特种能场辅助微塑性成形技术研究及应用

特种能场辅助微塑性成形技术是利用声、光、电、磁等特殊能量源对微型零件变形过程进行调控的先进制造技术。特种能场已被证明在宏观尺度下对于降低零件加工难度、提高尺寸精度、改善材料微观组织、提升构件力学性能、提高表面质量等存在促进作用。然而,在微塑性成形过程中,材料的变形特性在尺寸效应的影响下与宏观情况存在一定差异。梳理了特种能场辅助微塑性成形技术的研究进展,总结了微型零件在特种能场辅助下的成形特点。其中,着重综述了超声场辅助微成形中体积效应和表面效应的宏观表现及微观机理,展示了多种微成形工艺中超声场对微型零件成形质量的提升效果。同时,重点概述了电场辅助微成形时材料力学性能及微观组织演变规律,剖析了电致塑性效应产生的本质原因。此外,列举了激光、电磁、高压流体等其他特种场辅助微成形的原理及作用效果。最后,对特种能场辅助微成形的发展趋势进行了展望。     

电流辅助微成形技术研究进展

高强难变形金属材料微成形中普遍存在成形温度高、表面氧化严重、模具寿命低等问题,迫切需要发展提高难变形材料微成形潜力的新原理、新方法和新工艺。电流辅助微成形技术可以明显改善材料的塑性流动能力、优化微观组织、改善表面质量、提升构件综合力学性能,在突破高强难变形材料制造瓶颈方面具有巨大潜力。基于此,从电流诱发的非热电致塑性效应(电子风)、焦耳热效应和次生效应(裂纹愈合、局部电势)等方面综合评述了电致塑性效应的物理机制,分析了电流激励下材料成形性和应力降等力学性能的响应规律,并从电流对材料回复、再结晶及相变等微观组织的影响方面探讨了电致塑性效应的微观作用机理,进而讨论了近年发展的一些电流辅助微成形工艺,总结并提出了电流辅助微成形技术在理论和工艺方面面临的挑战。     

5A06铝合金TIG丝材-电弧增材制造工艺

选用Φ1.2mm的5A06铝焊丝为成形材料,研究TIG丝材-电弧增材制造工艺。以TIG焊机为电源(交流模式),以四轴联动数控机床为运动机构,研究单层和多层成形时预热温度和电流对成形形貌的影响,观察成形件微观组织,并测试其力学性能。建立了单层单道基板预热温度和电弧峰值电流工艺规范带判据,以保证良好成形。结果表明:成形件的高度从第一层的3.4mm急剧下降,直到第8层后高度稳定在1.7mm。层间组织为细小的树枝晶和等轴晶;层间结合处组织最粗大,为柱状树枝晶;顶部组织最细小,由细小的树枝晶转变为等轴晶。成形件的力学性能各向同性,抗拉强度为295MPa,伸长率为36%。     

反复折弯校直工艺研究进展

反复折弯校直属于剧烈塑性变形工艺之一,通过折弯和之后的校直在材料内部产生剪切变形,细化材料组织.介绍了反复折弯校直工艺的原理、方法及反复折弯校直变形分布特征、微观组织及材料力学性能,并提出了反复折弯校直工艺的研究方向.     

5A06铝合金微槽道薄板件等温振动辅助成形研究

目的研究成形速度、坯料晶粒尺寸以及振动加载,对5A06铝合金微槽道薄板件等温振动辅助成形效果的影响规律。方法改变坯料热处理参数、冲头运动模式等进行等温振动辅助成形实验,通过分析成形件梯形筋的充填率,研究了其成形效果。结果通过减小成形速度、降低晶粒尺寸、增加振动辅助加载,可以显著提高梯形筋的充填率,改善成形效果。结论等温振动辅助成形可以用于结构复杂、成形困难的微槽道薄板件的批量生产。合缝折弯,上模头压至最低点时工件开口接近42 mm,折弯回弹后开口尺寸在50~60 mm之间。     

塑性微成形技术研究进展

随着微纳米科学和微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)技术的快速发展,人们对微型零件的需求日益增加。塑性微成形是一种采用塑性变形,成形零件尺寸至少有两个方向在亚毫米量级的微制造方法,具有加工效率高、工艺简单以及成形零件性能优异和精度高等特点,特别适合于微型零件的低成本批量制造。介绍了塑性微成形技术的研究背景、应用领域及其优点,综述了微成形在尺度效应、新设备以及工艺方法等方面的最新研究进展,并论述了微成形技术在新材料(超细晶材料及非晶材料)方面的发展趋势。     

