超声振动辅助微塑性成形系统设计与开发

李 广，周天丰，梁志强，白亚群，王西彬

（1.北京理工大学先进加工研究所，北京100081；

2.北京理工大学先进加工技术国防重点学科实验室，北京100081）

超声振动辅助微塑性成形系统设计与开发

李 广1，周天丰2，梁志强2，白亚群1，王西彬2

（1.北京理工大学先进加工研究所，北京100081；

2.北京理工大学先进加工技术国防重点学科实验室，北京100081）

针对微塑性成形工艺过程对位移、力等参数精确控制的要求，分析了超声振动辅助成形系统的设计要点，提出了关键设计参数。超声振动辅助微塑性成形系统由机床本体系统、超声振动系统和伺服控制系统等主要单元组成。机床本体设计参考四柱液压机结构形式，采用两端固支梁和压杆的简化模型，计算得到主要结构尺寸，并用ABAQUS验证其刚度。通过选用匹配的超声发生器和换能器，满足成形过程中的超声振动要求，利用理想变截面杆纵振波动方程设计变幅杆结构，并用ABAQUS进行变幅杆模态分析，确保设计振幅满足要求。伺服控制系统采用可编程多轴控制器PMAC卡控制伺服电机，通过光栅尺和力传感器反馈实现高精度的位置及成形压力控制。通过测试证明在纯铜压缩试验中叠加超声振动，成形压力显著降低，成形精度达到4 μm。

超声振动辅助成形；变幅杆设计；模态分析；成形精度

随着高新技术的进步，制造领域零部件生产微型化的趋势进一步发展，以微型机电系统（micro electro-mechanical system，MEMS）为代表的微型零部件在航空航天、电工电子、生物医疗及精密仪器等领域的需求与日俱增[1]。传统集成电路制造工艺是基于硅刻蚀技术，无法应用于金属材料、塑料等非硅材料微型零部件的加工中，这就要求发展出一种高效率、低成本、大批量生产微型零部件的制造工艺[2-4]。微塑性成形技术由传统塑性成形工艺发展而来，具有材料利用率高、工艺成本低、加工精度高、可大批量生产等优势，非常适合微型零部件的加工。因此，开展针对微塑性成形工艺的研究，不仅对微成形理论的研究具有促进作用，更能创造实际工业价值，这对于我国现阶段制造技术的发展具有重要意义。

尽管微成形技术由传统塑性成形技术发展而来，但微型零件的加工具有一些区别于宏观加工过程的特点，主要体现在以下几个方面[5]：① 由于零件尺寸缩小所引起的材料表面积与体积之比增大，从而导致工件与模具之间的表面力、粘结力对加工工艺影响显著；②当工件尺寸缩小到一定程度时，基于连续介质假设的宏观力学不再适用，晶粒取向随机分布所引起的晶粒受力不均对工件成形的影响显著；③微小型零件表面储存润滑剂的能力差，摩擦力对工艺过程的影响更明显。

为了克服微塑性成形过程中的尺寸效应，采用超声振动、电场、激光等物理场辅助压力成形的方法，已成为微塑性发展的前沿技术，得到了广泛的关注。超声振动辅助塑性成形具有降低成形抗力和界面摩擦力、提高成形质量等特点[6]。Huang等以材料试验机为平台搭建了超声辅助成形系统，使用支架将超声振动系统固定于试验机底部，由于材料试验机本身运动精度等因素，该系统仅能用于宏观成形试验[7]。针对微塑性成形工艺，王春举、付佳伟等开发了精密微塑性成形系统，采用压电陶瓷作为驱动器，能实现微米级的成形控制，而宏观位移需通过手动调节，加工效率不是很理想[1，8]。

本文开发的成形系统以伺服电机作为运动控制器，提高了运动控制精度，以超声振动辅助成形技术，提高了微塑性成形的精度。实验结果表明，超声振动辅助微塑性成形技术能在保证微成形的基础上提高加工效率，具有很好的应用价值。

1 超声振动辅助成形系统关键技术

1.1 机床系统成形精度控制

在微塑性成形工艺过程中，精确控制各项成形参数是开展成形工艺研究的重要保证，对微塑性成形系统而言，主要体现在以下几个方面：① 足够高的运动分辨率及定位精度；②合适的强度及刚度；③较高的成形精度。系统主要设计参数见表1。

1.2 超声振动系统谐振控制

不同于其他超声振动辅助工艺过程（如：超声辅助磨削、超声辅助切削、超声辅助焊接等），超声振动辅助塑性成形系统是基于材料塑性成形工艺需求，变幅杆末端同下模具刚性连接，直接承受塑性成形过程抗力。因此，为了实现超声振动与成形工艺的叠加并保证满足要求的振动条件，不会在成形过程中发生过大的振幅变化，这也是开展超声振动辅助成形试验的基础保障。

