文 献 综 述
随着材料科学的发展,粉末冶金技术在新材料和难熔材料的制备、加工、成形中体现出的优势,使其越来越受到人们的重视。粉末冶金制品由于具有一定的孔隙,其强度和韧性与致密金属相比大大降低,因而难以在高负荷条件下使用。因此,如何提高粉末冶金制品的密度,从而提高其物理性能和力学性能成为了粉末冶金行业的研究热点。
目前，关于超声振动辅助成形技术的研究主要包括三个方面：在传统塑性成形方法的基础上施加超声振动，并根据实验的结果分析振动频率及载荷振幅对成形质量和成形极限的影响；结合超声振动物理实验和数值模拟，建立可靠的理论模型，从而定量地分析超声振动参数对成形结果的影响；从数学出发，以目前达成共识的应力叠加效应、软化效应、摩擦效应等为基础，建立相应的理论模型，并设计相应的物理实验来验证。
其中，国内外学者就超声振动成形有不少研究工作，具体如下：
1.1超声振动粉末压制中的应用
李祺 [1]提出新的提高粉末冶金制品的密度的超声粉末压制方法，以纯铁粉为原料进行压制实验，研究超声振动对粉末冶金制品密度的影响。发现超声振动能促进粉末颗粒内部的运动与重排，降低粉末颗粒与模壁之间的摩擦，同时也有利于降低粉末塑性变形阶段的冷焊与加工硬化程度；与常规压制相比，超声压制的压坯密度提高0.1～0.3 g/cm3，轴向最大密度差降 0.16 g/cm3，孔隙率降低4.3%；随着压制力提高与压制时间增加，超声振动对提高压坯密度的效果更明显，粉末压坯密度进一步提高。
李祺[2]设计了超声波换能器保护与预紧力加载方式，研制了超声粉末压制试验装置。通过有限元仿真分析,研究了挤压杆结构尺寸与其固有频率间的变化规律,确定了与超声波换能器谐振频率相匹配的挤压杆结构尺寸。根据超声粉末塑性成形机理和超声减摩效应，对超声粉末压制成形过程进行了有限元仿真，发现超声振动引起的摩擦系数降低,使粉末压坯的内部的等效应力分布更均匀，减少了粉末压坯脱模时因内应力分布不均产生的压坯破损,降低了压制压力沿压制方向的损耗,提高了粉末压坯的密度和均匀性。最后他以纯铁粉为原料,开展了超声粉末压制试验研究,对比分析了常规压制与超声压制压坯密度随压制压力的变化规律。500-700MPa压制压力条件下，超声压制比常规压制的压坯密度最大提高了0.3g/cm3。发现超声粉末压制可有效提高粉末压坯密度与均匀性,降低压制压力沿轴向的损失,可较大程度的改善压坯的质量和力学性能。提出所研究的工艺方法和研制的试验装置可广泛应用于其它粉末冶金材料的压制研究。
周红生团队[3]发现了对于众多种类的粉体材料以及较难加工的高分子材料等，超声粉体压制技术能够较大程度上适合，制得的压坯密度和均匀度能有效提高，而且压制过程环保、安全。国内外开展了金属粉末、无机物中的陶瓷粉末、高分子材料中的塑料粉末，以及高分子含能材料的复合粉末等的超声压制成形研究，取得了许多成果，大大促进了超声压制粉体成形技术在国民经济和国防建设中的广泛应用。
Shinichi Kikuchi团队[4] 利用超声振动技术，研制了28 kHz超声径向振动模和40 khz纵向振动冲床，用于粉末压实强化，制备了三维磁芯。通过一种有限元法设计的方法，设计出了一种超声压实工具。这个压实机构会使上下冲头在受到纵向振动的驱动，这样试样侧壁会受到模具径向振动的超声激励。并给出了圆柱形试样的压缩实验结果。通过电导纳测量、振动分布测量和高幅值运行试验，对振动系统的性能进行了评价。利用研制的振动系统和榨油机对中程静压进行了试验，证实了超声波振动应用引起的密度明显增加。
Necati Ozkan团队[5] 建立了一个简单的压实几何模型，在压实过程中对压缩应力进行了表征，测定了其强度和密度分布。他发现，随着压实料宽高比的增大，透射压力减小。壁面润滑状态对传动比影响较大。传动比随着有效润滑剂在模具壁上的应用而增加。他在采用显色层法和间接硬度法对氧化铝压实料中的密度分布进行了实验测定，发现两个实验的结果是一致的。压实物的密度最大的部分(从顶部单向压下)位于顶部的外圆周，密度最小的部分位于底部的外圆周。致密物表面附近的密度随着致密物顶部到底部高度的增加而减小。在随着展弦比的增大，致密部分与致密部分的密度差增大。利用一阶预测模型对氧化铝压实料的密度分布进行了估计。压缩体高度沿线的平均密度随高度的增加而线性减小。
1.2 超声振动对材料性能的影响
Hyun Rok Cha团队[6]研究了超声压缩的可压缩性，发现在超声环境下使用大功率软磁电机机芯在提高压缩密度时的影响因素。为了达到理想密度7.4 g/cm3所需输入功率为6000W。6000W输入功率稳定驱动的振子数量必须大于12个。通过对铁损的分析，发现SMC在高输出功率和高频范围内的铁损均低于电钢板。
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