细晶T2紫铜微小齿轮体积微成形研究

目的提高体积微成形件的成形质量。方法利用等径角挤压工艺,沿BC路径对T2紫铜试样进行了8个道次的挤压,获得了延伸率高达56.7%的细晶材料。选择DEFORM软件对微小齿轮的成形过程进行了有限元分析,得到了合适的成形工艺参数。结果利用不同组织的材料,成形出了最小模数为0.1 mm,分度圆直径为1 mm的微小齿轮件。结论实验结果表明,与常规多晶材料相比,细晶材料成形的微小齿轮的尺寸精度有了较大提高。     

基于微塑性成形的微型零件批量制造技术

针对微塑性成形工艺的特点,选择压电陶瓷作微驱动器,研制出微塑性成形专用设备,实现了在较小位移内获得较大输出载荷.使用研制的设备开展微型零件成形工艺研究.对微型齿轮件的成形质量进行分析表明,微型齿轮齿面光滑,表面质量好;在横截面上流线与齿轮轮廓一致,利于提高成形件的综合机械性能.使用3003铝合金箔板研究了微型杯的拉深成形工艺,分析了工艺参数对微拉深成形的影响规律,成功的拉深出最小外径为1mm的微型杯件.以上结果表明,微塑性成形技术能够批量地成形出高质量的微型零件.     

基于浮动式模具成形微型齿轮工艺研究

鉴于摩擦对微型零件塑性微成形过程的影响随表面积与体积之比增加而显著增大的现象,本文对微型齿轮零件成形设计了浮动式微型模具结构,并进行了等温成形实验研究.结果表明：可浮动凹模将摩擦阻力变为积极摩擦力,提高了坯料向模腔的填充能力,有效降低了成形载荷;对成形件的分析表明,成形件有良好的表面质量和微观组织结构.     

304不锈钢箔带微拉深成形性能研究

目的 探究退火温度对厚度为20 μm的奥氏体304不锈钢（ASS 304）箔带微拉深成形性能的影响规律。方法 将ASS 304箔带分别在850~1 050 ℃下进行退火处理以获得不同的微观组织，基于退火试样和精密微型落料–拉深复合模具，开展微拉深成形试验并制备出外径为1.6 mm的杯状微拉深成形件，并通过高分辨率激光扫描电镜进行微拉深成形件表面形貌的观测和分析。结果 ASS 304箔带的微拉深成形性能受到尺度效应的显著影响。当退火温度为850 ℃时，强烈的材料各向异性导致微拉深成形件出现严重的起皱现象；经900 ℃退火后，MDD成形件的起皱现象有所抑制，但依旧不均匀；当退火温度为950 ℃时，ASS 304箔带主要由再结晶后形成的细小等轴晶构成，材料各向异性得到明显改善，起皱现象得到抑制；当退火温度进一步升高到1 000 ℃甚至1 050 ℃时，晶粒的长大导致各向异性增强、塑性降低，显著影响了微拉深成形件的成形质量。结论 适宜的退火温度有助于改善ASS 304箔带的微观组织，进而改善材料的力学性能及成形性能。950 ℃是获得具备高成形质量及表面质量的ASS 304微拉深成形件的较优退火温度。     

强变形制备超细晶金属材料的方法

强变形是细化晶粒的有效方法,甚至可以制备纳米材料,最近十几年来大量的强变形方法涌现出来,研究也越来越多.介绍了等通道角挤压、高压扭转、连续限制带材角轧挤、循环挤压、限制斜槽压缩、反复弯曲校平、累积叠轧焊等方法,回顾了各种方法可以得到的最大应变量、细化晶粒效果及应变量计算公式.阐述了强变形及剪切变形细化晶粒的机制.     

