金属超声振动挤压特性实验研究

金属超声振动挤压特性实验研究目录金属超声振动挤压特性实验研究 0摘要 2第一章绪论 61.1 课题研究背景 61.2 微成形技术发展现状 61.2.1国外的微成形技术发展现状 61.2.2国内的微成形技术发展现状 81.3超声辅助微成形技术发展现状 91.3.1超声辅助微成形技术工艺发展现状 91.3.2超声振动在金属成形中作用机理研究 101.4研究的内容及意义 11第二章超声波辅助微挤压成形实验 132.1实验方案 132.2实验装置及模具 142.2.1实验模具的设计 142.2.2实验设备压力机 162.2.3实验设备超声振动系统 172.3实验坯料的制备 182.4单晶体塑性变形的机制 192.5本章小结 19第三章T2紫铜超声辅助微挤压成形实验研究 213.1T2紫铜超声辅助微挤压实验 213.1.1实验方案及实验过程介绍 213.1.2体式显微镜和金相显微镜介绍 223.2模具变形区尺寸对微挤压过程的影响 23第四章利用ABAQUS软件对坯料的超声成形过程进行仿真 254.1ABAQUS软件介绍 254.2ABAQUS/CAE主要特征 264.3微挤压有限元模型的建立 274.4设置仿真参数及云图分析 29第五章总结与展望 335.1总结 335.1展望 34致谢 38摘要近些年来，微型零部件在电子通信、航空航天、汽车制造、精密仪器等行业中的应用越来越广泛，微型零件的成形工艺和成形设备也受到了市场和科研方面的广泛关注，市场对于高效率、低成本、精度高的微型零部件的需求也在不断增大。因此这对于微型零件成形工艺和成形设备的设计制造就有了更多更新的要求，由于介观尺寸效应的影响，使得坯料在成型过程中的成形力、与模具之间的摩擦力变大，坯料成形后的变形区成形性能降低。从高频率振动在宏观的材料塑性成形的实验中发现，将超声波振动加入到塑性成形中可以有效改善金属塑性成形中坯料的成形力，坯料与模具之间的摩擦力，成形后变形区的力学性能等。本文将根据已知的超声能场加入到微塑性成形中的优点，将超声振动和微塑性成形结合到一起，研究坯料经热处理后晶粒相对于模具的大小和所加超声波功率大小对金属坯料成形能力的影响规律，用坯料在模具中的挤出长度作为金属成型能力的判断标准，分析材料在受到不同超声振幅时应力应变和微观组织的变化规律。通过实验研究发现，超声波在加到材料微挤压过程中，超声振动在坯料上产生的声波软化效应和工具的应力叠加效应在材料成形中成形力下降，成形性能提高的影响中占主要因素。实验中使用的金属材料为经热处理和磨床处理过的T2紫铜，实验中还设计了未加入超声振动材料微挤压的过程，将成形后的变形区与加入超声振动的实验进行对比发现：加入超声能场会明显降低材料成形时的成形力，并且加入的超声波频率越高，T2紫铜的成形力会下降的愈加明显，成形之后性能也会显著提高，另外，超声辅助微挤压成形中模具与材料之间的摩擦状况也会随超声波振幅的提高而发生明显的改善。研究内容如下：制备实验所需的T2紫铜材料，将材料进行热处理，得到实验中所需的晶粒大小为200μm的坯料，同时由于在微挤压开始工具向下挤压材料时会产生镦粗过程，因此需要将材料用磨床进行端面的平整处理。设计一系列针对超声振幅大小和晶粒与模具相对大小的实验，模具分为三种，挤出直径大小分别为0.5mm、0.7mm、0.9mm，超声波振幅用功率来表示，超声波频率为20kHz，功率为30%、50%、70%、90%。在未加超声振动时，三种模具成形最为困难，在加入超声振动后，材料流动应力逐渐变小，挤出的长度逐渐变长，成形区的表面质量也逐渐变好。但超声波振幅增大时，表面质量的改善情况并不明显。完成微挤压实验之后，将成形件镶样，磨样，腐蚀液腐蚀，观察变形之后的晶界分布和晶粒大小的变化，实验表明，加入超声振动之后，成形件的晶粒会被细化，微观组织相较于传统塑性成形质量会显著提高。在做完实际实验之后，利用ABAQUS软件对实验过程进行仿真，以了解在理想条件下的实验结果表现如何，观察仿真中坯料受到的应力分布以及坯料在模具中的变形过程。在ABAQUS中可以直接看到坯料受力的变化过程就可以直接推断出金属坯料晶粒变化最大的是哪一部分。关键词：T2紫铜；超声振动；微塑性挤压；超声振幅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第一章绪论课题研究背景微型零件在微型机电系统(MEMS)、通讯、电子、航天航空、汽车、等制造中已经被比较广泛的应用了，因此市场对于微细零部件的精密等级，工艺质量等要求也在不断提高，因此微成形加工的零部件的工艺技术也受到了比较广泛的关注。上世纪90年代已经出现了将传统工艺技术应用到微型塑性成形零件的加工中，可以生产尺寸在两个维度上小于或等与1mm的塑性成形零件。微塑性成形工艺制备的零部件具有生产效率更高、生产成本较传统制备工艺更低、精度更高等优点，并已经应用于电子、机械等大量的制造行业中，已经是微塑性成形零件的主要技术之一，主要包括挤压、锻造、冲裁，拉伸，拉拔等工艺[1]。微形化技术和产业的极速发展给人们带来了远远超越以往加工工艺的方便，人们对微形化产品和零部件的需求也越来越大。零件微型化对零件的加工中材料、工艺、工模具和设备都会产生影响，所以在微细即微观成形方面有很多和在传统的加工成形方面的不同。微成形零件中的技术与传统加工工艺中的不同并不是单纯的尺寸上面的减小，由于尺寸的减小导致的微形尺寸效应，也可称为介观尺寸效应，使得传统的材料成形的理论已经不再适用于微塑性加工工艺之中。传统的加工工艺和加工设备也不能够在微塑性加工中发挥较大的作用，这就使得对微塑性加工工艺成为国际和国内的研究重点[2]。很多国家和民间私营企业均投入了大量的资源用于微成形技术的研究，例如我国就把“微/纳米制造科学与技术”列到国家科学技术研究的重点资助领域中。