微细特征模压成形实验研究与数值模拟

采用微孔模具,改变润滑条件和微孔尺寸,通过万能试验机对不同厚度的纯铜试件进行了微细特征模压成形的实验研究,同时对成形过程进行了数值模拟,分析并给出了微细特征模压成形时的主要变形区域以及成形力的变化特点.实验和模拟结果表明:微细特征尺寸越大,润滑状态越好,成形越容易;适当的坯料厚度可以降低成形的难度;微细特征成形在坯料较...     

微细立铣削硬铝2A12表面粗糙度分析与预测

利用自行研制的精密三轴联动立式铣床（300mm×300mm×290mm）,微径硬质合金两刃平头立铣刀（直径0．1～0．5mm）微立铣硬铝2A12,观察微铣刀悬伸量、直径、轴向切深和每齿进给量对加工表面粗糙度的影响．表面粗糙度由激光扫描共聚焦显微镜（奥林巴斯OLS3000）测量．结果发现微径立铣刀的直径和悬伸量对表面粗糙度的影响大于轴向切深和每齿进给量．另外,在刃口半径尺寸效应的作用下,表面粗糙度并不一直随每齿进给量的减小而减小．基于响应曲面法建立了表面粗糙度的二阶预测模型,方差分析表明该模型回归显著,拟合度为97．5％,可以用于预测表面粗糙度和优化工艺参数．     

微细槽的电化学铣削加工

为了研究不锈钢微细槽的电化学铣削加工技术,使用微细的、旋转的圆柱电极作为电化学加工的阴极,采用脉冲电压电化学加工技术用类似铣削加工的方法加工微细槽.研究了脉冲宽度对电极和微细槽侧面加工间隙的影响,并对微细槽铣削加工过程中的电场和流场进行了分析.在相同的电压幅值和平均电压条件下,脉冲宽度越大,侧面加工间隙越大.电场和流场分析表明,微细槽的侧面加工间隙和侧面倾斜度随着脉冲宽度的减小以及进给速度的增加而减小.当脉冲宽度小于工件表面双电层充电时间常数时,采用钝化电解液能够减小电化学杂散腐蚀和微细槽的侧面倾斜度.当脉冲宽度为0.4μs、进给速度为24μm/min时,微细槽的侧面倾斜度很小,侧面加工间隙达到10μm.实验结果表明,采用超短脉冲电化学铣削加工方法和合适的电解液,能够提高微细槽的加工精度.     

在微细电火花铣削中介质对电极损耗的影响

在微细电火花加工（EDM）中电极损耗是不可避免的,而针对电极损耗的研究大都是在油工作液中,很少针对气中放电时的电极损耗进行研究．气中电火花加工普遍采用管状电极,所以为了获得尺寸更小的工件,通过反拷块可磨削出微米级的实心电极,并采用外部充气的方式,可实现微米级三维结构的气中电火花加工．实验考虑了影响气中放电电极损耗的各种因素．通过观察微细电火花三维铣削放电现象与结果,可得到气中放电的规律．由于电火花加工中电极损耗是不可避免的,所以在三维铣削加工中对电极进行在线检测并补偿,工件成形精度大大提高．对刀具路径进行合理规划,可以缩短加工时间．与油中电火花铣削相比,气中电火花加工时电极损耗更低,加工表面质量更好．     

微细铣削振动信号特征参数的主成分分析

铣削振动是描述微细铣削加工状态的重要特征参数. 利用微小型车铣加工中心、压电加速度计和多通道电荷放大器建立了微细铣削振动测试系统,分别提取了不同铣削方式和铣削转速条件下微细铣削振动信号的时域特征参数和频域特征参数. 针对特征参数数量繁多且变化趋势不一致的特点,引入主成分分析方法,利用主成分分别对时域和频域特征参数进行替换,定量描述出振动信号的能量和差异,以及主频带位置和能量分散程度之间的关系. 分析结果表明,通过时域与频域特征参数主成分的综合运用,应用较少的参数即可描述微细铣削振动信号的主要特征,显著降低了原始数据维数; 主成分分析结果可用于铣削方式和铣削转速等微细铣削加工参数的优化.     

