的模型。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位置，在ABAQUS中繪制好各部件之后需在裝配中導入各部件，使用裝配中的平移實例按鈕將各部件移動到正確的相對位置。坯料在下模具中不受到任何約束，摩擦也設(shè)置為實際中的干摩擦，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實驗靠攏，本文中會將仿真中的擠壓分析步中的步數(shù)設(shè)置為10000步，同時保證計算的可靠性，盡量保證仿真擠壓時間在一定的范圍內(nèi)。本章中將進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擠壓中應力改變的影響規(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，應力分布的情況。圖4-3模具模型圖在ABAQUS中將模具的模型繪制出來，因為實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，將兩部分繪制在一起，如圖4-3所示，由于在向下微擠壓時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?？v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。因為在仿真過程中若變形處的尺寸突變會導致仿真無法計算，因此在實際實驗中和仿真中都需要設(shè)置倒角。繪制模具時需要在設(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，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，即對坯料的材料屬性進行定義，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創(chuàng)建另外兩個分析步，第一個分析步中并不參與擠壓的運算，只要求其分析壓頭從初始位置到坯料上面的這段距離，而第二個分析步則參與壓頭的微擠壓運算。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，時間增量設(shè)置為0.001，分析步中的場輸出請求和歷程輸出請求則各設(shè)置按照默認不更改。設(shè)置相互作用時需要考慮設(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存在于剛體內(nèi)部。設(shè)置模具和坯料之間的接觸有兩個方向的接觸，一個是法向行為，一個是切向行為。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，如圖4-7所示。在微擠壓中，坯料是因為壓頭向下運動而產(chǎn)生變形，因此第二個邊界條件BC-2設(shè)置在壓頭上，如圖4-8所示。X軸方向上的運動為0，即U1=0，Y軸方向上的運動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)前還需要對坯料劃分網(wǎng)格，首先需要對坯料進行布種，因為坯料在劃分網(wǎng)格時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，太大的話計算時間會因此變長，太小的話并不能將應力分布明顯的表達出來。單元的學習類型設(shè)置如圖4-9所示。圖4-9劃分網(wǎng)格后單元設(shè)置單元庫選項選擇為標準，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)進行分析，并可以在監(jiān)控中查看分析時間和增量步，若在分析中并未產(chǎn)生錯誤則在分析完成后會顯示已完成。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力云圖分布情況。如圖4-10所示。圖4-10坯料變形后應力云圖觀察不同方向上的應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中選擇查詢，在結(jié)果按鈕中選擇場輸出按鈕，在彈出的對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驗中的變形過程可以直接觀察到坯料的各區(qū)域應力變化情況，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力分布大小情況，在變形端面的最外側(cè)是最大應力集中處，在變形區(qū)的中心區(qū)則是應力最小的地方。因為在材料變形時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。云圖選項按鈕中可以選擇應力最大點在云圖中顯示出來，應力最小點也可以在云圖中顯示出來。如圖4-11所示。圖4-11應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，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，流變應力，改善成形件的表面質(zhì)量和微觀組織，細化晶粒。并研究金屬坯料在超聲能場中的成形機理。根據(jù)實驗材料在超聲輔助成形中的成形特性，設(shè)計了針對T2紫銅的總體實驗方案，研究坯料晶粒與模具擠出尺寸相對大小和超聲波功率對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，和相對應的四種超聲波功率：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，了解到目前為止超聲輔助微擠壓的技術(shù)仍然處于大量試驗階段，還無法普遍的應用到實際生產(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、沖裁等實驗中得到比較與宏觀成形中更好的效果。（2）在參考對比了大量實驗研究和實驗方案之后，本文中選擇的模具更具有便捷性和普適性。根據(jù)已知的針對超聲輔助的實驗中的模具設(shè)計，某些模具的設(shè)計盡管在實驗后取料時更方便，可在實驗中模具的尺寸和結(jié)構(gòu)則會對坯料所接受的超聲能量分散，減弱超聲波在實驗中的影響效果。而本文中采用的模具盡管在實驗后的取料時會對尺寸產(chǎn)生一些影響，可以采取對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產(chǎn)生其他的影響。（3）對比各尺寸的模具實驗時，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)過熱處理的坯料會因為晶粒變化的程度較小而變長，因為變形的體積是一定的，變形區(qū)也會逐漸變長。而同時，晶粒也會有細化的現(xiàn)象，這時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，流變應力也會同時下降，當超聲功率增加至70%-90%時，坯料在成形中還會因為吸收能量和工具發(fā)生粘接，功率越高時，發(fā)生粘接的現(xiàn)象越明顯。（5）實驗中還表明改變模具的尺寸和超聲波功率都會降低材料的成形力，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驗中都會發(fā)生坯料和工具之間的粘接，因為推測是因為超生能量的原因?qū)е抡辰邮沟门髁显谙蛳聰D壓時受到影響。（7）利用ABAQUS軟件對理想條件下的坯料進行仿真觀察仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，坯料在受到向下擠壓力的作用過程中，首先受到應力最大的部分是坯料端面的周邊，隨變形過程的繼續(xù)，應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驗，在不同的實驗條件下，觀察并分析實驗條件包括模具尺寸和超聲波功率對材料成形力、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理，雖然已經(jīng)得到部分實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，但是因為現(xiàn)有實驗設(shè)備、個人精力還有個人能力的限制，還有很多地方是可以進一步改善和完成的，后續(xù)的研究工作可以從以下幾個方面開展并深入研究：（1）雖然可以得出超聲振動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)的實驗數(shù)據(jù)，但是加載超聲振動后工具頭一端的振動幅度和頻率無法實時監(jiān)測，這就無法監(jiān)測超聲設(shè)備實時的工作情況，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際的輸出功率。（2）本文中建立的仿真實驗是為了結(jié)合實際實驗觀察實驗中的坯料受到應力的分布情況，有很多參數(shù)的細節(jié)部分還未經(jīng)過處理，在之后的工作中可以針對仿真實驗進一步加深研究。（3）本文中只針對了其中兩個因素對材料的成形影響進行了研究，對于材料微擠壓成形的影響因素還有很多，在實驗設(shè)備和時間的允許下，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、金屬不同的熱處理條件下、對工件的振動等情況都可以綜合考慮進來，使得實驗結(jié)果更有普遍性。（4）本文中只使用了T2紫銅作為實驗材料，在T2紫銅上的實驗效果是非常明顯的，但是無法驗證在其他的實驗材料上的效果如何，每種金屬在超聲輔助成形時的變形機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)階段所做的實驗中，在之后的研究中可以針對更多的金屬材料進行實驗得到可靠性更強的實驗結(jié)論。（5）實驗中材料的流動應力的實時變化的，在實驗時是沒有監(jiān)測到的，在之后的實驗中可以通過測得實驗中對工具頭的反饋以得到材料的流變應力變化規(guī)律。參考文獻[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].塑性工程學報,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[J].振動與沖擊,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,2015.[4]王春舉,郭斌,單德彬,張曼曼.高頻/超聲振動輔助微成形技術(shù)研究進展與展望[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,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,2004(01):45-47.[7]VollertsenF，HuZ，NiehoffHetal.StateoftheArtinMicroFormingandInvestigationsintoMicroDeepDrawing[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2004,151:70-79.[8]劉建龍.超細晶純鈦塑性微成形及其尺寸效應研究[D].太原科技大學,2016.[9]孟慶當,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的研究[J].中國機械工程,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器件的微細銑削加工[J].傳感技術(shù)學報,2006(05):1473-1476.[11]單德彬.微型齒輪精密微塑性成形工藝研究[A].中國機械工