虽然目前的微成形技术有很多种类，有很多微成形技术也十分成熟了，但市场的需求需要生产的企业做到降低成本、提高效率、满足市场需求、缩短周期，这些因素的存在制约了LIGA、激光等微成形技术的广泛应用。因此人们在传统的加工技术上逐渐的研究和改进，用来制造微成型零件。微成形技术发展现状1.2.1国外的微成形技术发展现状微型化产品由于其自身具有体积更小、精度更高、反应快、低耗能、良好的稳定性和重量轻等诸多优点，正被国内外科研单位和制造行业所关注。虽然上述提到的这些技术都能够成功加工出微细零部件，但是在效率及成本等方面都不能满足微型化产品产业的要求。相较于以上所说的微加工技术，近乎于净成形的塑性成形技术，如冲压、胀形、镦挤等，更能满足微型化产业量大、高效、低成本等要求[3]。微成形技术中拥有传统的技术中的大部分优点，例如成形时间短、材料的整体利用率更高、加工成本降低、工序简化以及成形后的零件性能较好并且精度较高，可以采用冲裁、镦锻、拉管、挤压、模压和拉丝等多种塑性成形方法，满足大部分形状复杂制造流程较长的微型零件的制造要求。法国权威科技市场研究与分析机构YoleDevelopment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[4]。微形零部件在制造业的广泛应用对于零件各要求如精度、性能、质量等也提出了更高的要求，同时需求量也在不断提高，这促使在对生产过程中的成本、精度、合格率等都提出了相对以往更高的要求。微塑性成形零件和其他的微形零件制造比较的话，有着更好的发展优势和更加广阔的发展趋势，因为本身就有传统的制造技术和工业基础作为底子，这样很多技术有点可以作为基础和优势可以应用到现在微塑性成形的发展上面来。各国也在微塑性技术的发展上面投入了大量的资源，尤其是西方发达国家，这其中主要以美国和德国为代表。德国已经发展出LIGA技术，日本则发展出超精密加工技术，同时还发展了电火花微加工技术、深层腐蚀电刻技术、将微加工技术加入到板材的冲压中等微加工技术[5]。在硅基上面进行光刻之后，通过腐蚀工艺腐蚀掉其他多余的材料，得到一种准三维结构的技术被称为表面的微机械加工技术，世界上的第一个微形静电马达就是采用这种技术的制造生产而成的微机电系统零件。体积微机械加工工艺是指去掉一部分材料这里指的同样是硅基，从而得到想要的微细机械机构的一种加工技术，键合技术还有在硅基上腐蚀电刻技术的出现又为体微机械加工工艺提供了新的发展方向。SOIMEMS即是现在多种体硅加工的一个重要方向，欧益宏等[6]采用的就是该技术进行硅深槽刻蚀。Vollertsen教授[7]在宏观微塑性成形实验中发现宏观成形件的表面成形质量更好，微观塑性成形中成形件的表面有轻微起皱，这项实验对比也证实了在微观塑性成形的情况下，成形件的表面形貌不好控制。下图1.1为两种成形情况下的成形件对比照片。图1.1宏观和微观下拉深成形件的对比1.2.2国内的微成形技术发展现状反观国内的微成形技术发展现状，国内在微成形领域的研究起步较晚，同时由于国内在技术、设备、成形理论、科研人员等方面的局限性导致我国微成形技术发展缓慢，目前国内的成形方法有微冲压、微铸造、激光微加工、微注塑等成形方法，国内研究的微成形技术主要是在传统塑性成形工艺的基础上结合多年成熟经验和实践开发微成形技术[8]。孟庆当教授等[9]在实验中发现304不锈钢的箔板在微成形过程中板的变形应力和弯曲角度随着不锈钢板厚的逐渐增厚而不断减小，这一实验现象在Hall-Petch关系式没有办法得到很好的解释，孟庆当教授把用相对厚度代替了原来公式中的厚度，被修改后的Hall-Petch关系式可以比较好的解释在实验中材料因变形而产生的尺寸效应。单德彬教授等[11]自行设计了一套微塑性成形系统以进行徽塑性成形工艺研究，并进行了齿轮的成形实验，在保证成形齿轮表面质量的同时，也能保证成形件的尺寸精度。单德彬教授等采用数字化技术设计了加工制造形状复杂的圆盘类微形零件的模具，实现了复杂模具设计制造的数字一体化方法，并优化了模具设计制造加工工艺。季忠与郑超等[12]利用自己团队设计的的脉冲激光，将激光作用于材料表面进行等离体爆轰波的冲击实验，通过有限元模型中等效塑性变形速率、变形残余应力和应变的分布来描述变形机理，通过实验发现，试样厚度越大，变形深度逐渐减小；脉冲激光能量逐渐增大，变形深度也逐渐增大，模具直径和变形深度没有明显的数据关系。1.3超声辅助微成形技术发展现状1.3.1超声辅助微成形技术工艺发展现状超声辅助是指结合塑性加工工艺，将超声波振动加入到材料成形中，使工件受到周期性振动的情况下产生变形的一种加工技术，由于超声波的加入，使得材料成形中流动应力下降，得到一定的软化效果，并在一定程度上提高材料成形力，改善了工件和工具之间表面的接触状况，降低成形抗力，改善成形件表面质量和尺寸精度。1955年，B.Langenecker和F.Blaha最早把超声振动加入到金属塑性成形加工中，他们发现当把超声波振动加入到拉伸实验过程中，材料成形时的屈服应力和流动应力都出现了显著的下降，这个实验现象被后来在这个领域的研究者称为Blaha效应[13]。现在，在他们之前的研究基础上，国内外越来越多的研究者对Blaha效应及超声波振动在材料塑性成形中的大范围应用方面进行了大量的研究。Langenecke等学者研究发现，对单晶铝坯料进行单向拉伸实验时加入超声波振动会对材料有显著的声波软化现象（如图1.2，单晶铝在不同处理状态下应力应变曲线），超声波能量对单晶铝的声波软化程度和单晶铝在高温状态下的软化程度在某些方面是类似的[14]。图1.2铝单晶不同处理状态下的应力应变的曲线2006年，C.J.Bunget[15]等设计了一系列的超声波振动辅助微挤压实验研究，实验设备如图1.3所示，研究实验过程中当施加高频率振动时微挤压成形的材料成形规律，实验结果表明当施加高频率振动时微挤压过程中材料的成形力有显著的的下降，并且微挤压制品的表面质量和模具工件之间的摩擦状况都有明显的的改善。