超声振动辅助塑性成形及形性预测研究进展

随着微机电系统等领域的快速发展,对零件成形精度与性能的要求日益增加。超声振动辅助塑性成形是一种典型的能场辅助塑性成形工艺,相比于传统塑性成形工艺,具有流动应力低、材料成形能力高、界面摩擦少、成形质量较好等优势,被广泛应用于难成形材料加工、微成形、复杂构件成形等塑性成形过程。然而,由于不同塑性成形工艺中金属的变形行为特性存在较大差异,对塑性成形质量与成形性能进行预测有利于实现成形过程的形性协同控制。介绍了超声振动辅助塑性成形在体积成形工艺（镦粗、挤压、拉拔等）与板料成形工艺（拉伸、拉深、渐进成形、冲压等）中的应用及发展概况,讨论了超声振动对材料塑性变形过程中宏观表现与微观演化的影响。在已有研究基础上,重点分析了超声振动辅助塑性成形过程中成形能力预测（流动应力、成形极限等方面）和成形性能预测（表面性能、力学性能、微观组织等方面）的研究进展,为金属零部件成形高质量形性调控提供理论参考,并展望了超声辅助塑性成形工艺的发展趋势。     

钛合金超声振动塑性成形技术研究现状

钛合金具有密度低、强度高、抗蚀性好等优点,但其冷加工困难,而超声振动塑性成形技术能够降低成形力,减少摩擦,提高零件表面质量,改善材料的成形性能。简述了超声振动塑性成形的技术原理、成形机理及其应用;介绍了钛合金的塑性成形特点与钛合金超声振动塑性成形的研究现状;总结了目前钛合金超声成形技术中存在的问题。现有研究表明,钛合金超声塑性成形技术具有很广阔的应用前景,是钛合金塑性成形技术中极具先进性与挑战性的研究重点。     

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。     

金属超声振动塑性成形技术研究现状及其发展趋势

金属超声振动塑性成形,由于能够有效降低设备成形力,提高材料成形极限,改善成形零件质量,在塑性成形领域逐渐发挥了重要作用。介绍了金属超声振动塑性成形的原理与主要特点,以及理论机制中"体积效应"和"表面效应"的研究进展。综述了超声振动在铝/镁合金等轻合金塑性成形工艺中应用的研究现状。提出了目前金属超声振动塑性成形在理论和应用研究中存在的主要问题,并对该技术未来的发展趋势进行了展望。     

功率超声振动在金属材料成形中的研究及应用

功率超声振动在金属材料成形领域,如在超声处理液态金属、超声焊接成形、超声金属塑性成形及金属半固态成形等方面有着广泛的研究和应用.结合作者的研究成果,介绍了功率超声振动应用于上述各种成形方法的原理,相对于传统方法的优点及其研究和应用现状.认为,由于超声成形的环保、节能和高效性,功率超声振动在金属材料成形领域的研究和应用,特别是用于半固态成形领域中,将有广阔的发展前景.     

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。     

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。     

微磨削与超声振动复合加工技术研究现状与展望

微细切削技术是传统加工工艺向微观尺度的延伸,在微加工领域具有重要的作用,尤其适用于三维零件及微结构的加工。与其他微细切削技术相比,微细磨削技术具有加工零件棱边精度高、适于硬脆性材料加工等优势,但其存在加工效率低、磨削热量大、微砂轮易磨损等缺陷。已有研究表明,于机械加工辅加超声振动的复合加工技术可有效降低切削力、切削温度,增大脆性材料脆-塑转变临界切削深度,改善加工表面质量等。因而超声振动辅助微磨削技术被认为是一种可有效解决微磨削加工现存缺陷的技术。主要从微磨削技术研究现状、尺寸效应机理研究、脆性材料塑性域去除机理研究、超声振动切削实验研究、超声振动切削断续切削机理研究及微磨削动态有效磨刃密度建模研究六个方面,对微磨削技术及超声振动辅助切削技术相关领域研究进行综述,并探讨超声振动辅助微细磨削技术加工机理研究及未来发展需注重解决的问题。     

钛合金超声振动辅助切削研究进展

超声振动辅助切削（UVAM）作为一种新颖而有效的加工技术,可有效提高工件的切削加工性能,被广泛应用于钛合金切削加工领域。主要综述了钛合金超声振动辅助切削技术的国内外研究进展,主要集中于降低钛合金切削的切削力、切削温度、刀具磨损和提高工件表面质量等方面,可以较好地提高钛合金的切削性能,进而阐述新技术结合应用研究的新进展。最后,展望了该研究领域未来的主要研究方向和发展前景。对工程应用可行性、微观组织演变规律和专用设备的开发等的研究,仍然是当下和未来的研究热点。     

微塑性成形技术的研究进展

介绍了塑性微成形技术的发展背景及其基本特点,综述了尺寸效应及其对微塑性成形工艺的影响、微型构件微塑性成形工艺以及微成形装置的研究现状,并对其发展趋势进行了预测.     

