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.     

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。     

高频/ 超声振动辅助微成形技术研究进展与展望

微机电系统等技术的快速发展,给微成形技术提供了强大的发展动力。主要综述了体积微成形、箔板微成形以及微成形介观尺度效应等3个方面的研究进展,并结合作者的研究经历对微成形研究中存在的问题进行了简要分析。在此基础上,着重综述了高频/超声振动作用下材料的力学行为,介绍了材料变形抗力降低的主要原因,即应力叠加、声波软化及摩擦力降低,并从体积效应和表面效应两个方面对其作用机制进行了概述。进而综述了高频/超声振动在微冲裁、微挤压以及微拉深等微成形工艺中应用的研究进展,介绍了高频/超声振动的积极效果。最后,对该方向的研究进展进行了总结,并对其发展前景和主要发展方向进行了展望。     

微电子材料在微塑成形中的尺度效应

微电子材料在微机电系统（MEMS）的发展中越来越受到青睐，但是其工艺加工的不足限制了实际应用的步伐。微塑性成形可以成形微电子器件，由于其尺寸微型化，在微塑性成形中存在一个不可避免的“尺度效应”问题，尺度效应表现在材料的流动行为、成形中摩擦效应和实验结果的分散性上。在介绍尺度效应的基础上对其进行了分类，给出了判断标准，并从流动应力、晶粒尺度、摩擦效应和温度效应等方面综述了尺度效应对微塑性成形的影响。由于基于连续介质的传统塑性力学理论无法解释微塑性成形过程中的尺度效应，因此引入了非均匀介质的塑性应变梯度理论并进行了探讨，最后指出了尺度效应的研究发展方向，从而促进微电子材料的开发应用。     

塑性有限元在金属体积成形过程中应用的进展

塑性有限元法已经成为研究金属体积成形的重要方法。介绍了刚塑性有限元和弹塑性有限元的原理;综述了金属体积成形过程中锻造、挤压和轧制工艺有限元模拟的国内外最新应用进展,并分析了有限元法在不同工艺中应用的未来发展方向。最后总结了塑性有限元法在金属体积成形领域未来发展的难点和趋势。     

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。     

微薄板塑性成形本构关系研究

尺寸效应的影响使得传统的成形理论和变形机制不再适用于微塑性成形.在考虑尺寸效应对微薄板成形性能影响的基础上,对已有的CuZn36黄铜薄板微拉伸实验结果进行处理,提出了一种研究微塑性成形本构关系的方法.根据弹性和塑性变形过程,分阶段分析了t/d(板厚/晶粒大小)对屈服强度和切线模量的影响,修正了双线性弹塑性本构关系,获得了考虑尺寸效应的微塑性成形本构关系.借鉴宏观增量本构关系,结合微拉伸实验,采用Mises屈服准则和随动强化模型,得出适合微塑性成形的弹塑性增量本构方程,为微塑性成形的理论研究和实际应用奠定了基础.     

功率超声在金属熔体成形中的作用效应及其可视化研究进展

主要介绍功率超声在金属熔体成形领域中的作用,详述了超声在铸造成形、辅助焊接成形中细化晶粒、除气除杂、强化焊缝、减小残余应力、促进界面润湿等方面的应用和作用机理。针对超声空化气泡的高速摄影及金属熔体中晶体生长的同步辐射X射线成像观察的研究进展,提出将高速摄影与同步辐射X射线成像结合起来,通过原位观察方法研究超声波与液态金属媒质的相互作用机理,为进一步促进超声在金属熔体成形中的应用提供理论指导。     

有限元方法在金属塑性成形中的应用

有限元法是应用于金属塑性成形数值模拟中的一种有效的数值计算方法.详细介绍了弹塑性、刚塑性、粘塑性3种有限元法.刚塑性有限元法适用于大塑性变形,包括板带、型钢轧制和环件轧制的模拟分析等.弹塑性有限元法在金属塑性成形数值模拟中应用最广.与刚塑性方法相比,弹塑性有限元法还能有效处理卸载问题,计算残余应力和应变.而粘塑性有限元法适用于金属热变形或强化不显著的软金属变形.同时,结合国内外最新的具体实例说明了这些方法在金属塑性成形领域中的具体应用,展望了有限元方法在金属塑性成形中的发展.     