Bunget等研究了超声波振动微挤压成形的基本特性，他们发现超声振动使模具与工件表面间的摩擦状况不同于普通挤压时模具和工件之间的接触情况，超声振动可以使润滑条件得到有效改善。图1.3Bunget等人研制的超声微挤压设备实物图2007年，Mekaru等发现在加入超声波之后，微挤压成形的零件表面质量更好，同时成形力和成形时间都比原来减少很多，同时微压制零件的精度也得到提高[16]。2013年，J.C.Hung等综合考虑了各项因素对超声实验中材料成形的影响规律[17]。2014年，Wu等[18]通过实验发现有超声辅助的实验中材料的硬度和延展性都比没有加入超声辅助的材料硬度和延展性提高不少。2015年，Luo等在实验研究中发现超声波可以提高材料的充型性能，并且在实验中加入的超声波功率越大，超声振动时间越长，材料充型能力越好[19]。2016年YangBai等采用超声辅助微镦压工艺对黄铜箔片进行实验研究，其中实验中的黄铜箔片的尺寸互不相同，实验结果显示超声振动影响的是表面晶粒大小，且表面晶粒直径越小，超声作用效果越明显[20]。2018年Yao等实验结果表明在超声辅助材料成形中，主要存在应力、声软化作用、摩擦状况等三个影响因素，在降低金属材料单轴压缩载荷的同时，还能通过降低界面摩擦力的方式改善工件的表面质量，在此过程中超声引起的材料软化是主因[21]。2018年中国地质大学彭卓研究了非晶合金在微挤压成形过程中加入超声振动辅助的实验，实验结果也为微形零部件的加工提供了一定的设计思路和指导性的方法[22]。1.3.2超声振动在金属成形中作用机理研究在已有的研究中几乎都有这样的结论，超声振动辅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动应力，同时改变模具与工具之间的摩擦状况。很多研究者想要用自己的方式解释这一实验现象，并且在超声振动的作用机制上有所争议。在作用机制上存在争议是因为仅仅靠实验所得到的应力应变曲线无法完全解释实验背后的实质物理现机制，而有些实验过程中的得到的实验数据没有其他辅助测试的证明，因此其解释有局限性和主观臆测性。从类别上看，超声振动在金属成形过程中的作用机制包括体积效应和表面效应[25-28]。表面效应：表现在超声振动在加入材料成形过程中时，成形材料表面质量明显得到改善，微观表面形貌和表面粗糙度有明显变化，模具和工件之间的摩擦状况变好，刀具表面磨损减小。材料表面晶粒被细化，且晶粒分布均匀。导致产生表面效应的原因一般认为可能有：1、材料吸收了超声振动中的能量使得表面晶粒的活跃度得到提升。2、超声振动使模具和工件之间不断的接触分离再接触，在这个过程中，模具和工件的接触面积也在减小，因此摩擦力也在减小。3、振动使得工件和模具之间局部产热增加了材料的塑性。体积效应：金属在力叠加效应下更利于成形。导致产生体积效应的原因一般可能认为有：1、应力叠加效应，然而实验结果无法分辨出在这一过程中成形力的下降是因为应力叠加效应还是声波导致的软化效应。2、高频振动使材料内部晶粒活跃度变高，材料的成形力减小，更易于成形。1.4研究的内容及意义虽然类似超声辅助微挤压成形的金属微塑性成形有许多优点，但在超声波成熟的应用到金属微塑性成形上之前还有很多尚不明朗的问题需要解决。微型化的零部件在成形过程中所引起的介观尺寸效应，在材料的成形性能、材料的成形流动应力、材料流动变化规律和材料的软化等都与某些尺寸有着特定关联，在金属的微塑性变形中，坯料的尺寸、模具中的变形区尺寸以及坯料的晶粒度尺寸都会影响材料的成形性能。运用超声振动的超声波能场辅助金属微塑形成形在已有的研究中表现出可以改善金属塑性成形性能的能力，在有些研究中表明，材料的宏观塑性成形和微观塑性成形中加入超声波都可以显著软化材料，降低材料的成形应力，改善模具和坯料之间的摩擦状况并且降低成形抗力等作用。利用超声能场在金属塑性成形中提高坯料成形能力、降低坯料成形应力、提高尺寸精度和成形件表面质量等优点，将超声振动与金属微塑性成形相结合是一种值得尝试的方法。本文将在微成形基础上加入超声波振动，设计相应的超声辅助微挤压成形实验，研究超声波辅助微成形机理及其微尺寸效应，因尺寸效应带来的材料变形问题，分析超声辅助对材料微成形各项性能、微观组织演变规律的影响。论文主要内容安排如下：第一章：绪论部分，介绍课题研究背景、研究现状、本文研究内容和意义。第二章：实验中超声系统的组成部分、包括超声振动系统、超声变幅杆、超声换能器、本实验中的实验装置的组成、模具的设计。第三章：根据设计出的实验方案完成实验部分内容，具体介绍实际实验过程中的实验现象，分析实验数据，研究超声振动对微挤压实验过程中的影响规律。第四章：根据实验进度视情况完成一部分仿真实验，并对仿真实验结果进行简单的分析。第五章：本文的总结和展望，总结本文研究的成果，存在的问题，以及对未来研究方向的展望。第二章超声波辅助微挤压成形实验在微塑性成形中有很多其他塑性成形工艺不具备的优点，但是因为材料介观尺寸效应带来的许多需要解决的问题仍然存在，例如在坯料成形时与模具之间的摩擦，坯料的流动应力和模具精度的控制等。超声波辅助金属材料成形在宏观中的研究中发现，超声波具有减小材料流动应力、改善模具与材料间摩擦状况、改善成形件表面质量、细化坯料晶粒等优点，但是超声波辅助微塑性成形工艺仍存在实验阶段，还未在生产中大范围应用，并且坯料成形时材料内部流动应力的变化规律还不清楚，在仿真中也无法将实际流动情况表现出来，成形机制暂时还不清楚，还需进一步探讨。本章将根据研究内容介绍设计一系列实验方案探究模具尺寸与材料晶粒相对大小和超声波功率大小对材料成形中应力应变、成形力、成形后晶粒的影响规律。并重点介绍实验中使用的模具、成形压力机、超声波发生器、变幅杆、换能器以及坯料的制备处理，此外简单介绍金属晶体在变形中的基本机理。