實(shí)驗(yàn)名稱：超聲輔助聚氨酯沖裁工藝研究

研究方向：復(fù)合材料

測試目的：

聚氨酯沖裁是一種典型的柔性模沖壓技術(shù)，采用聚氨酯制成的富有彈性的彈性墊替代傳統(tǒng)剛性模具中的凸、凹模，將聚氨酯彈性體墊與金屬模具配合，以實(shí)現(xiàn)沖裁。最早的柔性模沖壓技術(shù)起源于19世紀(jì)末，該技術(shù)可在一定程度上解決沖裁過程中出現(xiàn)的劃擦問題。此后，柔性模沖壓技術(shù)經(jīng)過不斷的發(fā)展日趨成熟，并在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其中最著名的就是采用格林橡膠模沖壓法制造的飛機(jī)面板[6]，由此可見該技術(shù)可用于加工精度較高、缺陷較少的零件。雖然柔性模沖壓及微沖裁技術(shù)都已有了較成熟的機(jī)理研究和應(yīng)用，但仍存在一些問題，例如：①凹、凸模對中精度較高，難以對中；②利用聚氨酯沖孔的方法缺少能夯實(shí)理論基礎(chǔ)的力學(xué)仿真；③聚氨酯沖孔對模孔深度有較高要求，通常得到的沖孔圓角帶過大。針對上述問題，本文主要研究了以下內(nèi)容：①設(shè)計(jì)并搭建了聚氨酯微孔陣列沖裁裝置，并進(jìn)行單因素沖裁實(shí)驗(yàn)；②探究了沖孔直徑和斷面質(zhì)量隨板料厚度、模孔深度、沖裁力及沖裁速度變化的規(guī)律；③采用解析法設(shè)計(jì)變幅桿，進(jìn)行了有限元優(yōu)化，并進(jìn)行超聲輔助聚氨酯微孔陣列沖裁實(shí)驗(yàn)，探究超聲振動(dòng)對沖裁過程的優(yōu)化作用。

測試設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器、ATA-4052功率放大器、換能器、變幅桿；

實(shí)驗(yàn)過程：

圖：超聲輔助聚氨酯微孔陣列沖裁裝置的模型

主要模塊包括由換能器、變幅桿等組件組成的超聲模塊，由模柄套筒、上模架、下模架等構(gòu)成的模架模塊及由沖頭、容框凹模、頂桿、聚氨酯墊等構(gòu)成的模具模塊。

圖：裝置實(shí)物圖

可見換能器、變幅桿和沖頭裝配成超聲模塊，換能器和變幅桿之間使用緊固螺栓連接；通過變幅桿的法蘭盤將超聲塊安裝于上模架的上表面，法蘭盤下方的定位臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)選用信號(hào)發(fā)生器和ATA-4052功率放大器組成超聲模塊中的超聲電源，用于提高頻率固定的高頻振蕩符號(hào)。信號(hào)發(fā)生器是一款功能較全面的雙通道函數(shù)/任意波發(fā)生器，其輸出正弦波形頻率可達(dá)60MHz，采樣率達(dá)500MSa/s，但存在輸出信號(hào)幅度最大值較小的問題，并不能滿足加工所需的振幅，故需搭配ATA-4052超聲功率放大器以放大其幅度。二者共同作用維持了超聲波振動(dòng)振幅的穩(wěn)定輸出。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

（1）本文設(shè)計(jì)了一套聚氨酯微孔陣列沖裁的裝置，設(shè)計(jì)并裝配了超聲輔助模塊，進(jìn)行了超聲振動(dòng)優(yōu)化聚氨酯沖裁工藝研究。首次提出了在一個(gè)沖壓行程內(nèi)先后完成剛性模落料和柔性模沖孔的特殊工藝。通過單因素實(shí)驗(yàn)探究了模孔深度、沖裁力和沖裁速度對沖裁過程和加工件質(zhì)量的影響規(guī)律，驗(yàn)證了超聲振動(dòng)優(yōu)化工藝和改善沖裁件質(zhì)量的作用。

（2）通過設(shè)計(jì)、裝配超聲模塊進(jìn)行振幅的測量，發(fā)現(xiàn)振幅隨著電源信號(hào)輸入幅度的增加而增大。超聲輔助聚氨酯微孔陣列沖裁實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，深度分別為200、300、400μm的?？拙軟_孔成功，并得到帶有微孔陣列的落料件；調(diào)整電源信號(hào)幅度進(jìn)行超聲輔助沖裁實(shí)驗(yàn)，并對沖孔斷面進(jìn)行觀測，結(jié)果表明，超聲振動(dòng)能改善沖孔的斷面形貌，且隨著振幅的增加，沖孔斷面光亮帶的比例由未施加超聲振動(dòng)時(shí)的57%增大到81%，斷面質(zhì)量得到顯著改善。

安泰ATA-4052高壓功率放大器：

圖：ATA-4052高壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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