Ультразвуковое формование – это технология формования с использованием ультразвуковой вибрации в верхней и нижней половинах формовочного штампа.

В целях исследования была проведена серия простых экспериментов с ультразвуковым формованием металлов, в ходе которых металлические образцы помещались между фасонными верхними и нижними половинами штампов в испытательном прессе. При этом обе половины формовочного штампа являлись частью настроенной ультразвуковой системы, которая в ходе экспериментов позволяла возбуждать ультразвуковые колебания.

Для количественного понимания механизма улучшения характеристик ультразвукового формования, включая, в частности, уменьшение напряжения текучести и силы пластической деформации материала, а также вибрационного напряжения и вибрационной силы, было проведено исследование на основе экспериментов и моделирования методом конечных элементов.

Результаты многих измерений показывают, что при наложении ультразвуковых вибраций на процесс формования происходит временное значительное размягчение материала металлических образцов. Это благоприятное воздействие можно связать с двумя главными механизмами – объёмным эффектом и поверхностным эффектом.

Первоначально предполагалось, что ультразвуковая вибрация поглощается преимущественно в местах её наложения, что позволяет уменьшить силы пластической деформации, однако результаты измерений содержат мало прямых подтверждений этой версии.

Позже было выдвинуто предположение о том, что объёмный эффект объясняется воздействием механизма вибрационного напряжения, что сопряжено с очень сильным уменьшением сил межатомного взаимодействия, а поверхностный эффект связан с изменением трения в поверхности раздела между нижней половиной штампа и металлическим образцом, благодаря чему уменьшается сила пластической деформации.

За последние 50 лет так и не было получено чёткого объяснения механизма размягчения материала при наложении ультразвукового возбуждения, однако результаты измерений дают ясно понять, что:

– возбуждение ультразвуковых колебаний вызывает размягчение материала даже при их низкой интенсивности;

– эффект размягчения является сиюминутным, а эффект температуры и частоты колебаний ничтожно малым;

– при интенсивностях ультразвуковых колебаний ниже порогового значения не обнаруживается никаких сохраняющихся изменений свойств материала, но такие изменения возникают при высоких амплитудах вибрации.

Тем не менее, совсем недавно в исследовании существенного эффекта, достигаемого при наложении ультразвукового возбуждения на традиционный процесс формования, был достигнут определённый прогресс.

Дело в том, что невнятные объяснения природы эффектов высокочастотной вибрации (включая эффекты наложения волн напряжений, акустического размягчения и снижения трения вследствие относительного движения в поверхности раздела между нижней половиной штампа и металлическим образцом) делают эти эффекты трудными для понимания. Научное и промышленное сообщество с сомнением воспринимало трактовку результатов прежних исследований в связи с недостатком экспериментальных и теоретических подтверждений.

В традиционной металлообработке вибрация применяется в различных технологических процессах, включая горячую и холодную высадку, волочение проволоки, волочение труб, экструдирование, резку и сверление. При этом для создания вибрации используются самые разнообразные ультразвуковые установки, которые традиционно делятся на 2 категории: маломощные и мощные.

В маломощных установках вибрация генерируется ультразвуком малой удельной мощности от 0,1 до 0,5 Вт/см², а в мощных – ультразвуком высокой частоты от 20 до 100 кГц и большой удельной мощности от 100 до 10000 Вт/см².

Изначально большинство ультразвуковых установок работало в диапазоне частот от 15 до 80 кГц, при этом самая распространённая частота ультразвуковой вибрации, использовавшаяся при ультразвуковом формовании металлов, составляла 20 кГц.

В качестве исследуемых металлических образцов раньше чаще всего применялись чистый алюминий и алюминиевые сплавы, а также другие коммерческие материалы, такие как сталь, медь, титан и жаропрочные сплавы.

Результаты ранних исследований показали, что отношение напряжение-деформация испытываемых на сжатие образцов из чистого алюминия, полученное при приложении ультразвуковых вибраций к нижнему рабочему столу пресса, может быть охарактеризовано как размягчение материала, временно действующее в течение интервалов ультразвукового возбуждения.

В ходе последних исследований этот эффект был рассмотрен в ходе выполнения серии простых экспериментов с формованием различных металлических образцов. Эти формовочные испытания проводились с использованием пьезоэлектрического динамометрического датчика для измерения значений силы вибрации во время ультразвукового возбуждения нижней половины штампа. Они показали, что эффект от наложения на неё ультразвукового возбуждения в большой степени зависит от формуемого материала, и что во многих случаях максимальная сила вибрации превышает статическую нагрузку при формовании даже при значительном сокращении средней формовочной нагрузки в течение интервала ультразвукового возбуждения.