2.1实验方案在大多数的文献中，探究材料在超声波辅助的情况下的微挤压实验已经被完成过，因此我将根据自己的实际情况设计出探究超声波功率和模具尺寸与晶粒相对大小两个因素对材料成形中应力应变、变形区表面质量、变形区成形能力的影响规律。在已知的超声波辅助微塑性成形实验中，超声波振幅对于材料成形的显著影响是可以类比得到一些结果的。本文同时认为模具的尺寸同样会对材料的成形产生一些明显的影响，不仅在成形能力上，在微观组织上也会有一些表现，也就是在不同的挤出直径下，晶粒的细化程度是不一样的。为消除挤压比对实验的某些影响因素，本文设计的实验会在同一挤压比下进行，并选取了挤压直径为φ0.5mm、φ0.7mm、φ0.9mm的模具，因为这次实验制备的材料为T2紫铜棒，且在不同的超声波振幅下对比个实验的结果，所以统一使用了热处理后晶粒大小为200mm。使用的超声波频率为20kHz，选用的超声波功率为30%、50%、70%、90%四种，在恒定的挤压力下测定材料在超声波辅助微塑性成形的性能。实验原理简图，如图2.1所示，其中材料的微挤压尺寸示意图如图2.2所示。图2.1实验原理简图图2.2微挤压成形件示意图2.2实验装置及模具2.2.1实验模具的设计在超声辅助微塑性成形工艺中，模具的设计和制作过程也是至关重要的一个环节，模具的几何尺寸精度对成形件的影响十分大，由于成形件的尺寸自身就很小，因此模具的精度必须要求很高。坯料的尺寸决定了模具尺寸不能过大，这就使得模具的制备难度变得更大，对于模具的精度和质量的要求也变得更加严格。因此制作高精度、低成本、使用起来便捷可靠的模具也成为主要的问题。在目前的情况下，使用精密机械加工的方法制作模具在模具制作中仍然占据着很大的比例。本文模具主要是由高精度铣床和电火花加工制作的，由横向压板模具上端、横向压板模具下端、纵向压板模具等组成，纵向压板模具是可以替换的，可以直接互相替换以进行不同尺寸的挤压实验，纵向压板模具如图2.3所示。（a）(b)（a）(b)（d）（c）（d）（c）图2.3各尺寸纵向压板模具(a)挤出直径为φ0.5mm；(b)挤出直径为φ0.7mm；(c)挤出直径为φ0.9mm；(d)横向压板模具上端孔直径为φ1.5mm；横向压板模具上端、纵向压板模具图纸如图2.4所示。（e）（e）（f）（f）图2.4（e）横向压板模具上端；（f）纵向压板模具；2.2.2实验设备压力机最近几年来，国内许多学者已经在镦粗、挤压、拉伸、拉丝等领域就对超声辅助塑性成形进行了很多的实验和研究。对于超声辅助微挤压成形工艺来讲，传统的压力机上不仅仅是加上超声波发生装置那样简单了，在传统压力机上增加超声设备要求对现有的压力机进行比较大的改造和升级，所以需要解决适合超声辅助微挤压成形实验的压力机设备。基本上现在的超声辅助微塑性成形的设备大多数采用的是较为传统的阶梯型超声变幅杆，并且是采用整体框架结构来支持超声设备，但对于不同立体形状的工具则需要新的超声设备结构和尺寸，无法用传统的立柱式压力机结构与其相适配，又因此需要相对应的超声系统固定在压力机设备上，不具备适用于大多数超声辅助的塑性成形中。因此采用的压力机设备如图2.3，图2.4所示，压力机的驱动部分为伺服电机，传动机构为丝杠螺母，伺服电机旋转产生的动力通过丝杠螺母传递到工具实现工具的纵向位移，使得工具向下挤压坯料。图2.310KN超声辅助微挤压成形压力机设备结构示意简图图2.410KN超声辅助微挤压成形压力机10KN超声辅助微塑性成形压力机的主要使用对象则是超声辅助微挤压实验，其控制软件的接口包括两部分，一个是运动接口，主要通过API函数和运动控制卡这两者之间进行交互，工控机内的运动控制卡通过外接的放大器和手轮控制交流伺服电机的运动；第二个接口是数据接口，采集信号输入模块收集计算机上连接的位移和压力传感器上采集的数据。2.2.3实验设备超声振动系统本文的实验除基于实验室前期研制的10KN超声辅助微塑性成形压力机之外，还使用到了同样是前期研制的多孔超声振动设备，该超声振动平台如图2.5所示。图2.5多孔超声振动平台该超声振动平台由两个超声换能器、两个阶梯状结构的超声变幅器和一个R-L型多孔超声变幅器组成，其中多孔的超声变幅器可以实现横向的超声振动转变为纵向的超声振动，从而实现超声振动方向的改变，同时也可以解决变幅器过长不便于安装的问题。采用两个变幅器和两个变幅杆的设计可以实现超声振动系统的较好支撑以及整个系统振动能量的传输。超声换能器采用的是两套YP5020-4D超声换能器和两个阶梯形状的超声变幅杆，该超声变幅器和变幅杆由杭州成功超声设备公司生产，变幅器和变幅杆则是双向对称连接的。在阶梯状的变幅杆的节点处设置法兰盘和支撑底座，超声波发生器是由一台TJS-3000超声波电源提供高频率信号，满足超声辅助微塑性成形的工艺要求。在已有的研究的中表明，R-L型的超声变幅器是一种类似可以实现超声振动方向转变的超声变幅器，它通过变幅杆和圆形盘的相互结合，将纵向的振动和径向振动偶合起来，实现变幅杆轴向振动和圆形盘径向振动的相互转换。得到的超声变幅器的结构由中间的方形板和上下对称的凸台。通过已有的实验表明，超声变幅器上面方形凸台尺寸的变化会影响超声变幅器振动频率以及纵向振动覆盖区域面积。超声变幅杆是超声振动系统中的一个重要的不可或缺的组成部分，它的主要作用是将超声波发生器产生的超声波能量经过放大，集中起来作用在一个较小的面上，改善超声振动的振动质量，提高耐热性，拓宽设备使用的温度范围，并且起到延长换能器的使用寿命的作用。超声变幅杆在工具头和超声换能器之间可以调整它们之间的负载系数，减小因振动而产生的谐振阻抗。提高电流和超声之间的转换效率，可以有效降低超声换能器因振动而产生的热量，延长使用寿命。除了杆式形状的变幅杆以外，在大功率超声冷拔丝，拉管的生产中还出现了盘形或者环形的变幅器，在某一些特殊的加工工艺中还有块状的变幅器。