超声辅助金属镦挤成形超声效应研究

发布时间：2017-04-10 10:20

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【摘要】：超声辅助体积成形工艺是结合超声波机械振动能,使坯料在载荷作用下发生塑性变形的一种成形方法。超声辅助体积成形过程中的超声效应可以降低材料流动应力,改善工模具间接触状况。以往研究多集中在对于超声振动降低成形力问题的探讨,而对于超声辅助体积成形过程中材料变形规律少有涉及。因此,本文从材料变形规律的角度研究超声效应及其内在机制。首先,为了实验研究超声振动对于材料流动的影响规律,建立了耦合模具的一体化变幅杆设计技术,设计并搭建了超声辅助塑性成形装置,实验研究了超声辅助小孔和大孔镦挤过程中的材料流动充型规律,发现超声振动作用下材料流动规律发生明显变化:超声振动可以提高金属材料小孔充型能力;当坯料的高径比为1.5时,工件形成了两端粗中间细的“腰”;当工件的高径比等于1时,工件变形比较均匀;超声辅助大孔镦挤成形工件的径向挤出材料卷曲成为一个卷,类似于超声辅助材料切削过程。进而,结合有限元仿真技术、冲击动力学理论和材料表征技术研究超声辅助成形过程中的超声效应及其内在机制。(1)结合有限元仿真技术,基于性能等效法研究了镦挤过程中超声效应的宏观等效性能,发现超声材料软化效应与材料的塑性模量下降有关,超声边界效应与工模具界面的等效摩擦应力下降有关。(2)采用动力学方法分析了超声辅助塑性成形过程中冲击效应,发现:由于材料内部弹性波和塑性波的不均匀传播,超声边界效应的冲击效应会导致接触区域变形累积,形成一种超声振动接触区域塑性变形大,中间小的变形模式;超声振动导致工件往复加载和卸载,使工模具间存在往复的摩擦力,该往复摩擦并不能大幅提高工件变形的均匀性,工件变形的均匀性与超声冲击和摩擦状况都有关系。(3)采用材料表征技术分析了超声辅助镦挤成形过程中黑色物质,进而揭示了超声辅助镦挤过程接触机制:工模具间接触过程材料表层氧化膜破坏,新鲜材料在摩擦热的作用下快速氧化形成氧化铝,硬质氧化铝起到润滑介质的作用,使原先的滑动摩擦转变为一定程度的滚动摩擦,从而降低了摩擦力。
【关键词】：超声振动 镦粗 镦挤 耦合设计 虚拟仿真 动力学 边界效应
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG306
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 课题研究背景10-11
• 1.2 金属塑性成形技术国内外研究现状11-13
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13
• 1.3 超声辅助金属塑性成形发展现状13-18
• 1.3.1 超声辅助金属塑性成形理论研究13-14
• 1.3.2 超声辅助塑性成形设备研制14-15
• 1.3.3 超声辅助塑性成形机理的研究15-18
• 1.4 超声辅助塑性成形研究的现存问题及本文研究内容18-19
• 1.4.1 超声辅助塑性形研究的现存问题18-19
• 1.4.2 本文研究内容19
• 1.5 本章小结19-20
• 第二章 超声辅助镦挤成形实验设计及实验装置开发20-37
• 2.1 引言20
• 2.2 超声辅助镦挤成形实验设计20-28
• 2.2.1 基于顶镦实验成形过程仿真技术有效性研究20-22
• 2.2.2 超声辅助镦粗成形分析22-24
• 2.2.3 超声辅助镦挤成形实验设计24-28
• 2.3 超声辅助体积成形实验装置设计28-29
• 2.4 耦合模具的一体化超声变幅杆设计29-34
• 2.4.1 变幅杆理论设计30-31
• 2.4.2 变幅杆动力学性能仿真31-32
• 2.4.3 耦合模具的变幅杆性能评估32-33
• 2.4.4 超声振动系统性能测试33-34
• 2.5 超声辅助镦挤成形实验装置性能测试34-36
• 2.6 本章小结36-37
• 第三章 超声辅助镦粗镦挤成形过程实验研究37-48
• 3.1 引言37
• 3.2 实验目标与实验规划37-38
• 3.3 实验平台与实验坯料准备38-39
• 3.4 超声辅助镦粗实验研究39-41
• 3.4.1 实验过程39-40
• 3.4.2 镦粗实验结果及分析40-41
• 3.5 超声辅助镦挤成形实验研究41-47
• 3.5.1 镦挤实验过程41-42
• 3.5.2 小孔镦挤实验结果及分析42-44
• 3.5.3 大孔镦挤实验结果及分析44-47
• 3.6 本章小结47-48
• 第四章 超声辅助塑形成形工艺超声效应的机理研究48-68
• 4.1 引言48
• 4.2 基于性能等效法研究超声辅助镦挤过程超声效应48-56
• 4.2.1 准静态仿真模型建模及有效性验证49-51
• 4.2.2 应力曲线上下平移对材料流动规律影响研究51
• 4.2.3 塑性模量下降对于材料流动规律影响研究51-52
• 4.2.4 摩擦因子对于材料流动规律影响研究52-54
• 4.2.5 大孔镦挤超声效应探讨54-55
• 4.2.6 超声辅助镦挤过程超声效应宏观等效性能探讨55-56
• 4.3 基于冲击动力学研究超声边界效应56-61
• 4.3.1 恒速冲击对于材料流动的影响56-57
• 4.3.2 超声辅助镦粗过程工件典型变形模式57-60
• 4.3.3 超声辅助镦粗过程边界摩擦效应研究60-61
• 4.3.4 超声辅助镦粗过程超声边界效应小结61
• 4.4 超声辅助镦挤过程超声边界效应微观机理研究61-64
• 4.4.1 接触表面微观形貌分析61-63
• 4.4.2 变形工件温度效应分析63-64
• 4.5 超声辅助塑性成形材料效应探讨64-66
• 4.6 本章小结66-68
• 第五章 结论与展望68-69
• 5.1 主要结论68
• 5.2 研究展望68-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-72
• 附录：作者在读期间发表的学术论文集参加的科研项目72

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本文编号：296507