高频/超声振动辅助微成形技术研究进展与展望

王春举，郭斌，单德彬，张曼曼

（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150001）

随着高新技术的迅猛发展，微机电系统（Micro E-lectro Mechanical System，MEMS）和微系统技术（Micro System Technology，MST）等由于具有节省空间、节约能源、易于重组、便携轻巧等优点，在航空航天、汽车工业、生物医学、环境监控、通信领域、军事应用、微电子产品等民用和军用诸多领域备受青睐［1—3］。法国权威科技市场研究与分析机构Yole Development于2013年发布的研究报告指出，2013年MEMS的全球市场额约为120亿美元，预计2018年将达到230亿美元，年增长率为13%［4］。该技术的兴起和广泛应用，带来微型零件需求量的显著增大，从而对微型零件的制造成本、效率等提出了更高的要求。传统的微制造技术在可加工材料种类、制造效率和成本以及微型构件类型等方面存在不同程度的不足，限制了其广泛应用，这促进了微成形技术的产生和快速发展。微成形技术是采用塑性变形方式制造微型零件的工艺方法，通常定义为成形零件的尺寸或其特征尺寸至少在2个方向上小于1 mm［1］。微成形技术继承了传统塑性成形的诸多优点，如成形效率高、材料利用率高、成本低、工艺简单以及成形零件性能优良和尺寸精度高等，可以采用冲裁、拉深、挤压、锻造、模压和弯曲等多种塑性成形方法，满足各种复杂形状微小零件制造需求，具有巨大的优势和广泛的应用前景。然而，微成形技术并不是传统塑性成形工艺的简单等比例缩小，而是一个崭新的研究领域。由于存在介观尺度效应，建立在宏观连续介质力学基础上的塑性变形理论不再适用，传统的塑性成形设备和工艺方法已经不能满足微成形的需要。近年来，随着微成形技术研究的不断深入，介观尺度材料非均匀性、充填流动性能差以及接触摩擦力大等问题，对微成形工艺的限制越加明显。为此，一批新的复合成形工艺如超声振动、电场、激光等物理场辅助成形，受到了人们的广泛关注并获得了快速发展。其中，高频/超声振动辅助成形具有降低材料塑性变形抗力、接触面摩擦力，提升材料塑性变形均匀性，抑制裂纹萌生与扩展等诸多优点，受到学术界和工业界的广泛重视。目前，高频/超声振动辅助成形已经在金属丝材的拉拔等成形工艺中获得很好的应用。

文中从体积微成形、箔板微成形以及介观尺度效应等3个方面对微成形的研究进展进行简要介绍。在此基础上，重点综述超声振动作用下材料的力学行为、作用机制以及高频/超声振动辅助微成形工艺等方面的研究进展，分析超声振动辅助微成形工艺研究现状，并对其发展前景进行展望。

1 微成形技术研究现状

1.1 体积微成形

在体积微塑性成形方面，主要进行微齿轮、医用支架等微型零件的微成形工艺研究。Saotome等人研究了微型双齿轮闭式模锻微成形工艺［5］。Yoshida等人采用锥形冲头增加内部金属的变形速率，有效提高了手表用微型零件的成形质量［6］。Paldan等人开发了具有可控加热功能的微成形实验装置，用于医学应用的铝合金支架等温锻造成形［7］。傅铭旺等人采用多步锻造工艺成形出了非轴对称的微型零件［8］。李建军和史铁林等人研究了Zr基非晶合金微反挤压、热模压工艺，成形出了杯件［9］和微型双齿轮［10］。笔者提出了浮动式模具成形工艺方法，成形出了高质量微型齿轮等零件，在此基础上，开发集成形、穿轴和装配于一体的复合成形工艺，制造出了满足使用性能要求的微型双齿轮零件，如图1所示［11—12］。目前，体积微成形受到微型模具制造困难、介观尺度材料流动充填性能差以及接触摩擦大等因素限制，研究进展较缓慢，未来在外加物理场辅助、新材料如非金合金和超细晶等的应用等方向有望获得更大突破。在应用方面，三维尺寸均十分微小的零件应用范围还非常有限，而带有大面积微结构的宏观尺寸零件应用前景广阔。