2.3实验坯料的制备本文中实验坯料使用的是T2紫铜，紫铜的微观结构为面心立方体结构，具有延展性好、导电导热性良好、可塑性强等优点，因此被广泛应用于电子行业中，同时也是实验中经常被用到的一种材料。T2紫铜的化学成分如表2-1所示。用高精度车床和电火花切割机将紫铜坯料加工成直径为1.5mm，高度为2.25mm的圆柱形样品，为消除加工时产生的应力，并获得实验要求的晶粒大小，需要在微挤压成形前放入加热炉中进行热处理。在微挤压开始时，由于坯料会被完全挤压导致充满整个模具，这将会有一个坯料镦粗的过程，同时也是为了消除电火花切割时在坯料端面留下的电蚀层的影响，需要在实验前将坯料的端面用磨床进行精磨处理，越是小尺寸的坯料成形实验，越是尽量消除某些微小的因素产生的不必要的影响。表2-1T2紫铜化学成分代号成分（%重量）Cu+AgBiSbPbAsSOT299.900.0020.0020.0050.0020.0050.062.4单晶体塑性变形的机制晶粒滑移和孪生是单晶体材料在发生塑性变形中的主要形式。晶体中晶粒在外部应力的作用下，其中的两部分会相对的沿着晶界产生滑动，这个过程就被叫做滑移。滑移的过程不会对晶体中晶粒的排列产生影响，两部分相对移动的距离是该材料中晶粒的整数倍。当外切应力比较小的时候，晶体只会发生弹性变形，但随着切应力的逐渐增大，超过原子之间的吸引力的时候，便会产生相对移动。产生相对的滑动的晶粒表面叫做滑移面，在新的固定位置上将会形成一个新的稳定状态，这个时候即使撤去外部切应力，由于晶体已经发生滑移，晶体的扭转或可恢复，但是已经产生滑移的部分将不会再恢复到原来的位置，这个时候就产生了因相对滑移而导致的晶体的塑性变形。除了晶体的相对滑移之外，还会同时产生晶体内部晶粒的转动和旋转，金属单晶体要在外部切应力的作用下想保持外形的不变，并且产生塑性变形，这种转动和旋转对于晶体来说是必然的。晶体的另外一种塑性变形机制则是孪生，也成为孪晶。不同于滑移的原因是因为滑移是晶体中的一部分相对于另一部分产生相对移动，而孪晶是因为晶粒在外应力的作用下晶体内部一部分相对于另一部分沿着某一方向发生了转动，这种原因产生的晶界被称为孪晶界，由于晶体发生了转动，这样的塑性变形会促使发生进一步的晶体滑移。孪晶虽然是单晶体塑性成形中中的一种产生机制，但是孪晶只发生在少数金属晶体中，发生在多晶格金属中的可能性会更大一些。2.5本章小结本章主要介绍了比较方案的设计，实验中使用的压力机，模具的制作，坯料的制备，简单介绍了单晶体塑性变形中的机理。（1）设计了一系列针对T2紫铜的超声辅助微挤压实验方案；（2）介绍了实验中使用的前期实验室已经设计制作的压力机的主要构造和压力机的大致工作原理，超声振动系统的主要构成和其中变幅器、变幅杆的主要特征，并介绍了实验使用的模具尺寸和制作方法；（3）根据设计的实验方案，将T2紫铜进行预先的热处理，获得晶粒度大小为200μm的坯料。第三章T2紫铜超声辅助微挤压成形实验研究本章在超声辅助下对T2紫铜进行微挤压实验研究，对不同尺寸的实验模具和不同的超声功率下T2紫铜的微挤压实验数据进行研究，进一步了解T2紫铜成形能力，研究模具尺寸和超声功率对紫铜成形时的影响规律。并结合实验数据和对成形件的处理探究成形后材料的微观结构和成形性能，通过一系列设计的实验相对比，主要探究超声能场的影响作用。3.1T2紫铜超声辅助微挤压实验3.1.1实验方案及实验过程介绍在超声辅助金属材料微挤压实验中的实验材料选择的是经过热处理的T2紫铜棒料，经过热处理后还需要需磨床等对材料的尺寸进行处理，处理后其直径为1.5mm，高度为2.25mm。热处理后的T2紫铜棒料的晶粒直径大小为200μm，通过对比实验探究在模具尺寸不同的情况下，模具变形区尺寸与晶粒直径相对大小和超声波功率大小对T2紫铜棒料微挤压实验成形后变形区成形性能，变形过程中成形力大小的影响规律。本次试实验中使用的模具尺寸大小分别为0.5mm、0.7mm、0.9mm。选用的超声波功率依次为30%、50%、70%、90%，与之相对应的超声波振幅分别为10μm、14实验过程中，压力机向下挤压的过程是通过压力机的速度控制的，设置工具即压头在向下运动过程中下降的总高度为1.6mm，这个数据是在经过对一组超声辅助和未加超声辅助时实验后观察变形件变形区的效果后得到的。当压头下降的高度较小时，有超声辅助的微挤压实验效果虽然有区别，但效果并不明显，而压头下降高度较大时，棒料剩余的微变形区长度太小，对在模具中的取料难度增加太大。在上一章中已经介绍过本次实验中的模具为整体模具，同其他的微成形实验中的模具的不同在于某些模具可以拆开，但是这种设计有利有弊。可以拆卸的模具在取料时虽然对变形后的棒料没有太大影响，但是超声震动的能量会在不是整体的模具上有消减，这对于超声辅助的影响效果会有一定的减弱。因此选择使用的模具是无法拆卸整体的模具，对于超声振动能量的分散影响较小。试验时间设置为5min，等待实验完成后，先使用10倍速手动将工具缓慢提升至模具外，在使用100倍的速度将工具升起，将模具和成形件同时取下。成形件取下后放入实验材料盒中，编号，等待实验完成后，用体视显微镜和金相显微镜观察成形件长度和变形区金相组织。3.1.2体式显微镜和金相显微镜介绍图3-1体视显微镜实验使用的体视显微镜如图3-1所示，可以使用此显微镜对成形件拍照后对变形区长度进行比较，尼康SMZ745T体视显微镜可安装尼康显微镜用的数码成像系统，实现观察的同时进行图像摄像。同时还有载物的底座和照明装置等附件，工作距离为115mm，使得工作范围变得更大。在同级别的变焦机构中，这台显微镜的观察范围会更大，因此在放大拍照时可以在同一比例尺下将变形件对比，成形件的表面质量也更加清晰的表现出来。同时还有光路切换手柄，可以用不同的倍镜镜头观察，以便于对成形件的在镜头下的比较。