2 系统结构与控制系统设计

2.1 机械结构

机械结构本体用于固定伺服电机、力传感器、光栅尺及超声振子等零部件，是成形过程最终受力部件，其刚度直接关系到系统的成形精度。参考三梁四柱压力机的结构框架形式，以四根立柱承担轴向拉伸载荷，用上、下横梁承受弯矩，中间活动部位用厚板同四根立柱以滑块形式连接。伺服电机动力经减速机、滚珠丝杠连接到中间模板，模板下方连接力传感器。光栅尺固定于上横梁伸出结构，其读数头与中间模板固定连接，超声变幅杆以法兰连接到下横梁。系统结构形式见图1。

上下横梁挠度计算采用两端固支梁的挠度计算公式：

式中：B、b分别为空心矩形的外部宽度和内部宽度；H、h分别为空心矩形的外部高度和内部高度。

各主要结构的尺寸设计结果见表2。依据该设计尺寸，用ABAQUS有限元软件建立弹性变形分析模型，计算得到机械结构承受1500 N载荷时的弹性变形云图（图2）。结果显示，上、下模具之间的变形量为52 μm，该变形量引起的误差可通过运动控制算法消除，详细方案见3.1节。

式中：F为载荷；l为横梁长度；E为弹性模量；I为截面惯性矩，对于等截面空心矩形，I可表示为：

2.2 运动控制系统

运动控制系统用于接收指令协调控制成形系统各项运动参数及处理各种突发故障，是超声辅助塑性成形系统的核心。该系统采用伺服电机和滚珠丝杠定位，具有精度好、运动控制柔性化程度高等特点，配合高分辨率光栅尺组成全闭环运动控制系统，可实现1 μm的运动控制分辨率，对精确控制成形过程具有非常关键的作用。成形过程的另一个重要因素是成形力的监测及控制，这对于工艺过程的控制和分析也至关重要，在控制环节添加一个力控制环作为辅助控制环，实现以位移控制为主、力控制为辅的双重运动控制。

运动控制系统框图见图3。总体控制过程如下：上位机软件发出的目标位置和成形力指令，传输到PMAC控制卡，经控制卡采用PID算法运算后输出控制电压，再经伺服驱动器放大后对伺服电机进行驱动和控制；伺服电机输出端经滚珠丝杠驱动上模具运动，运动过程经光栅尺反馈控制；同时，上模具的运动驱使工件发生变形，力传感器实时监测该变形抗力，对运动进行反馈控制。

2.3 超声振动系统

超声振动辅助成形系统由超声发生器、超声换能器、变幅杆及成形模具等组成[9]。超声发生器用于将交流电转换为超声频率的电信号，超声换能器将该电信号转换为超声频率机械振动，振动能量经变幅杆聚集放大后传递到模具用于辅助成形加工。超声振动系统示意图见图4。

超声振动系统的作用是将电功率转换为变幅杆末端的机械功率，要实现对成形工艺过程的振动辅助叠加，满足在额定负载下振幅仍保持在设计振幅附近的要求，所需功率可由公式P=Fv（F为试件成形力；v为变幅杆端面最大速度）得出。变幅杆末端振幅设计为10 μm，其运动形式为简谐运动，即：

式中：x为变幅杆端面位移；A为变幅杆振幅；f为变幅杆频率；t为时间。

鉴于能量传递过程有一定的损失，取传递效率为η=70%[10]，则超声发生器的功率为P=Fv/η，选取功率3 kW的超声发生器足以满足设计要求。

作为超声辅助加工系统中的重要部件，超声变幅杆主要有以下作用[11]：① 将换能器输出的振动能量聚集到较小的区域以放大振动幅值，达到可用于机械加工的程度；②充当机械阻抗变换器，更好地匹配换能器和声负载；③提供固定振动系统的位置（节面振幅为零处）；④隔离换能器与工作介质之间的影响。变幅杆常用的结构材料有钛合金、铝合金及钢，且钢结构在价格上更有优势。根据工艺要求，变幅杆的设计频率为20 kHz，振幅放大系数为2，其总体设计参数见表3。

变幅杆是一根截面尺寸沿轴向变化的杆，其纵向振动为实际工作过程所需。设计变幅杆的前提是假设其由均质、各向同性的材料组成，工作时平面纵波沿轴向传播，杆的同一横截面上各处应力相同。如图5所示，可得到变截面杆纵振波动方程[8]：