图1 微型齿轮零件Fig.1 Micro-gears

1.2 箔板微成形

箔板微成形工艺方面，主要开展了箔板微拉深成形、微冲裁成形、微胀形成形以及软模或无模微成形等工艺的研究。Saotome，Vollertsen，Engel和Boissiere等人研究了微拉深成形工艺，并与宏观拉深成形进行对比，发现板厚与晶粒尺寸接近时，拉深成形极限降低，微拉深破裂时的冲头行程明显减小，现有的破裂准则难以预测，并测绘了压边力-极限拉深比曲线图［14—16］。Hirt等人研制了集冲裁、拉深成形于一体的复合成形模具装置，解决了微小箔板坯料定位问题［17］。笔者研究了润滑条件等对箔板微拉深成形的影响，成形出了紫铜、纯金等多种材料的微型杯件，如图2所示［18—19］。在微冲裁成形方面，分为冲孔和落料成形零件2种。Kurimoto和Mori等人，使用SiC纤维冲头，研究了冲裁次数对冲头磨损、冲裁质量演变的影响规律，并采用真空吸附系统把薄板吸附到凹模上，提高了模具寿命和冲裁质量，进一步研制了多冲头模具，开展了阵列微孔冲裁成形研究［20—21］。Rhim等人采用微细电火花加工碳化钨微冲头，在铜箔和不锈钢箔板上成形出了最小直径为 φ25 μm的微圆孔［22］。笔者使用研制的双直线电机驱动微冲压成形设备，实现了阵列微孔的冲裁成形，如图3所示［23］。在落料成形零件方面，杨明等人成功地冲裁成形出了分度圆直径为200 μm的微型齿轮件［24］。此外，复杂微流道模具制造难题促进了软模或无模成形工艺的发展，彭林法、刘艳雄等人以微流道燃料电池双极板为成形对象，研究了橡皮软膜成形和液压成形等工艺;刘会霞、管延锦等人开展了激光驱动飞片微成形、激光箔板弯曲成形等单模或无模成形工艺的研究［25—27］。

图2 微型杯件［19］Fig.2 Micro-cup

图3 阵列微孔件［23］Fig.3 Micro-hole array

箔板微成形中模具的微小型腔尺寸、配合间隙等对微型模具的制造和装配精度提出了更高要求，微型模具容易磨损、寿命不高，材料力学性能和接触摩擦介观尺度效应影响更加明显，这给箔板微型零件的广泛应用带来了困难。随着研究的不断深入，一些新的技术瓶颈获得突破，各种物理场助成形、无模或软模成形以及微型模具在线制造-微成形复合工艺等，将有更快的发展。

1.3 微成形介观尺度效应

微型构件的尺寸或特征尺寸在介观尺度，即亚毫米至微米量级，接近或达到晶粒尺寸，该尺度上材料的塑性变形行为明显区别于宏观塑性变形规律，出现显著的尺度效应现象。Geiger［28］、申煜［29］以及笔者［30］等采用镦粗实验研究了材料流动应力尺寸效应现象，发现随着试样尺寸的减小，材料的流动应力降低，例如当比例因子λ减小到0.1时，材料的流动应力降低20%。Raulea等人通过箔板单向拉伸、弯曲等实验，发现流动应力随着试样尺寸的减小而减小［31］。Geiger等人从自由表面对晶界强化影响角度，构建了表面层模型等，揭示了流动应力尺寸效应产生的机理［32］。然而，随着坯料几何尺寸的减小，流动应力并非一直减小。Gau和Koç等人从板厚/晶粒尺寸角度对这一现象进行了归纳总结，如图4所示［33—34］。

图4 试样尺寸与晶粒尺寸之比N对流动应力的影响Fig.4 Grain vs.specimen size effect on the flow stress as function of N