3.2模具变形区尺寸对微挤压过程的影响（a）无超声模具尺寸为0.5mm（b）无超声模具尺寸为0.7mm（c）无超声模具尺寸为0.9mm（d）三种实验情况成形件对比图3-2模具相较于材料晶粒直径大小不同时微挤压实验后的结果在压力机向下挤压速度为0.32mm/min，不加超声振动辅助的情况下，模具尺寸越小在同一比例尺下，长度越长，从显微镜下可以看到，成形件的表面质量也越好。这说明在模具的变形区尺寸和材料的晶粒直径大小接近时，材料在挤压时越容易进入模具变形区，材料的晶粒之间经过相互挤压产生细化，这样使得成形后的材料表面质量相较于其他尺寸的模具的成形件更好。经过测量0.5mm的模具挤压后的未加超声振动的材料长度为2.505mm，0.7mm的模具挤压后的材料长度为2.18mm，0.9mm的模具挤压后的材料长度为1.68mm。长度分别增加了29.7%，14.9%。由此实验可以得出随着模具尺寸与热处理后的材料晶粒度直径大小相接近，材料的晶粒更容易进入模具变形区中，在向下挤压了相同长度的材料之后，模具尺寸为0.5mm的变形长度最长。实验完成后将实验设备中的数据拷贝后进行处理发现随模具尺寸的减小，材料在挤压成形过程中受到的应力越大。其应力位移图像如图3-3所示。图3-3无超声振动时挤压过程应力位移图像第四章利用ABAQUS软件对坯料的超声成形过程进行仿真本章在超声辅助T2紫铜微挤压成形的实验基础上，计划试用虚拟仿真软件对挤压过程进行虚拟仿真，观察仿真过程中应力的变化情况，找到在理想条件下，虚拟实验中应力集中的部分或者应力变化最大的点。从而推断出在实际实验中晶粒变化最大的部分集中在坯料的哪个位置，结合实验后镶样，磨金相后观察到的结果，以求证实仿真实验中应力集中的可靠性。为完成本章内容，选择了ABAQUS软件作为此次学习并使用的软件，常用的有限元分析软件有Deform、MSC、ANSYS等，因为ABAQUS在力学仿真实验中的各项优点都比较全面，所以决定使用该软件作为仿真软件。4.1ABAQUS软件介绍ABAQUS软件是由世界著名有限元分析软件ABAQUS公司（原名KHS公司，2005年被法国达索公司所收购，2007年该公司又更名为SIMULIA）在1978年推出，ABAQUS根据用户在使用中反馈的各种信息不断的解决软件在使用中的各类问题并进行软件升级，使ABAQUS不断升级，不断完善。ABAQUS软件可以进行有效的静态和准静态分析，模态、瞬态、弹塑性、接触、碰撞和冲击、爆炸、断裂、屈服、疲劳和耐久性等结构分析和热分析，除此之外，还可以进行流体固体耦合、压电和热耦合、声场和声固耦合、热场固体耦合、质量扩散等有限元分析。ABAQUS软件已经在很多个国家有了比较广泛的应用，涉及到土木设计、机械工程、水利水电、航空航天、船舶制造、电器生产、汽车设计等各个工程领域。近些年来，我国的ABAQUS使用人群在不断扩大，这说明ABAQUS软件在科技设计研发中的作用慢慢变大，ABAQUS也在仿真中发挥着巨大的作用。ABAQUS软件基于它的丰富的单元库，可以模拟各种复杂的平面或立体几何形状，并且拥有各类材料模型使用库，可以用于绝大多数的生活中常见的工程应用材料，如各类金属、人造聚合物、人造复合材料、橡胶、可以进行压缩的弹性泡沫、钢筋混凝土等工程材料。除此之外，ABAQUS的使用十分的简便，很容易建立实际复杂问题的模型，对于大多数的模拟，用户只要提供被分析结构的几何形状、材料性质、相互作用、边界条件、、受到的载荷等工程数据就可以进行作业，对于非线性问题的有限元分析，ABAQUS能够自动选择合适的增量值和收敛准则，在分析的过程中会对这些参数进行一些调整，以保证结果的精确性和可靠性。ABAQUS/CAE是ABAQUS的集成后的工作环境，包括模型的创建、提交交互式作业、监控作业运算过程以及结果评估等功能。它的主要工作流程如图4-1所示。可视化模块ABAQUS/CAE作业监控建立可视化模块ABAQUS/CAE作业监控建立模型直接转换器直接转换器分析分析ABAQUS/StandardABAQUS/ExplicitABAQUS/CFDABAQUS接口ABAQUS接口第三方前处理器软件接口软件接口第三方第三方后处理器图4-1ABAQUS工作流程图4.2ABAQUS/CAE主要特征ABAQUS/CAE有一系列的功能模块，每一个单元模块都只包含一个与模拟作业的相关的一些工具。可以在环境栏选择进入不同的模块，列表中的模块顺序和创建一个分析模型的逻辑顺序是一样的，在生成装配体之前必须先生成一个部件。部件部件模块可以绘制出各个独立的部件，既可以在ABAQUS/CAE中提供的绘图工具绘制图形，同时也可以利用第三方建模软件将绘制好的模型导入到ABAQUS/CAE中。属性部件的材料属性在此处定义，因为无法直接将材料的属性直接定义出来，因此需要创建材料属性，并将材料属性赋予给截面，再将截面属性赋予给部件。装配在创建不同的部件时，所有单独的部件只会存在自己的坐标系中，因此在装配时可以使用此模块将这些部件放置在一个总的坐标系中，并且可以使用该模块中的某些按钮移动部件使得它们至于正确的位置。分析步可以使用该模块创建分析步骤，和分析的各需求之间联系起来。分析不在模拟的过程中的各类变化提供了更改的便捷途径。相互作用可以指定部件之间或者模型之间的区域，包括它们与周围环境之间的力学方面的相互作用，定义的相互作用包括各类约束，表面接触等。软件不会默认各部件之间的相互作用，因此需要使用者自行确定它们的相互作用类型，相互作用和前面的分析步是相关的，所以这就要求必须指定相互作用是在哪一个分析步起到作用。载荷在这个模块中需要确定载荷、边界条件等，载荷和分析步也有关系，因此在添加载荷时需要确定所加载荷是在哪一个分析步中起作用，而场变量不一定在创建的分析步中起作用，而只在初始的分析步中起到作用。网格化网格中包含了给装配件生成网格的工具，利用提供的各层次的自动化分工具和控制工具，使用者可以划分出满足自己需求的网格。提交作业完成了之前定义模型的任务之后，就可以利用此模块进行分析计算，此模块可以让用户提交完作业之后进行监控，并可以同时提交多个作业任务对它们进行监控。