超声振动辅助介观尺度半固态金属成形机理和实验研究

摘要

在国家自然科学基金项目“超声振动辅助介观尺度半固态金属微触变成形的理论和方法研究”(项目批准号:50775203)的资助下，本论文将超声振动辅助成形方法和半固态成形技术引入到介观尺度金属零件的微成形过程中，开展了超声振动辅助介观尺度半固态金属微触变成形新工艺的理论和实验研究。首先，针对半固态A356铝合金材料，采用有限元仿真软件ABAQUS进行了超声振动辅助半固态镦粗、微凸台成形、挤压等成形工艺的模拟仿真，并研究了超声振动在半固态金属成形过程中的作用机制。同时，对超声振动辅助介观尺度半固态金属成形的实验平台进行了研制。以半固态A356铝合金材料为研究对象，以超声辅助镦粗实验为研究方法，建立了超声振动力场作用下的半固态A356铝合金的粘塑性材料本构模型。最后，进行了超声振动辅助半固态A356铝合金微凸台触变成形实验研究，并研究了在不同工艺参数（超声强度、超声作用时间、成形速度、坯料温度、成形力等）和不同上模结构条件下，超声振动对微凸台成形效果的影响规律，获得了使微凸台成形效果相对较好的成形过程工艺参数和模具结构。论文研究成果对于理解在半固态成形中超声振动的作用机制、超声振动力场作用下的半固态金属材料粘塑性本构模型以及超声振动辅助半固态金属微触变成形的应用等方面均具有指导意义。
　　第1章，对本学位论文研究的背景与意义进行了阐述，对国内外超声振动辅助材料成形技术和半固态成形技术的研究现状进行了概述，提出了超声振动辅助介观尺度半固态金属成形机理及实验的研究方向。在此基础上，提出了本学位论文的主要研究内容和论文框架。
　　第2章，针对半固态A356铝合金材料，采用有限元仿真软件ABAQUS，进行了超声振动辅助半固态镦粗、微凸台成形、挤压等成形工艺的模拟仿真，获得了超声振动半固态金属成形过程中的作用效果，并研究了超声振动在半固态金属成形过程中的作用机制。
　　第3章，提出了超声辅助介观尺度半固态金属成形实验系统的设计方案，研制了具有分体式结构的超声变幅杆和适用于热成形的超声振子，并制作了超声辅助介观尺度半固态金属成形实验系统。
　　第4章，建立了超声振动力场作用下半固态A356铝合金的粘塑性材料本构模型，通过超声振动辅助半固态镦粗实验，获得了不同超声强度和不同坯料固相率下半固态A356铝合金的应力-应变曲线，并利用该本构模型对实验得到的应力-应变数据进行了拟合，得到了本构模型中各参数的表达式。
　　第5章，进行了超声振动辅助半固态A356铝合金微凸台成形实验，提出了微凸台成形效果的评价参数，研究了在不同工艺参数（超声强度、超声作用时间、成形速度、坯料温度、成形力等）和不同上模结构条件下，超声振动对微凸台成形效果的影响规律，获得了施加超声振动后微凸台成形效果相对较好的成形过程工艺参数和模具结构。
　　第6章，对论文的主要研究工作进行了总结，并对后面的研究工作进行了展望。

目录

声明

摘要

致谢

1 绪论

1．1 论文研究的背景与意义

1．2 半固态金属成形技术的国内外研究现状

1．2．1 半固态金属成形工艺和方法研究现状

1．2．2 半固态金属材料本构模型研究现状

1．2．3 日前有待深入研究的问题

1．3 超声振动辅助材料成形技术国内外研究现状

1．3．1 超声振动辅助材料冷成形技术研究现状

1．3．2 超声振动辅助材料热成形技术研究现状

1．3．3 目前有待深入研究的问题

1．4 论文主要研究内容与框架

1．5 本章小结

2 超声振动辅助半固态金属成形仿真分析及超声作用机制研究

2．1 引言

2．2 超声振动辅助半固态A356铝合金成形仿真分析

2．2．1 超声振动辅助半固态A356铝合金镦粗成形仿真分析

2．2．2 超声振动辅助半固态A356铝合金微凸台成形仿真分析

2．2．3 超声振动辅助半固态A356铝合金正挤压成形仿真分析

2．2．4 超声振动辅助半固态A356铝合金反挤压成形仿真分析

2．3 超声振动在半固态金属成形中的作用机制分析

2．4 本章小结

3 超声振动辅助介观尺度半固态金属成形实验系统的研制

3．1 引言

3．2 超声振动辅助介观尺度半固态金属成形实验系统的方案设计

3．3 超声振动系统中超声振子结构的设计

3．3．1 超声交幅杆的结构设计

3．3．2 带加工工具的超声变幅杆的模态分析

3．3．3 带加工工具的超声变幅杆的谐响应分析

3．3．4 超声振子冷却通道设计

3．3．5 变幅杆最终结构参数确定及加工制造

3．4 超声振动辅助介观尺度半固态金属成形实验系统的制作

3．5 本章小结

4 超声振动力场作用下半固态A356铝合金材料本构模型研究

4．1 引言

4．2 超声振动力场作用下半固态A356铝合金的材料本构模型的建立

4．3 超声振动力场作用下半固态A356铝合金材料本构模型的参数求解

4．3．1 超声强度对A356铝合金应力-应交关系的影响规律

4．3．2 坯料固相率对A356铝合金应力-应交关系的影响规律

4．3．3 超声力场作用下半固态A356铝合金材料本构模型的参数求解

4．4 本章小结

5 超声振动辅助半固态A356铝合金微凸台成形实验研究

5．1 引言

5．2 微凸台成形效果的评价参数

5．3 超声振动参数对微凸台成形效果的影响

5．3．1 超声强度对微凸台成形效果的影响

5．3．2 超声作用时间对微凸台成形效果的影响

5．4 成形速度对微凸台成形效果的影响

5．5 坯料温度对微凸台成形效果的影响

5．6 上模结构对微凸台成形效果的影响

5．7 成形力对微凸台成形效果的影响

5．8 本章小结

6 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目及获得的科研成果