此外，不仅坯料的外形尺寸会对材料塑性变形行为产生显著影响，而且微小的模具型腔尺寸也会对材料的微成形性能产生明显影响。笔者采用微模压实验，系统研究了晶粒尺寸、型腔尺寸对材料微充填性能的影响，发现当型腔尺寸约为晶粒尺寸2倍时，材料的微充填性能出现最小值，其影响规律如图5所示［35］。同样，在微冲裁成形中，发现凸、凹模间隙与晶粒尺寸之比也对微冲裁成形行为有显著影响［36］。

微成形中，坯料的表面积与体积比增大，摩擦对微成形的影响显著，摩擦因数随着试样尺寸的减小而增大，产生显著的摩擦尺寸效应现象。笔者研究了U型拉深中的摩擦尺寸效应规律，并将摩擦性能和机械性能均非常优异的类金刚石（DLC）膜用于微拉深成形，显著提高了极限拉深比、壁厚均匀性能等［37］。

图5 不同晶粒与槽宽尺寸比的模压成形模型［36］Fig.5 Deformation model of coining process with various ratio of grain size and groove width

2 高频/超声振动对材料力学行为的影响

人们通常将频率高于人类听觉极限20 kHz的振动称为超声振动，而实际研究和工业应用中，由于受到诸多因素的限制，实际应用的频率有时达不到这么高，但是同样会获得类似超声振动的效果。为此，对高频率振动和超声振动2个方面的研究进展一起进行综述和分析。

超声振动对塑性变形影响的研究，可以追溯到1955 年，Blaha 和 Langenecker［38］对锌单晶拉伸试验加载超声振动时，发现了材料的变形力突然减小的“软化现象”，这种变形力突然降低的现象被称为软化效应，也称为 Blaha效应。Langenecker［39］对铝单晶进行单向拉伸实验，加载超声振动会有明显的声波软化现象，超声能量对铝单晶的软化程度与铝单晶在高温下的软化程度类似。对锌单晶加载超声振动然后去除会相应地出现声波硬化现象，如图6所示，并且发现声波软化程度和硬化程度随振动幅度的增大而增强。近年来，Hung［40］、郑金鑫［41］和温彤［42］等人研究了多种合金材料的超声振动压缩变形行为，发现材料的塑性变形抗力降低，振动能量较大时会产生硬化现象，与之前的研究结果一致。

在微型试样力学性能研究方面，姚喆赫［43］等人开展了介观尺度高频振动辅助微镦粗变形行为研究，发现变形力降低有3个方面的机理:应力叠加、声波软化以及摩擦力降低，其中声波软化是主因，如图7所示。Hung等人［44］研究了超声振动和晶粒尺寸以及试样尺寸的耦合作用，发现流动应力减小的程度随着试样微型化更加明显，试样尺寸对流动应力减小量的影响大于晶粒尺寸，这是因为局部变形区域吸收了振动能量，位错滑移速度增加，这可以剪切带大变形区域得到证明。

图6 锌单晶的声波硬化现象［39］Fig.6 Acoustic hardening in zinc crystals

图7 介观尺度微镦粗变形实验与有限元分析真应力-应变曲线对比Fig.7 Comparison of true stress-strain curves of the micro/meso upsetting from experiment and FE analysis

3 高频/超声振动的作用机理

高频/超声振动的作用机理非常复杂，其作用机理与振动频率、振幅，材料晶体结构以及材料状态等多个因素有关，其作用机理还没有一个成熟的解释。通常认为，高频/超声振动影响金属塑性成形过程主要有“体积效应”和“表面效应”两个方面。对于体积效应，通常的解释有两个方面:一是静态应力的叠加，它被看作低振幅、低振动能量密度时降低材料流动应力的主要原因;二是坯料内部微粒产生振动后活性增大、温度升高，出现与晶体位错有关的热致软化，坯料的动态变形阻力随之降低，它通常被看作是高振幅、高能量密度时能够降低材料流动应力的主要原因。“表面效应”宏观上表现为材料与工具之间的粘滑减少、产品表面质量提高、工具的磨损消耗降低，与振动对变形工具和工件之间的摩擦状况有关［45］。