可视化此模块提供了有限元模型分析和结果分析的图像显示，它可以从数据库中获取结果信息，通过各个分析步控制写入数据库中的信息，从而得到相对应的结果。4.3微挤压有限元模型的建立根据实际实验中的超声辅助微挤压实验，对于仿真软件中的有限元模型的建立如图4-2所示。初始时，模型中的各组成部分按照实际的情况绘制出来，工具也就是微挤压中挤压坯料的压头用一条定义为解析刚体的横线代替，并在此横线上设置参考点作为工具在向下挤压时边界条件以及位移设置时的参考点。在给压头加上载荷时，无法同时给工具加上速度和位移，因此此处给工具只加上转角/位移。创建模型时，可以从外部导入，也可以用ABAQUS提供的绘图工具在部件中绘制。这个可以自己根据实际模型建立时的方便程度自己选择，当绘制三维图形时，用SolidWorks绘制后导入到ABAQUS中更加方便，而本文中绘制二维图即可直接使用ABAQUS中的绘图工具建立对应的模型。图4-2微挤压有限元模拟模型在SolidWorks中建立模型之后可直接确定各部件之间的相对位置，在ABAQUS中绘制好各部件之后需在装配中导入各部件，使用装配中的平移实例按钮将各部件移动到正确的相对位置。坯料在下模具中不受到任何约束，摩擦也设置为实际中的干摩擦，且摩擦系数设置为0.35.为保证挤压精度，并且更接近的将仿真过程向实际实验靠拢，本文中会将仿真中的挤压分析步中的步数设置为10000步，同时保证计算的可靠性，尽量保证仿真挤压时间在一定的范围内。本章中将进行超声辅助的微挤压过程模拟，探讨坯料在模具中因挤出直径的变化对挤压中应力改变的影响规律。在相同的条件下，将分析坯料相同，模具挤出直径分别为0.5mm、0.7mm、0.9mm时，应力分布的情况。图4-3模具模型图在ABAQUS中将模具的模型绘制出来，因为实际模具是由两部分组成，即横向模具压板上端和纵向压板模具，在ABAQUS中绘制时，将两部分绘制在一起，如图4-3所示，由于在向下微挤压时需要定义坯料和模具之间的边界条件，最后的效果是相同的，因此为减少定义的主表面和从表面，可以将两部分模具直接绘制出来。纵向压板模具和横向压板模具接触之间是有一定的倒角，便于坯料向下挤压。因为在仿真过程中若变形处的尺寸突变会导致仿真无法计算，因此在实际实验中和仿真中都需要设置倒角。绘制模具时需要在设置绘制图形前定义绘制的是解析刚体，如图4-4，这样在定义材料时，只需要将材料性质赋予给坯料。图4-4绘制解析刚体部件图4.4设置仿真参数及云图分析将模型建立好之后，即对坯料的材料属性进行定义，在弹性一栏中，杨氏模量和泊松比如图4-5所示。图4-5坯料属性图如图4-5所示，通过查询资料可知T2紫铜的杨氏模量为210000Pa，泊松比为0.2～0.4，因此取泊松比为0.3.之后创建分析步，除初始分析步之外还需要创建另外两个分析步，第一个分析步中并不参与挤压的运算，只要求其分析压头从初始位置到坯料上面的这段距离，而第二个分析步则参与压头的微挤压运算。边界条件则设置为从初始分析步传递到分析步一，再传递到分析步二。分析步二中的增量步数设置为10000步，时间增量设置为0.001，分析步中的场输出请求和历程输出请求则各设置按照默认不更改。设置相互作用时需要考虑设置刚体的内表面为主表面，坯料的外表面为从表面，这样在挤压过程中坯料只会存在于刚体内部。设置模具和坯料之间的接触有两个方向的接触，一个是法向行为，一个是切向行为。切向行为设置中摩擦公式的选择为静摩擦-动摩擦指数衰减，静摩擦系数按照所查询到的数据设置为0.4，具体的参数设置如图4-6.图4-6模具坯料接触参数模具的边界条件设置为完全固定，即（U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0）,模具的边界条件类型设置在部件中的参考点，如图4-7所示。在微挤压中，坯料是因为压头向下运动而产生变形，因此第二个边界条件BC-2设置在压头上，如图4-8所示。X轴方向上的运动为0，即U1=0，Y轴方向上的运动为从初始位置到开始挤压位置，位移为-1.75mm，在分析步2中的位移修改为从初始位置到挤压完成的位置，即-3.35mm。图4-7模具边界条件图4-8模具边界条件在提交作业前还需要对坯料划分网格，首先需要对坯料进行布种，因为坯料在划分网格时没有需要局部布种的区域，因此可以选择全部布种，近似全局尺寸不需要设置过大也不能选择过小，太大的话计算时间会因此变长，太小的话并不能将应力分布明显的表达出来。单元的学习类型设置如图4-9所示。图4-9划分网格后单元设置单元库选项选择为标准，几何阶次为线性，并设置为非协调模式。全部参数设置完成之后就可以提交作业进行分析，并可以在监控中查看分析时间和增量步，若在分析中并未产生错误则在分析完成后会显示已完成。在可视化模块中可以使用在变形云图上绘制云图按钮查看变形后应力云图分布情况。如图4-10所示。图4-10坯料变形后应力云图观察不同方向上的应力分布可以选择查询不同的分布情况，在工具栏的工具按钮选项中选择查询，在结果按钮中选择场输出按钮，在弹出的对话框中选择主变量名称，在可视化中还能够直接模拟出仿真实验中的变形过程可以直接观察到坯料的各区域应力变化情况，此处无法表现出来。从云图上我们可以看出变形后材料的应力分布大小情况，在变形端面的最外侧是最大应力集中处，在变形区的中心区则是应力最小的地方。因为在材料变形时收到模具阻力最大的地方就是端面，而尺寸直接发生改变的地方就是端面的外则。云图选项按钮中可以选择应力最大点在云图中显示出来，应力最小点也可以在云图中显示出来。如图4-11所示。图4-11应力最大值和最小值位置第五章总结与展望5.1总结本文中通过了解到超声辅助在金属塑性成形中的优点，以及微成形技术的发展现状，将超声能场加入到微挤压成形中，从而降低金属坯料在塑性成形中的成形力，流变应力，改善成形件的表面质量和微观组织，细化晶粒。