镍基高温合金初始织构对电辅助拉伸宏微观行为的影响

目的研究织构对镍基高温合金电辅助成形的影响规律。方法通过准静态拉伸与电辅助拉伸对比实验,研究了不同初始织构对镍基高温合金电辅助成形宏观力学行为以及微观组织演化的影响规律。结果当初始织构为易变形织构时,拉伸后的纤维织构峰值较低,而电辅助拉伸过程中焦耳热使得试样温度升高,变形抗力得到下降,在一定程度上增大了纤维织构的强度。当初始织构为难变形织构时,材料变形抗力大,拉伸后纤维织构峰值较高,但材料变形过程晶粒细化程度高,缺陷的增多导致电辅助成形过程中焦耳热更为明显,焦耳热导致的高温使得难变形晶粒变形更为协调,最终的纤维织构强度有所下降。结论不同的初始织构对电辅助成形宏微观行为有较大的影响,因此合理利用织构在电辅助成形过程中的影响以完善电辅助成形工艺十分重要。     

等通道转角挤压制备超细晶材料的研究与发展

等通道转角挤压(Equal channel angular pressing,ECAP)是大塑性变形制备超细晶材料的方法之一,具有大晶粒尺寸的材料可以在室温下挤压达到超细晶尺度。从ECAP模具参数、工艺条件影响因素、模具及制备方法改进、细化机理、制备的超细晶材料组织稳定性及性能方面进行总结,并结合部分研究结果可知,ECAP模具正在不断被优化和改进,复合挤压技术不断出现,目前已实现超细晶材料的连续ECAP挤压制备技术。等通道转角挤压的晶粒细化主要是由于剪切力的作用和第二相粒子的作用,ECAP晶粒细化机理及组合工艺的研究是目前研究的热点。超细晶材料在不同领域的应用对其性能提出的更高要求,对其大塑性变形制备技术本身也是挑战。     

Lokale Hochverformung zur Erzeugung von ultrafeinkörnigen Zonen

Local severe plastic deformation for producing ultrafine‐grained regions The methods of severe plastic deformation are able to produce semi‐finished products with a homogenous ultrafine‐grained microstructure. An alternative option is the formation of ultrafine‐grained layers or rather a gradation of the grain size. The qualification of incremental bulk forming processes is concluded from an analysis of methods for producing ultra fine‐grained materials and the kneading in cyclic forming. Spin extrusion is investigated regarding the formation of ultra fine‐grained regions. Tests are carried out to analyse the grain refinement in cyclically deformed regions.     

金属超细晶表面机械处理技术研究进展

金属的组织和结构直接影响了其使用性能,为满足复杂服役环境对材料力学性能和表面性能的特殊需求,近年来金属表面机械处理技术快速发展,并得到了广泛利用.主要综述了表面机械压入式梯度变形、表面碾磨式梯度变形、表面滚压式梯度变形和表面组合式梯度变形工艺等典型金属表面机械处理技术.总结了各种具体工艺方法,及其得到的金属微观结构特点和性能变化,最后展望了金属表面机械处理技术的发展趋势,未来该技术的发展应面向大规模、产业化的生产应用,进一步研究多因素共同作用下的金属晶粒细化机制,实现大尺寸、内部微观结构可控的纳米材料的高效制备.     

镍基合金的热变形行为及智能热加工技术研究进展

镍基合金具有优异的高温强度,良好的抗疲劳、抗氧化和抗腐蚀性能,是目前航空航天领域内应用最为广泛的金属材料之一,已成为航空发动机热端部件不可替代的关键材料.镍基合金的高温变形抗力大、成形温度范围窄、微观组织演变复杂,给镍基合金零件的成形制造带来了巨大挑战.综述了近年来镍基合金的高温流变规律及建模、微观组织演变规律与建模、热加工工艺优化、热处理调优等方面的研究进展,讨论了镍基合金零件的智能加工技术发展现状,并展望了镍基合金及其零部件成形技术的发展趋势.获得如下重要结论:镍基合金的高温流变行为表征模型主要有唯象学本构模型、基于物理机制的本构模型和智能本构模型;镍基合金在塑性变形过程中的微观组织演变主要包括动态再结晶、亚动态再结晶、静态再结晶和晶粒长大行为;通过优化的锻后热处理工艺,可以减小组织的混晶程度;在镍基合金高温流变行为的本构描述与微观组织预测建模方面,还需深度挖掘成形工艺-微观组织-性能之间的映射规律,为镍基合金零件的高温成形工艺优化提供理论依据.     