3.1 体积效应及理论模型

3.1.1 宏观解释及理论模型

宏观上，对体积效应的解释主要是应力叠加原理。郑金鑫等人在探讨施加超高频振动后的金属塑性变形时，给出了基于非局部理论的本构描述［46—47］，并利用幂硬化模型代入所得的本构关系中，得到低碳钢超高频振动（20 MHz）下的应力应变曲线，与实验所得曲线具有比较高的一致性，说明此理论模型具有一定的理论价值及参考价值。另外，何勍［48］等人采用Kircherg公式对应变时间历程的基本假设，基于应变叠加原理的基本思想，阐述了金属振动塑性加工平均应力减小的原因，给出了体积效应机理的数学描述，继而针对振动塑性拉伸给出了一个弹粘塑性模型。蔡改贫［49］等人针对低频脉冲条件下的金属成形的体积效应，提出了一维弹塑性本构模型和粘弹塑性本构模型。上述模型主要基于现象学，其适用范围还不够大。

3.1.2 微观机理

如前所述，Langenecker［39］认为在金属超声振动辅助成形中存在两种非线性效应，即声波软化和声波硬化。在施加超声振动后，金属的流动应力立即出现降低的现象，即声波软化;而在停止振动后，有时会出现材料的流动应力高于静态成形的现象，使材料发生了硬化，即声波硬化，是一种残留硬化。

关于声波软化的微观机理［50］，一种理解是，当超声振动的声学应力等于金属材料塑性流动的剪切应力时，由于金属塑性变形的剪切应力那部分由声学应力来提供，所以金属材料变形流动应力就会大幅度降低。另外一种观点认为［51］，超声振动改变了材料的内部结构，从位错理论的角度进行分析，认为超声振动给位错的迁移和增殖提供了能量，对于硬态材料会降低位错密度，从而产生声波软化现象。

关于声波硬化，Langenecker［39］在对单晶锌拉伸过程间歇性加振发现，每次间歇加振停止后其应力回升至静态拉伸应力曲线之上，并且随着振动能量密度的增大，其回升位置越高，硬化现象越明显。这说明，声波硬化的产生与输入的超声振动能量相关。

近来，姚喆赫［52］等人发现声波软化效应与振幅（或声能量密度平方根）成正比，残留硬化效应受振幅与加载施加影响。为此，基本晶体塑性理论，提出了无量纲应力比例因子，并构建了其与声能量密度的关系式，用于描述声波软化效应;采用S曲线描述实验中获得的残留应力增加与加载时间之间的关系。通过归一化处理获得了模型，预测的应力-应变曲线与实验结果吻合很好。

3.2 表面效应

对于表面效应，一般认为可能有以下几种原因:1）加工工件与工具之间由于振动而产生瞬间分离;2）摩擦力矢量反向使得在振动周期的部分时间里摩擦力反而有利于变形加工;3）局部热效应的作用使得局部粘焊现象减少;4）振动改善了加工润滑条件［53］。以超声振动辅助挤压工艺为例，实际挤压速度为挤压速度与振动速度之和。如果挤压速度低于最大振动速度，在一个振动周期内，模具和工件没有发生接触或者接触减少甚至有可能产生间隙，这样就会使其表面的摩擦力减小［54］。另外，摩擦力的方向随着模具/工件界面的相对运动方向不断改变而变化，当摩擦力与挤压力同向时，摩擦利于成形，促进材料流动［55］。