并研究金属坯料在超声能场中的成形机理。根据实验材料在超声辅助成形中的成形特性，设计了针对T2紫铜的总体实验方案，研究坯料晶粒与模具挤出尺寸相对大小和超声波功率对坯料成形能力的影响规律，选用的模具为φ0.5mm、φ0.7mm、φ0.9mm三种挤出直径尺寸，和相对应的四种超声波功率：30%、50%、70%、90%，坯料经过热处理后的晶粒直径大小为φ200mm（1）通过阅读大量国内外文献，了解到目前为止超声辅助微挤压的技术仍然处于大量试验阶段，还无法普遍的应用到实际生产中。超声辅助微成形现在已经在材料的拉丝、拉管、镦挤、冲裁等实验中得到比较与宏观成形中更好的效果。（2）在参考对比了大量实验研究和实验方案之后，本文中选择的模具更具有便捷性和普适性。根据已知的针对超声辅助的实验中的模具设计，某些模具的设计尽管在实验后取料时更方便，可在实验中模具的尺寸和结构则会对坯料所接受的超声能量分散，减弱超声波在实验中的影响效果。而本文中采用的模具尽管在实验后的取料时会对尺寸产生一些影响，可以采取对模具和成形件一起测量的方法，除此之外，成形件的镶样和观察金相并不会产生其他的影响。（3）对比各尺寸的模具实验时，可以发现随着模具挤出直径的减小，成形件变形区逐渐变长，由于工具挤压的距离是一定的，因此在坯料的变形过程中，经过热处理的坯料会因为晶粒变化的程度较小而变长，因为变形的体积是一定的，变形区也会逐渐变长。而同时，晶粒也会有细化的现象，这时可以观察到成形件的表面质量逐渐变好，通过显微镜观察发现变形区的晶粒有细化的现象，这说明微挤压可以有效改变材料的微观组织和性能。(4)随着超声波功率的增大，也可以发现材料成形后变形区逐渐变长，超声波能量的作用下，坯料的成形力下降，流变应力也会同时下降，当超声功率增加至70%-90%时，坯料在成形中还会因为吸收能量和工具发生粘接，功率越高时，发生粘接的现象越明显。（5）实验中还表明改变模具的尺寸和超声波功率都会降低材料的成形力，但增加超声功率在降低成形力方面的效果会更好。（6）在超声波功率加至70%之后发现成形的效果改善不大，但由于之后的每次实验中都会发生坯料和工具之间的粘接，因为推测是因为超生能量的原因导致粘接使得坯料在向下挤压时受到影响。（7）利用ABAQUS软件对理想条件下的坯料进行仿真观察仿真结果可以发现，坯料在受到向下挤压力的作用过程中，首先受到应力最大的部分是坯料端面的周边，随变形过程的继续，应力逐渐集中在坯料端面的中心，这里是坯料的主要变形区。5.1展望本文主要研究的是T2紫铜超声辅助微挤压变形实验，在不同的实验条件下，观察并分析实验条件包括模具尺寸和超声波功率对材料成形力、成形性能的影响规律。并研究T2紫铜在超声辅助下的成形机理，虽然已经得到部分实验数据和结果，但是因为现有实验设备、个人精力还有个人能力的限制，还有很多地方是可以进一步改善和完成的，后续的研究工作可以从以下几个方面开展并深入研究：（1）虽然可以得出超声振动可以显著提高所选金属材料微挤压成形能力结果，并且得到了相关的实验数据，但是加载超声振动后工具头一端的振动幅度和频率无法实时监测，这就无法监测超声设备实时的工作情况，之后的深入研究可以通过测得超声系统的电流电压以得到实际的输出功率。（2）本文中建立的仿真实验是为了结合实际实验观察实验中的坯料受到应力的分布情况，有很多参数的细节部分还未经过处理，在之后的工作中可以针对仿真实验进一步加深研究。（3）本文中只针对了其中两个因素对材料的成形影响进行了研究，对于材料微挤压成形的影响因素还有很多，在实验设备和时间的允许下，可以在后续的研究中综合考虑更多的影响因素，例如温度、金属不同的热处理条件下、对工件的振动等情况都可以综合考虑进来，使得实验结果更有普遍性。（4）本文中只使用了T2紫铜作为实验材料，在T2紫铜上的实验效果是非常明显的，但是无法验证在其他的实验材料上的效果如何，每种金属在超声辅助成形时的变形机制也可能是不尽相同的，因此超声辅助微挤压成形的结论只适用于现阶段所做的实验中，在之后的研究中可以针对更多的金属材料进行实验得到可靠性更强的实验结论。（5）实验中材料的流动应力的实时变化的，在实验时是没有监测到的，在之后的实验中可以通过测得实验中对工具头的反馈以得到材料的流变应力变化规律。参考文献[1]单德彬,袁林,郭斌.精密微塑性成形技术的现状和发展趋势[J].塑性工程学报,2008(02):46-53.[2]彭卓,韩光超,李凯,陈昊.超声辅助微挤压成形系统设计[J].振动与冲击,2017,36(15):259-264.[3]陈恒.超声波辅助微挤压成形性能与微观组织演变规律[D].深圳大学,2015.[4]王春举,郭斌,单德彬,张曼曼.高频/超声振动辅助微成形技术研究进展与展望[J].精密成形工程,2015,7(03):7-16.[5]任明星.微米尺度构件金属型铸造成形规律研究[D].哈尔滨工业大学,2008.[6]欧益宏,周明来,张正元.硅的深槽刻蚀技术研究[J].微电子学,2004(01):45-47.[7]VollertsenF，HuZ，NiehoffHetal.StateoftheArtinMicroFormingandInvestigationsintoMicroDeepDrawing[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2004,151:70-79.[8]刘建龙.超细晶纯钛塑性微成形及其尺寸效应研究[D].太原科技大学,2016.[9]孟庆当,李河宗,董湘怀,彭芳,王倩.304不锈钢薄板微塑性成形尺寸效应的研究[J].中国机械工程,2013,24(02):280-283.[10]王波,梁迎春,孙雅洲,谭亚明.带三维结构的惯性MEMS器件的微细铣削加工[J].传感技术学报,2006(05):1473-1476.[11]单德彬.微型齿轮精密微塑性成形工艺研究[A].中国机械工