多轴微细铣削机床的精度设计方法研究

高精度机床是实现微细加工的基础,目前对其设计主要还是依赖于经验或直观地根据加工精度要求来选取各个运动轴的精度,不能满足多轴微细铣削机床设计的需要. 以精度分析与精度分配为主要内容的精度设计方法,针对一种新型桌面五轴联动微细铣削机床,构建主要包括各运动轴定位精度的运动误差模型,求解各运动轴精度对末端精度的影响分布趋势,完成精度分析. 基于末端运动精度要求和关键设计参数,合理设置直线轴与旋转轴的精度要求,在工作空间内分别对B轴和C轴依次进行精度求解,实现各运动轴的运动精度优化与分配, 指导设计时科学地对各运动轴零部件进行选型.此设计方法对于多轴联动的中大型机床设计也具有一定的推广价值．     

微细超声工作台的设计与微振幅测量

微细超声工作台是微细超声加工机床与微细超声振动辅助加工机床的关键零部件,其振幅值直接影响加工精度与加工效率。传统的振幅测量方法很难准确的测出微细超声工作台的微振幅。基于精密微三维运动平台的高分辨率,提出了一种恒力控制的微振幅测量方法,成功的测量出能精确到0.1微米的微振幅。本文首先对微细超声工作台中的微细超声振动系统进行了理论设计,然后采用基于恒力控制的超声振幅测量方法,对不同功率作用下的微细超声振动系统的振幅值进行了测量。     

基于尺度效应的微细薄板本构模型的建立

为了研究厚度对微细板料成形性能的影响,采用厚度分别为0.1、0.2,0.3,0.4,0.5 mm和1 mm的AISI 304不锈钢薄板进行单向拉伸实验.实验结果表明,当板料厚度小于1 mm时,材料的流动应力随着试样厚度的增大而增大,表现出比较明显的尺度效应.在拉伸实验的基础上,将板料厚度因子引入Swift模型,建立了基于尺度效应的微细薄板的本构模型.该模型的计算结果和实验数据吻合较好.     

基于Abaqus的微铣刀几何结构参数优化

针对微细铣削加工过程的特点,建立了微铣刀结构模型并利用Pro E软件进行了微细铣刀的结构设计,采用Abaqus软件通过有限元仿真方法比较不同结构参数的微铣刀的模态及抗断裂强度,获得了各阶模态固有频率和振型,以及微铣刀结构上的应力分布情况与特点,分析了刃口直径为50μm微铣刀的刀具悬伸量及刀具尖端几何形状对刀具性能的影响,从而获得了适合加工的几何结构参数.通过聚焦离子束(FIB)方法制备了刃口直径为50μm的微铣刀,在不同基底材料上进行了微铣削加工实验研究,并通过扫描电子显微镜(SEM)高分辨率地观测并分析了铣削效果以及微铣刀的磨损情况,探讨了几何形状以及实际偏心量对刀具的影响并评价了不同几何形状微铣刀的性能.     

基于数值模拟的碳纳米管水泥基复合材料导电机理分析

通过建立碳纳米管水泥基复合材料的代表性体积单元模型,基于有限元法进行了有效介质方程导电模型的拟合和感知性能的计算,得到碳纳米管水泥基复合材料在荷载作用下的应力与体积电阻率的关系,在此基础上了分析了碳纳米管水泥基复合材料的导电机理。研究结果表明,碳纳米管体积掺量为1.50%时,随碳纳米管直径减小及长径比增大,有限元数值解的有效介质方程拟合值变化不大,这是因为1.5%的掺量已超过渗流阈值且有限元分析只考虑接触导电;当碳纳米管的体积掺量在0.31%~1.33%范围内时,碳纳米管水泥基复合材料的感知性能满足Simmons隧道效应普适方程。     

Finite Element Modelling and the Experimental Verification of Superplastic Forming