4 高频/超声振动辅助微成形工艺

在传统塑性成形中，高频/超声振动的实现非常困难，因而制约了其应用范围。目前，高频/超声振动在线材拉拔工艺中应用较多。陈维山等人开展了20.445 kHz超声振动下直径φ260 μm的不锈钢拉丝工艺研究，拉拔力均值降低27.9%，显著提高了工艺稳定性，并采用瞬态力学分析方法进行了拉丝变形数值模拟研究［56］。随着微成形技术的发展，微成形件尺寸小、功率要求低等特点，使得高频/超声振动辅助微成形非常容易实现，受到微成形研究领域学者的高度关注。目前，国内外学者已经在高频/超声振动辅助微冲裁、微挤压、微拉深以及降低摩擦力和提高表面质量等方向开展了深入研究。

在微冲裁成形方向，Takemasu等人在40 kHz超声振动下冲裁成形出了直径φ130 μm的微孔，结果表明，撕裂带明显减小甚至消失，断面质量显著提高。在对0.1 mm厚的不锈钢板进行有无超声振动辅助冲孔研究中发现，冲裁深度为0.07 mm时，两种情况下的断裂面均没有裂纹产生;深度为0.08 mm时，无超声振动辅助时，裂纹从上、下刃口处产生，并沿着凸、凹模边缘的连线扩展重合，而当有超声振动辅助时，在此阶段仍无裂纹产生，如图8所示。通过SEM观察断面，发现有无振动时，剪切带粗糙度都很小;但是无超声振动时，断面约有25%的断裂带，而在有超声振动时，有一些浅条纹沟槽散落在出口附近，这些沟槽像是冲裁后期微裂纹产生的迹象，如图9所示。原因是超声振动抑制了破坏性裂纹的萌生与扩展［57—58］。Witthauer等人研究了冲裁过程中声波软化与硬化的作用规律，发现在高速冲裁时，超声振动能够减弱应变率的影响，冲裁力降低可达30%;在低速冲裁中，声波硬化会产生累积效应，能够增加其延展性，但对冲裁力的影响很小［59］。笔者也开展了高频/超声振动辅助微冲裁研究。在1 kHz高频振动辅助下，断面光亮带比例有所提高，其粗糙度亦降低，并且，该粗糙度随着振幅的增加而降低［60］。在超声振动辅助下，最大冲裁力降低5%，冲裁断面更加平整，粗糙度降低。在进一步的机理研究中发现，超声振动作用下裂纹萌生较晚，撕裂带角度较小，导致撕裂带更加平整［61］。

图8 半冲裁孔剪切面照片［58］Fig.8 Photographs of sheared surface in half pierced micro-holes

在微挤压成形方向，Ngaile 和 Bunget［55—62］等设计了超声振动微挤压成形系统，如图10所示，实验研究了超声振动对成形载荷和工件表面质量的影响，发现超声振动使模具/工件表面上产生很高的瞬间相对速度，不易形成粘着摩擦，改善了润滑条件。同时，摩擦力的方向随着模具/工件界面的相对运动方向不断改变而变化，有利于材料流动。在正挤杆-反挤杯的挤压实验中发现，在超声振动辅助情况下杯高要比无振动辅助高20%左右。挤压过程中温度的升高是由振动摩擦和塑性变形共同影响的，加载超声振动后的温度是传统工艺生产温度的5倍。选择合适的润滑剂后，超声振动在微挤压过程中减小成形力达10%～25%，原因是摩擦力和材料塑性变形抗力的减小。

图9 半冲裁孔剪切面SEM照片［58］Fig.9 SEM photographs of sheared surface in half pierced microholes

图10 超声振动微挤压系统示意及实物Fig.10 Schematic diagram and photograph of the ultrasonic micro-extrusion system

在微拉深成形方向，黄佑民等人搭建了20kHz超声振动辅助微拉深模具系统，超声振动施加到压边圈上，研究了振幅、板厚等微拉深成形工艺因素的影响，发现超声振动能明显降低冲头载荷，振幅越大，冲头载荷越低，最大降幅可达32%。相对于常规拉深，超声振动辅助拉深有助于增加成形性，改善拉深过程中摩擦行为，并抑制起皱，提高了极限拉深比。比如板厚50，75，100 μm 的箔板，其极限拉深比分别从1.67，1.75，1.83提高至1.83，1.92和2.0;但是，大的振幅如8.6 μm，会导致大的峰值压边力，不利于微拉深成形［63—65］。

