超聲能場在金屬微-介觀成形中的作用理論及實驗研究.pdf

1、產(chǎn)品微型化和集成化的發(fā)展趨勢，極大地增加了對微小型金屬零件和微/介觀制造技術(shù)的需求。微/介觀金屬成形技術(shù)為微小型金屬零件的大批量、高效率的制造提供了解決方案。然而，將傳統(tǒng)金屬成形技術(shù)縮小至微/介觀尺度所帶來的尺度效應(yīng)導(dǎo)致了金屬成形性下降和工件表面質(zhì)量下降等問題，制約了微/介觀成形技術(shù)的發(fā)展。利用超聲振動在金屬成形過程中所具備的體積效應(yīng)和表面效應(yīng)，在微/介觀成形中施加超聲振動有望解決上述問題。為此，本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金重點項目（項目編

2、號:50930005）、國家自然科學(xué)基金面上項目（項目編號:50775203）以及美國自然科學(xué)基金項目(項目編號:CMMI-0800353)，采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方式，開展了超聲振動在金屬微/介觀成形中的作用機理及超聲輔助金屬微/介觀成形的制造工藝研究。
　　第一章闡述了本論文研究的背景與意義，結(jié)合相關(guān)研究的國內(nèi)外研究綜述，提出了本論文的主要研究內(nèi)容;第二章和第三章研究了超聲振動的體積效應(yīng)，其中，第二章結(jié)合理論

3、和實驗研究探索了超聲能場中的金屬聲軟化效應(yīng);第三章探索了超聲能場中的金屬聲殘余硬化效應(yīng)，并構(gòu)建了聲塑性理論模型;第四章和第五章研究了超聲振動的表面效應(yīng)，其中，第四章研究了超聲振動對金屬成形工件表面微觀形貌的影響機理;第五章研究了超聲振動對于微/介觀鐓鍛成形中接觸摩擦的影響機理;第二章至第五章研究了超聲振動對于固態(tài)金屬微/介觀成形的影響規(guī)律，第六章則研究了超聲振動對于半固態(tài)金屬微/介觀成形的作用機理;基于第二章至第六章的機理研究，第七章研

4、制了分別用于固態(tài)金屬和半固態(tài)金屬的超聲輔助成形制造系統(tǒng)，并開展了工藝實驗研究;第八章對于全文的研究工作進行了總結(jié)與展望。
　　本文研究的創(chuàng)新之處在于:
　　(1)在晶體塑性理論框架下，研究了超聲能場在熱激活過程和位錯演化過程中的作用機理，進而構(gòu)建了聲塑性理論模型，可準確描述超聲輔助金屬成形中的聲軟化和聲殘余硬化的作用機制。
　　(2)系統(tǒng)研究了超聲振動在金屬微/介觀成形中的體積效應(yīng)和表面效應(yīng)，并基于實驗方法發(fā)現(xiàn)并識別了

5、超聲輔助金屬微/介觀成形中的金屬聲軟化效應(yīng)和聲殘余硬化效應(yīng)的耦合作用機制。
　　(3)基于聲軟化效應(yīng)理論，建立了超聲振動對金屬表面微觀形貌以及接觸摩擦因子的影響理論模型，提出了超聲處理后的表面粗糙度預(yù)測方法以及鐓鍛成形實驗中摩擦因子的估算方法。
　　(4)針對半固態(tài)金屬微/介觀成形中存在的尺度效應(yīng)及充型缺陷問題，將超聲振動引入半固態(tài)金屬微/介觀成形工藝中，提出了一種超聲輔助半固態(tài)金屬微/介觀成形新工藝，并研制了制造系統(tǒng)，進行

6、了工藝實驗和應(yīng)用研究。
　　研究結(jié)果表明將超聲能場引入金屬微/介觀成形和半固態(tài)金屬微/介觀成形工藝中，能夠降低成形載荷，改善特征結(jié)構(gòu)成形效果，也能夠改善工件表面質(zhì)量，降低界面摩擦阻力，從而可在體積因素和表面因素兩方面有效克服微/介觀尺度效應(yīng)引起的不利影響。本文提出的超聲輔助半固態(tài)金屬微/介觀成形技術(shù)為微細零件的工業(yè)化制造提供了新方法。研究成果對于深入探索超聲振動在金屬材料中的作用機制以及超聲輔助金屬微/介觀成形制造系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)等