FEM analysis has proved to be a powerful investigative tool capable of encompassing all the aspects that characterise an SPF process. However, despite the high potential of FEM programs they do not allow one to directly and suitably obtain the thickness of a sheet product for high deformation values, as commonly occurs in SPF processes. Many papers have been published on finite element analysis of S.P.F. process but the question of calculus accuracy in thicknesses of a sheet product has not been directly investigated. This problem has been already considered by the authors in a previous study which proposed an algorithm to determine thicknesses for a specific application. The software set up starts out with the results of the FEM modelling, keeps track of the deformation undergone by each element of the mesh and calculates to a good approximation the thicknesses at the end of the forming. Although the original version of the algorithm could only be used for the application studied an updated version is introduced in this study that can be used for any case. In other words, the software generates the thickness profile at the end of the analysis independently of technological set up, item shape and type of simulation (3D and 2D). The proposed algorithm was tested with reference to the superplastic forming of an item of simple geometry beginning with a thin circular plate blocked at the edges and put under constant hydrostatic pressure on one side. The test material, made superplastic by means of a series of repeated laminations, was characterised using an alternative method to the traditional tension test. The results of the experiments are in good accordance with the numerical predictions both in terms of thickness distribution and forming times.     

大行程串联柔性机构分析与设计

为提高柔性支承精密定位系统的行程,以传统直圆型柔性铰链为基本单元,提出一种新型大行程串联柔性机构.刚度与最大应力是影响大行程柔性机构性能的两个重要参数.采用伪刚体模型法,结合材料力学相关理论,建立了该柔性机构刚度和最大应力的理论模型.理论计算结果与非线性有限元分析结果相符,证明理论模型的正确性.在此基础之上,分析了大行程串联柔性机构的设计方法,验证了设计实例在大行程内的可靠性.脉冲响应测试实验结果表明由大行程串联柔性机构支承的精密定位系统定位误差不大于60nm.     

大尺寸KDP晶体生长开裂的尺度效应分析

在人工生长大尺寸KDP(磷酸二氢钾,KH2PO4)晶体过程中晶体会发生开裂现象,尤其是晶体生长到400mm左右时晶帽下端容易出现裂纹.为了研究KDP晶体的生长过程中的开裂机制,采用有限元方法模拟该晶体的生长过程,重点分析了晶体在不同生长尺寸的应力场分布规律,结果表明生长过程中晶体内部应力分布存在明显的尺度效应.当KDP晶体生长达到400mm时,晶帽下部受力逐渐由受压状态转变为受拉状态,根据KDP晶体材料抗拉不抗压的性质,此时开裂的机率增大.这一发现为下一步深入研究晶体生长开裂的损伤力学机制和寻找KDP晶体生长中的防裂措施奠定了基础.     

Experimental and numerical studies on size and constraining effects in lead-free solder joints

The durability and reliability of lead‐free solder joints depends on a large number of factors, like geometry, processing parameters, microstructure and thermomechanical loads. In this work, the nature and influence of the plastic constraints in the solder due to joining partners have been studied by parametric finite element simulation of solder joints with different dimensions. The apparent hardening due to plastic constraints has been shown to strongly depend on the solder gap to thickness ratio with an inversely proportional evolution. Due to interaction of several parameters, the macroscopic stress–strain constitutive law of lead‐free solder materials should be determined in the most realistic conditions. In order to identify the elasto‐plastic constitutive law of Sn–Ag–Cu solders, a sub‐micron resolution Digital Image Correlation technique has been developed to measure the evolution of strain in solder joints during a tensile test. Experimental results of the stress–strain response of Sn–Ag–Cu solder joints have been determined for several solder gaps. The measured load–displacement curves have been used in an inverse numerical identification procedure to determine the constitutive elasto‐plastic behaviour of the solder material. The effects of geometrical constraints in a real solder joint with heterogeneous stress and strain fields are then studied by comparing the apparent (constrained) and constitutive (non‐constrained) stress–strain relationships. Once the size dependant constraining effects have been removed from the stress–strain relationship, the scale effects can be studied separately by comparing the constitutive elasto‐plastic parameters of joints with a variable thickness. Experimental stress–strain curves (constrained and unconstrained) for Sn–4.0Ag–0.5Cu solder in joints of 0.25–2.4 mm gap are presented and the constraining and the size effects are discussed.     

