實驗名稱：超聲輔助聚氨酯沖裁工藝研究

研究方向：復合材料

測試目的：

聚氨酯沖裁是一種典型的柔性模沖壓技術，采用聚氨酯制成的富有彈性的彈性墊替代傳統剛性模具中的凸、凹模，將聚氨酯彈性體墊與金屬模具配合，以實現沖裁。最早的柔性模沖壓技術起源于19世紀末，該技術可在一定程度上解決沖裁過程中出現的劃擦問題。此后，柔性模沖壓技術經過不斷的發展日趨成熟，并在工業生產等領域得到了廣泛應用，其中最著名的就是采用格林橡膠模沖壓法制造的飛機面板[6]，由此可見該技術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都已有了較成熟的機理研究和應用，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理論基礎的力學仿真；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容：①設計并搭建了聚氨酯微孔陣列沖裁裝置，并進行單因素沖裁實驗；②探究了沖孔直徑和斷面質量隨板料厚度、模孔深度、沖裁力及沖裁速度變化的規律；③采用解析法設計變幅桿，進行了有限元優化，并進行超聲輔助聚氨酯微孔陣列沖裁實驗，探究超聲振動對沖裁過程的優化作用。

測試設備：信號發生器、ATA-4052功率放大器、換能器、變幅桿；

實驗過程：

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、下模架等構成的模架模塊及由沖頭、容框凹模、頂桿、聚氨酯墊等構成的模具模塊。

圖：裝置實物圖

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。

實驗選用信號發生器和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。信號發生器是一款功能較全面的雙通道函數/任意波發生器，其輸出正弦波形頻率可達60MHz，采樣率達500MSa/s，但存在輸出信號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振幅的穩定輸出。

實驗結果：

（1）本文設計了一套聚氨酯微孔陣列沖裁的裝置，設計并裝配了超聲輔助模塊，進行了超聲振動優化聚氨酯沖裁工藝研究。首次提出了在一個沖壓行程內先后完成剛性模落料和柔性模沖孔的特殊工藝。通過單因素實驗探究了模孔深度、沖裁力和沖裁速度對沖裁過程和加工件質量的影響規律，驗證了超聲振動優化工藝和改善沖裁件質量的作用。

（2）通過設計、裝配超聲模塊進行振幅的測量，發現振幅隨著電源信號輸入幅度的增加而增大。超聲輔助聚氨酯微孔陣列沖裁實驗結果顯示，深度分別為200、300、400μm的模孔均能沖孔成功，并得到帶有微孔陣列的落料件；調整電源信號幅度進行超聲輔助沖裁實驗，并對沖孔斷面進行觀測，結果表明，超聲振動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時的57%增大到81%，斷面質量得到顯著改善。

安泰ATA-4052高壓功率放大器：

圖：ATA-4052高壓功率放大器指標參數

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