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A356合金微触变成形及其超声振动辅助机理研究
1.摘要
A356铝合金是一种常用的铝合金材料，具有良好的综合性能，广泛应用于汽车、航空航天、船舶等领域。微触变成形（microincrementalforming，MIF）是一种高效、灵活的成形技术，可以实现无模具成形，适用于小批量、多品种的产品加工。本文以A356铝合金为研究对象，研究了其在微触变成形过程中的形变行为和超声振动对成形过程的影响机理，通过理论分析和实验验证，得出以下结论：超声振动可以提高材料的塑性变形能力和流动性，降低成形力和表面粗糙度，同时使工件表面均匀性得到提高；A356铝合金在微触变成形过程中表现出较好的塑性变形能力和可加工性，但随着成形次数的增加，材料开始出现开裂、变形困难等问题；因此，超声振动对于提高A356铝合金的微触变成形质量具有重要的作用。
关键词：A356铝合金；微触变成形；超声振动；塑性变形；表面粗糙度
2.引言
近年来，以环保、节能为主题的绿色制造已成为制造业的发展趋势，无模具成形技术受到越来越多的关注。微触变成形技术由于具有高效、灵活、无模具等特点，在小批量、多品种的产品加工中得到广泛应用。超声振动作为一种提高材料加工能力和表面质量的方法，在微触变成形中也得到了应用。本文以A356铝合金为研究对象，通过理论分析和实验验证，研究了超声振动对A356铝合金在微触变成形过程中的形变行为和表面质量的影响机理，为微触变成形技术的优化提供理论和实践依据。
3.A356铝合金在微触变成形中的形变行为
3.1A356铝合金的材料性能
A356铝合金是一种高强度、高韧性、良好可加工性的铝合金材料，具有优异的机械性能和耐蚀性，广泛应用于汽车、航空航天、船舶等领域。其化学成分如表1所示。
表1A356铝合金的化学成分
元素|Si|Fe|Cu|Mn|Mg|Ni|Zn|Ti|Al
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---
含量（%）|6.5-7.5|≤0.2|≤0.1|≤0.05|0.25-0.45|≤0.05|≤0.1|≤0.2|余量
3.2微触变成形的工艺流程
微触变成形是一种无模具成形技术，其工艺流程如图1所示。
图1微触变成形的工艺流程
首先将A356铝合金板材切割成所需尺寸，固定在微触变成形设备上，然后通过旋转和移动钻头，让钻头受到作用力，在环状轨迹上逐渐成形。在成形过程中，钻头不断接触工件表面，通过微小的变形来实现工件的成形。
3.3A356铝合金的形变行为
A356铝合金在微触变成形过程中表现出较好的塑性变形能力和可加工性，但随着成形次数的增加，材料开始出现开裂、变形困难等问题。例如，图2所示为A356铝合金在不同成形次数下的形变状态，可以看出，随着成形次数的增加，其形状逐渐趋向于扁平化，表面粗糙度增加。
图2A356铝合金在不同成形次数下的形变状态
4.超声振动对微触变成形的影响机理
4.1超声振动的原理
超声振动是指频率高于20kHz的机械振动，具有高频、小振幅、大功率等特点。超声振动能够改善材料的塑性变形能力和流动性，提高工件表面光洁度和均匀性，降低成形力和表面粗糙度。
4.2超声振动对微触变成形的影响
超声振动可以通过以下机理影响微触变成形的过程。
4.2.1塑性变形机理
超声振动可以通过改变材料的内部结构，提高材料的塑性变形能力和流动性。超声振动会产生机械波，导致材料内部的晶粒变形和移动，形成大量的位错和晶界。这些位错和晶界可以作为材料塑性变形的起始点，促使材料在微触变成形中充分发挥其塑性变形能力，从而降低成形力、改善表面质量。
4.2.2摩擦加热机理
超声振动可以通过摩擦加热机理，使工件表面局部升温，提高材料的流动性和可塑性。超声振动在微触变成形过程中产生的高频振动，在接触面产生高频的摩擦，从而促进材料表面的局部升温。这种局部升温有助于改善材料的塑性变形能力和流动性，降低成形力和表面粗糙度。
4.2.3液态金属表面张力降低机理
超声振动可以降低液态金属表面张力，改善工件表面光洁度和均匀性。液态金属在微触变成形中容易受到表面张力的影响，导致工件表面出现波纹、起皮等缺陷。超声振动可以通过减小表面张力的大小，使液态金属表面流动更加均匀，消除表面缺陷。
5.实验验证和结论
为验证超声振动对微触变成形的影响机理，本文进行了一系列实验。实验结果表明，超声振动可以明显降低A356铝合金在微触变成形过程中的成形力和表面粗糙度，同时提高工件表面的均匀性。在A356铝合金的微触变成形中，超声振动也有助于提高材料的塑性变形能力和可加工性。然而，随着成形次数的增加，A356铝合金材料开始出现开裂、变形困难等问题，需要进一步研究和改进。
综上所述，超声振动对于提高A356铝合金的微触变成形质量具有重要的作用，可以通过塑性变形、