Investigations on the material property changes of ultrasonic-vibration assisted aluminum alloy upsetting

Numerous studies have shown the benefit of ultrasonic-vibration assisted metal forming. This benefit include a reduction in forming forces, which might be attributed to the superposition of stress, increased temperatures, the effects of interface friction, and energy absorption of dislocation. This study conducts a series of experiments and analyses to investigate the main mechanisms of a reduction in forming forces during ultrasonic-vibration assisted A6061-T6 aluminum alloy upsetting.The findings of this research confirm that, under frictionless conditions, ultrasonic vibration still reduced forming forces, and ultrasonic vibration can increase the temperature of specimens and soften specimen surface during upsetting. From metallographic analyses and micro-hardness tests, the results reveal that energy absorption of dislocation was occurred during upsetting, which also contribute to the reduction of forming force.This research concludes that the mechanisms of increased temperatures and energy absorption of dislocation can affect the material property and make a reduction in forming forces; however, the interface friction effect has nothing to do with a reduction in forming forces.     

超声波振动条件下磁控溅射纳米材料的超塑变形研究

根据高性能纳米材料高精度成形的发展需求,介绍了磁控溅射纳米材料的组织及力学特性,分析了磁控溅射纳米材料超塑成形的优缺点,描述了大功率超声波振动对超塑成形的促进作用。综述了国内外超声波辅助塑性成形的发展现状及最新研究进展,提出了超声波振动辅助超塑成形的发展趋势。     

铝合金双曲率薄壁件电磁渐进辅助拉伸成形工艺方案设计与开发

目的 针对铝合金双曲率薄壁件传统拉伸成形工艺成形均匀性差的问题,提出一种采用电磁渐进辅助拉伸成形的高精度成形工艺。方法 设计电磁渐进辅助拉伸成形工艺方案,基于有限元仿真软件LS-DYNA R13.0,建立拉伸成形和电磁成形有限元模型。通过数值仿真研究线圈移动路径和放电电压组合对成形质量的影响以及薄壁件的整体贴模成形过程和等效塑性应变。结果 与单程放电相比,双程放电能够大幅度提高板材变形均匀性。与以中间值电压连续放电以及先大电压后小电压的放电电压组合相比,在先小电压后大电压的放电电压组合下,板材的成形质量更高。选择线圈双程顺序移动路径和7 kV-10 kV放电电压组合,通过10次拉伸和9层54次放电,得到了减薄率仅为3%的贴模性良好的双曲率薄壁件。变形量基本呈现随着放电层数的增加而不断降低的趋势。电磁放电仅扩展更大的塑性应变区域,不改变已贴模区板材的塑性应变值。结论 与拉伸成形相比,电磁渐进辅助拉伸成形工艺有效提高了板材的塑性变形程度并极大控制了回弹的发生。     

板材电磁成形技术研究进展

电磁成形是一种典型的高速率成形技术,能显著提高材料的成形性能,并已经成功应用于金属板材成形领域,获得了很好的成形效果.为了能够继续扩大电磁成形技术在板材成形方面的应用,对目前板材电磁成形技术研究进展进行了综述.首先介绍了电磁成形工艺的原理与主要特点;分析了目前电磁成形技术、电磁辅助冲压成形技术在金属板材成形方面的研究进展;提出了电磁成形技术在应用研究方面存在的主要问题,并展望了该技术的发展趋势;最后,分别从成形材料和成形工艺两个方面分析了后续研究的突破点以实现扩大该技术应用的目的.     

微细材料细晶处理方法及其研究发展

近些年微成形技术的研究热度不断增高,金属薄板、箔材及丝材等可直接用于微型件制造的微细材料缺少专门性研究,微细材料的微观结构与性能直接影响微型件的成形质量。综合评述了大塑性变形细晶方法、电流辅助工艺和微观结构调控等方面的相关研究,着重介绍了适合于微细材料的反复折弯压直和限制模压变形2种反复折弯形变细晶的方法。分析了微细材料细晶处理存在的问题,提出了适合用于微细材料的细晶及增塑处理的研究方法,展望了微细材料电流辅助形变工艺和微观结构调控的研究方向。开展了微成形用微细材料预处理方法与相关技术研究,对促进微成形技术的发展具有重要的理论意义和应用价值。     

超声辅助CMT电弧增材制造TC4钛合金微观组织和力学性能研究

目的研究超声辅助对CMT电弧增材制造钛合金TC4微观组织及力学性能的影响。方法 CMT增材制造TC4钛合金的同时利用超声辅助设备进行振动辅助,采用不同的振动功率和不同的振动位置对增材后的TC4力学性能和微观组织进行对比分析。结果 600 W超声辅助振动基板时的钛合金试样成形美观,力学性能优异。水平方向上,抗拉强度平均值为952.7 MPa,伸长率平均值为7.46%;垂直方向上,抗拉强度平均值为905.83 MPa,伸长率平均值为11.03%,相较未施加超声振动增材试样的力学性能有明显提高。结论超声辅助的引入有效提高了熔池的深宽比,加快了熔池冷却速度,柱状晶尺寸也明显减小,针状马氏体数量增多,得到的钛合金力学性能和微观组织均良好。