式中：ξ=ξ(x)为波函数；S=S(x)为横截面积；k=ω/c为波数，其中ω为圆频率，为纵向波速。

变幅杆结构尺寸见表4，其结构设计如图6所示。法兰部分用于固定变幅杆，通常位于变幅杆的节面，其厚度选择原则是保证在变幅杆外部负载下有足够的刚度，但该厚度会对变幅杆原有模态造成影响。通过ABAQUS有限元软件进行模态分析，得到其设计频率由19 910 Hz降低至19 589 Hz，该偏差对实验效果影响不大，处于可接受范围。图7是变幅杆在20 kHz附近的模态，放大系数满足要求。

3 成形精度补偿与性能测试试验

3.1 成形精度补偿

超声振动辅助塑性成形系统实物见图8。根据仿真结果，机械结构承受1500 N载荷时，上、下模具之间的位置偏差达52 μm。该偏差属于线性偏差，通过软件补偿的方法可最大程度地减小对成形精度的影响。使用系统自带的光栅尺及力传感器，通过测量无工件情况下的力-位置偏差曲线，用于成形过程补偿，具体方案为：通过电机驱动上、下模具表面接触，此时力传感器示数为零值，同时以该位置作为基准点，继续驱动上模具下行，直到力传感器示数达到额定力值，此时光栅尺示数即为上、下模具间在额定载荷下的变形量。该过程采用PMAC控制卡的数据采集功能记录力与位移量之间的关系，用于成形补偿原始数据（图9）。

成形精度补偿过程如下：上位机发出指令控制伺服电机运动指定量值，该运动量实际为系统变形量与工件成形量之和，即工件成形量为该运动量减去系统在载荷下的变形量。因此，为了满足实际成形量要求，需额外再进给系统变形量。新的进给量引起成形力继续增加，系统变形量也随之增加，故需继续进给额外的变形量。如此往复，直到误差降低至2 μm以下。通过精度补偿后的系统成形精度达到4 μm，满足设计要求。补偿过程示例见图10。

3.2 超声振动辅助成形试验

为了验证超声振动辅助成形系统的成形能力和超声振动系统谐振能力，进行了压缩测试试验。以直径2 mm的T2紫铜作为研究对象，截取二段高度均为3 mm的小圆柱，其端面用金相研磨机进行抛光。为测试超声振动在成形过程中的效果，开展了有、无超声振动的对比试验。压缩成形量均为200 μm，成形速度均为2 μm/s，施加超声时间50 s。

由图11可看出，从施加超声振动开始，试件的成形力从近1000 N降低到400 N左右，成形抗力降低幅度达60%，即超声振动使材料发生“软化”。

4 结论

（1）本文针对微塑性成形工艺开发了超声振动辅助塑性成形系统，实现了超声振动在塑性成形过程中的叠加。

（2）微塑性成形系统使用了精度补偿方法，极大程度地消除了机械结构变形对成形过程的影响，显著提高了工件的成形精度。

（3）通过对比塑性成形过程中有、无超声振动情况下的成形力和变形量关系曲线，验证了超声振动对材料成形的“软化”效应，表面超声振动对成形压力的减小具有显著作用。

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Design and Development of Ultrasonic Assisted Micro Forming System

LI Guang1，ZHOU Tianfeng2，LIANG Zhiqiang2，BAI Yaqun1，WANG Xibin2
（1.Advanced Machining Technology Lab.，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Key Laboratory of Fundamental Science for Advanced Machining，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Key parameters of the ultrasonic vibration assisted forming system are analyzed according to the requirements of micro forming process.The ultrasonic vibration assisted forming system consists of the mechanical structure，ultrasonic vibration unit and the servo control subsystem，etc.The fixed end beam and the compression bar are adopted to design the mechanical structure with reference to the four-column press structure for simplification.The structural dimensions are calculated and its rigidity is verified with ABAQUS.Ultrasonic generator and ultrasonic transducer are assembled for ultrasonic vibration system to achieve the required vibration during the forming process.The booster is designed using longitudinal vibration wave function for variable cross-section bar，which are verified by FEM simulation.The programmable multi-axis controller (PMAC)is utilized as the servo motor controller，and grating scale and force transducer are enrolled in the closed loop control system to realize accurate position and pressing force control.A reduction of forming force is confirmed and the forming accuracy is proved to be below 4 μm in the pure copper compression test by using the developed ultrasonic vibration assisted forming system.

ultrasonic assisted forming；booster design；FEM simulation；forming accuracy

TG663

A

1009－279X（2017）01－0043-05

2016-11-08

国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2015 CB059900）；国家自然科学基金资助项目（51375050）

李广，男，1991年生，硕士研究生。