Finite Element Assisted Modelling of the Microscopic Impregnation Process in Thermoplastic Preforms

Fibre reinforced composite materials incorporating thermoplastic matrices are gaining increasing popularity in many industrial applications. One of the potential preforms for the manufacture of technical components is commingled yarn composed of reinforcement and matrix in fibre form. These are often employed in the pultrusion process. Another innovative preform consists of polymer powder preimpregnated sheath surrounding fibre bundles. To achieve adequate mechanical properties of the final product it is essential, when producing laminates by a process such as pultrusion with both types of preform, that sufficient matrix impregnation is achieved. The prevention of voids and dry-spots in the laminate requires a theoretical understanding of the mechanisms involved. On a microscopic scale, several finite element (FE) models can be used to simulate the progress of the matrix flow into the interstitial spaces between the single reinforcement fibres. In the present simulations, a hexagonal and a square arrangement account for two of the various fibre packings occurring in a laminate. It permits an estimation of the impregnation performance of commingled and powder impregnated yarns. For each preform the shear rate, to which the polymer matrix is subjected during the impregnation and consolidation process, can be predicted.     

组合结构动态特性的实验分析

目的 分析组合结构结合部的动态特性。方法 应用试验模态分析法分析组合结构结合部的传递函数，并用有限元模态分析法对组合结构进行计算分析。结果 确定了结合部的动态特性，计算出组合结构的前五阶非刚体模态，结算结果满足工程要求。结论 所得出的实验结果和建立的组合结构模型基本正确。为下一步组合结构的优化和动力学匹配提供了依据。     

微型客车某款发动机的噪声源识别与结构改进

随着微型客车的广泛使用和产品的激烈竞争,噪声问题显得更加突出。本文采用整车的分别运行法获得微型客车的常用某款发动机排气噪声、发动机燃烧噪声、发动机机械噪声、变速器噪声及其它噪声源噪声,而发动机台架声强测试、发动机悬架及油底壳振动测试发现,油底壳是发动机噪声的主要辐射源,消声器插入损失试验结果发现消声器有很大的改进空间。为此对消声器和发动机油底壳进行结构改进,消声器改进后的消声量和原结构相比,都大幅提高,最大约28dB(A),最小也有20dB(A),而改进后油底壳的各阶模态频率都有不同幅度的提高,尤其一阶、六阶都有50%以上的提高,最小的是第三、四阶,也有10.6%的提高。改进后的车外行驶加速噪声由78dB(A)降到73.5dB(A),车内噪声品质主观评价也显著提高。     

一类桥式直接耦合柔性机构的刚度与应力分析

分析了一类桥式直接耦合柔性机构的精确的刚度和应力模型.分别采用伪刚体模型和卡氏第二定理推导了该柔性机构理论刚度模型,利用两个理论模型与有限元模型的结果进行对比,并采用正交实验法全面分析了柔性铰链的寄生刚度和旋转刚度的精度对其刚度性能的影响.研究结果表明：该柔性机构的寄生刚度影响较小,误差贡献率小于3%;旋转刚度的精度影响较大,通过选择精确的旋转刚度公式可以得到精确的理论刚度模型,同有限元结果相比其误差在t/r〈0.65范围内小于8%;与设计实验及其对应的有限元结果的误差分别为4%和3.96%,验证了刚度模型的正确性.基于刚度模型推导了该柔性机构的应力模型,运用正交实验法与有限元结果进行对比,误差小于4%,验证了应力模型的正确性.     

线性摩擦焊接头形成过程及机理

分析了异质钛合金线性摩擦焊接头焊合线近域组织结构,结合飞边形貌及组织特点,探讨了线性摩擦焊接头的形成机理。结果表明,在线性摩擦焊接过程中摩擦界面温度超过钛合金基体材料相变点,焊后摩擦界面两侧均有高温塑性层残留并发生再结晶,焊缝区为完全再结晶组织,TC11侧焊缝区为细小针状组织,TC17侧焊缝区为亚稳态β组织。异质钛合金线性摩擦接头形成机理研究表明,在线性摩擦焊接过程中以及焊后摩擦界面始终存在,界面两侧的高温黏塑性金属没有发生机械混合,界面两侧原子发生了扩散迁移现象,在接头结合界面处形成扩散过渡区。摩擦焊通过扩散与再结晶的共同作用形成焊接接头。