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。     

超声振动辅助铝/钢激光–MIG熔钎焊外观成形、组织以及拉伸性能研究

目的 利用超声振动改善铝/钢对接接头界面的微观结构,降低气孔缺陷并提高接头力学性能。方法 通过超声振动辅助激光–MIG焊接方法实现铝/钢异种金属连接,采用光学显微镜观察焊缝形貌,采用金相显微镜和扫描电子显微镜观察焊缝和界面微观结构,利用拉伸试验机测试接头的拉伸强度。结果 超声振动的施加提高了熔融金属的润湿铺展性能,减少了焊缝中的气孔缺陷,并降低了界面层金属间化合物的厚度。带有余高和去除余高的接头拉伸强度由未加超声的175 MPa和154 MPa分别提高到189 MPa和172 MPa。结论 利用超声振动的声流、空化效应有效改善了熔融金属的润湿铺展性能和界面微观结构,并在一定程度上消除了气孔缺陷,进而提高了接头的力学性能。     

超声振动强化搅拌摩擦焊技术的研究进展

针对笔者团队前期发明的超声振动强化搅拌摩擦焊(Ultrasonic Vibration enhanced FSW,UVeFSW)新工艺,从设备研发(超声振动装置的设计、超声振动参数的表征)、工艺试验(焊缝成形、微观组织、显微硬度、拉伸性能、疲劳性能)与机理探索(焊接载荷、焊接热循环、材料流动和组织演变)3方面,综述了UVeFSW新工艺的研究进展。结果表明,通过直接向搅拌头前方的待焊接工件上施加超声振动能场,改善焊缝成形,减少或消除焊接缺陷,拓宽焊接工艺参数窗口以及提高接头性能。     

二维超声振动辅助化学机械磨削技术及单晶硅实验

为了提高材料去除率和加工通用性,本文提出了工具施加二维超声波振动辅助的化学机械磨削(CMG)复合加工方式,开发具有伸缩和弯曲两种模态的二维超声波振动子及实验装置.以单晶硅片为加工对象,进行单点切削加工轨迹特性分析,并比较不同加工模式以及加工参数对表面粗糙度和材料去除率的影响.实验结果表明,二维超声辅助下的单点切削轨迹存在更多延性加工趋势.在同样普通机床精度条件下,随着时间的增加,二维超声辅助CMG表面粗糙度明显改善,达到纳米级.较无超声情况下二维超声波辅助CMG复合加工材料去除率提高约1倍,可获得最优表面粗糙度5 nm,一维径向超声辅助加工结果次之.     

高速轮轨钢超声振动辅助激光熔覆涂层的滚动摩擦磨损性能

目前有关高速轮轨钢超声振动辅助下的激光熔覆研究鲜有报道。在高速轮轨钢表面施加超声振动辅助激光熔覆制备了铁钴基复合涂层来改善其耐磨性能,借助扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能量色散谱仪(EDS)等手段分析熔覆层的微观结构、物相成分和元素分布,采用GPM-30轮轨滚动接触疲劳试验机对比研究轮轨钢超声振动辅助作用下激光熔覆前后涂层的滚动摩擦磨损性能。结果表明:熔覆层主要由Fe-Cr的马氏体组织、Co-Cr的γ相固溶体、Fe-Ni固溶体以及弥散析出的含MxCy(M=Cr、W)的碳化物、硼化物、硅化物等硬质相组成;超声激光熔覆强化处理后,轮轨表面的平均显微硬度分别为539 HV3 N和582 HV3 N,磨损速率分别降低59.1%,37.3%,轮轨试环熔覆层的抗磨损性能大幅提高,磨损机制由剥落磨损和严重的疲劳磨损转变为轻微的磨粒磨损和疲劳磨损。     

超声波拉伸装置的研制

将超声引入金属塑性国呀领域，设计与制造了一套超声振动拉伸装置，并在设计与制造换能器的基础上，对超声系统的性能做了测试。利用该振动装置对金属铜试件进行了拉伸试验。结果表明，该装置性能可靠。