在降低摩擦力和提高表面质量方面，Kumar［66］、吴博达［67］和姚喆赫［43］等人研究发现，超声振动方向与金属相对运动方向一致时，降低摩擦力效果最佳;随着振幅的增加，对摩擦力降低的影响越大，但振幅增大到一定程度后，影响降低;高频/超声振动能够降低接触面表面粗糙度。杨明［68］等人用振动辅助微锻压技术提高金属箔板表面质量，当施加一定的压力时，在振动辅助条件下表面粗糙度降低更加明显。此外，材料类型也对实验结果产生较大影响，如图11所示，振动辅助微锻压前后，磷青铜表面粗糙度下降75%，而钛箔仅为6%。原因可能是钛为密排六方结构，滑移系较少，较难发生位错滑移变形，而此装置的能量尚不能产生足够的能量驱动钛的滑移而变形。

图11 高频振动辅助镦锻前后不同箔板的表面形貌（nm）［68］Fig.11 Surface topographies of different foils with vibration-aided micro-forging

5 结论与展望

高频/超声振动在材料塑性成形领域，有着显著的优势，并受到国内外学者的广泛关注，在微成形领域，由于容易实现而有更广阔的应用前景。通过综述文献后，可得到以下结论。

1）微成形技术获得了广泛关注和快速发展，在体积微成形、箔板微成形以及介观尺度效应等多个方面均开展了大量而深入的研究。目前，已经成形出多种微型零件，在微电子产品、医疗器械以及其他微系统中获得了应用。

2）高频/超声振动作用下，材料的塑性变形抗力减小、摩擦因数降低，能够显著提高材料的塑性成形性能;在一定条件下，也会产生残留硬化现象。目前，关于高频/超声振动作用下材料变形力减小的解释主要有:应力叠加、声波软化和摩擦力降低，其中声波软化是主因。

3）高频/超声振动已经应用于微挤压、微冲裁、微拉深等多个微成形工艺中，在降低成形力、提高成形性能和成形件质量等方面表现出了优异的性能，更重要的是能够实现仅静态加载无法实现的效果，而且具有易于实现、成本低等优点。

高频/超声振动辅助微成形已经取得了很好的效果，并获得较为广泛的认可，但是由于受到诸多因素的限制，其作用机理还不是很清楚，理论研究也有待完善。

1）由于存在介观尺度效应等，传统的塑性成形理论不能很好地指导微成形工艺研究，急需构建微成形理论体系。目前，微成形工艺主要依靠经验，虽然国内外学者已经在该方向开展了大量研究，但距离构建完善的理论体系还有一定距离。未来，可基于晶体塑性理论，综合考虑材料内部尺寸如晶粒尺寸，外部尺寸如坯料尺寸和模具型腔尺寸，构建适合微成形分析的材料本构模型。

2）高频/超声振动对材料的作用与频率、振幅、材料状态等多种因素相关，对其作用的物理机制还不是很清楚，有待进一步深入研究。现有的解释和模型大多是在假设或理论分析的基础上给出的，具有说服力的实验观察还很少，变形前后材料的微观结构观察与分析有待进一步加强。

3）高频/超声振动工具或模具的设计理论有待完善。高频/超声振动受工具尺寸、材料、装配及接触状态等诸多因素影响，每一个因素的改变都会对其固有频率产生较大影响，从而影响其振动效果，需要更系统的设计理论指导。此外，高频/超声振动的频率、振幅等参数控制有一定难度，尤其是在量化控制方面，还比较困难，需要设计更先进的高频/超声振动驱动电源和控制器，以实现振动频率、振幅以及输入能量等多参数的量化调节与控制，以适应由制造、装配等差异引起的工具固有频率的微小变化。

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