数值模拟技术在微成形研究中的应用

微成形技术具备高生产效率、高材料利用率和优异的成形质量,是一种极具发展前景的高精度加工技术。数值模拟技术作为一种先进的研究手段,可以在塑性加工中对材料的变形和工艺可行性等进行评估和预测,达到节约生产成本、缩短研发周期的作用。主要综述了数值模拟技术在微成形研究中的典型应用。介绍了数值模拟技术在研究材料性质和材料变形方面的应用,包括利用Voronoi方法和晶体塑性方法建立金属多晶体模型,研究了微成形过程中材料的变形机制和尺寸效应,建立了材料摩擦函数、构建了零件粗糙表面,研究了微成形过程中的摩擦行为;将晶粒大小、晶体取向与板料模型相关联,研究了微成形过程中薄板的回弹行为和成形极限。除此之外,也介绍了近年来微成形领域的许多新成形技术,如激光辅助微成形、水射流增量微成形、超声辅助微成形,以及数值模拟方法在这些新微成形技术方面的应用。最后,总结了数值模拟技术在微成形研究中所起的作用,并展望了该领域的未来发展趋势。     

Modelling studies of sheet metal formability of friction stir processed Mg AZ31B alloy under stretch forming

Magnesium alloys have poor formability at room temperature. The formability can be improved through hot forming at the cost of deterioration in strength and other mechanical properties. Improvements in texture and grain refinement are the alternate ways for formability improvement. The economically viable process for such applications is alloying or grain refinement technologies like equal channel angular pressing (ECAP), friction stir processing (FSP), and accumulative roll bonding (ARB), etc. Friction stir processing is an emerging solid state microstructure modification technique that can produce homogeneous microstructure with fine-grains in a single pass. The desirable characteristics for sheet formability are the maximum limiting dome height under plane and biaxial strain deformation conditions and the major fracture strain limits through forming limit diagrams (FLDs). Equiaxed homogeneous microstructure with fine grains through FSP results in the enhancement of formability of the material. The objective of the present work is to establish the methodology for viable sheet metal forming practices by altering the process conditions. This needs a clear understanding of the friction stir processed Mg alloy under different strain conditions to get optimized process parameters.     

Constrained groove pressing for sheet metal processing

Constrained groove pressing (CGP) is a modern technique for developing ultrafine grain structures in sheet metals for inducing superior material properties. In CGP, the sheet metal specimens are subjected to repetitive corrugating and straightening under the plane strain deformation condition by utilizing alternate pressing with the asymmetrically grooved dies and flat dies. This induces a great amount of plastic strain in the sheet metal specimen without changing its initial dimensions. Over the last few years, CGP has gained significant importance for it being one of the most suitable techniques to fabricate sheet metals with superior and attractive properties. CGP can effectively refine the grain structure to a sub-micrometre level and at times, even to a nanometer level. Materials processed by CGP exhibit very high strength, high hardness and many other desirable properties. Numerous investigations were made on different materials like aluminium, copper, low carbon steel and nickel, and their properties were well documented in the scientific literature. This review summarizes most of the scientific results that were obtained by applying CGP to various materials and gives an outline of the applications of CGP in various industries. This review also discusses about the future scope of research on CGP and its benefits.     

超混杂纤维金属层板成形方法研究进展

纤维金属层板(Fiber Metal Laminate, FMLs)作为一类兼具金属和复合材料优势的超混杂材料,凭借其优异的性能在航空航天和汽车领域应用广泛,其中商业化最成功的是玻璃纤维增强铝合金层板。首先按照组成金属与增强纤维的种类将纤维金属层板的分类进行介绍,并对其历史背景与研究进展进行了回顾。由于各成形方法涉及的变形机理不同,结合成形过程中几何尺寸和工艺参数对FMLs成形性能的影响,对其回弹、起皱、分层和开裂等成形缺陷和成形难点进行了分析。综述了现阶段国内外自成形、冲压成形、喷丸成形、充液成形和激光成形等技术的发展与应用现状,并对每种技术的优缺点及适用零件的类型进行探究。深入讨论了现有成形技术所遇到的挑战,其中重点对充液成形与冲压成形进行介绍。此外,简要介绍了FMLs在成形过程中的变形机理、变形模式和成形质量。在对各方面因素进行全面分析的基础上,讨论了FMLs成形技术未来的发展方向与挑战,此工作对科研人员未来开发新的成形方法具有一定意义。