非晶合金MEMS引信安全机构超塑性成形的关键技术研究
发布时间：2020-07-09 14:50
【摘要】：引信是武器系统实现目标毁伤的控制核心,直接决定了武器系统与目标对抗的成败。将微机电系统(MEMS)用于引信中,将大大提高武器装备的小型化、智能化和精确打击能力。在MEMS引信中,安全机构直接决定引信的安全和可靠起爆,这要求所用的材料有优异的力学性能及良好的微纳尺度成形能力。然而,目前引信安全机构所用材料存在抗冲击能力弱、强度低,微纳尺度加工难、成本高等不足。严重影响精确制导武器的可靠性与精确打击能力。非晶合金由于没有晶粒,具有一系列明显优于晶态材料的机械性能,且可实现微纳、甚至原子尺度近净成形。若将非晶合金用于MEMS引信安全机构,不仅可解决当前MEMS引信安全机构的材料难题,还可大幅提高武器装备的可靠性、智能化和精确打击能力。本文系统研究了非晶合金MEMS引信安全机构的超塑性成形,并对非晶合金成形中的界面摩擦因子进行测量。首先采用电弧熔炼制备出成分均匀的Zr_(35)Ti_(30)Cu_(8.25)Be_(26.75)(at.%)合金锭,然后喷铸成形制备出非晶合金片材。采用差示扫描量热仪(DSC)对制备好的非晶合金进行热分析,获得该非晶合金的玻璃化转变温度,晶化温度及过冷液态区宽度。通过Creo三维建模软件设计“W”型弹簧的三维结构,采用通用有限元模拟软件Ansys对微型弹簧的变形进行有限元模拟,得到弹簧的应力分布,预测弹簧应力集中点。以带有微弹簧结构的硅模为模板,在过冷液相区(390℃),以应变率为0.001s~(-1)在非晶合金表面压印成形出平面微弹簧拉伸试样和MEMS引信安全机构。X射线衍射仪(XRD)检测表明非晶合金在热塑性成形后未发生晶化。用光学显微镜和扫描电子显微镜对微结构进行表征,观察成形微弹簧形状完整。采用电子动静态疲劳试验机对非晶合金平面微弹簧进行拉伸测试,获得其弹性系数为0.0135N/mm。微弹簧最大可以承受1.54N的力,可以产生539%的变形量。对弹簧的断口形貌进行观察,分析断裂形式为韧性断裂。针对非晶合金微成形中界面摩擦影响成形能力问题,本文对比研究了准静态和超声振动对摩擦因子的影响。结果表明,超声振动能显著降低摩擦力,如非晶合金热塑性成形的摩擦因子约为准静态的1/3。从而表明采用超声振动技术,可有效提高非晶合金的超塑性成形能力。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.8;TJ430.5
【图文】：
由美国Robinson[1]等设计并经过多次完善的引信安全机构如图1-1所示，由：摇杆锁、后座锁、后座滑块、解保装置构成、离心滑块、离心滑块传爆药槽。在平时搬运时，震动会使后座滑块产生移动，但是弹簧会让后座滑块恢复原位。在发射时，后座滑块相对于MEMS引信安全机构反方向运动，解除对离心滑块的限制作用。离心滑块在离心力的作用下运动，在离开炮管一定距离后，摇杆锁解除安全保险，离心滑块完全移动到位，此时引信完全解除保险进入待发状态[2]。图1-1 美军MEMS引信安全机构[1]Fig1-1.MEMS safety device of US army[1].
2华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图1-2中所示的导弹用电磁驱动式MEMS引信安全机构适用于自身不发生旋转的武器，比如导弹、榴弹、迫击炮弹等，解除保险主要是利用电磁力，体积小、信息化程度高[3]。这种引信结构采用LIGA或者UV-LIGA工艺制备，材料是镍金属。锁销弹簧保证平时在搬运、维护过程中不会发生解除保护，保证了弹药的安全性，即便由于晃动，锁销脱离滑块卡槽也能迅速恢复。其次在发射时，电磁驱动器接收到电信号产生磁力，使锁销克服平面弹簧的拉力脱离滑块卡槽，滑块没有了锁销的约束后，可在磁力吸引下解除保险。然后锁销的电磁驱动器断电，锁销被平面弹簧拉回，使滑块保持解除保险，当收到起爆信号的时候，通电加热将起爆药引爆，然后依次引爆输入药、传爆药、输出药
3华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图1-3 采用UV-LIGA制备的MEMS引信安全机构[4, 5]Fig. 1-3 MEMS MEMS safety device fabricated by UV-LIGA process[4, 5].1.2 非晶合金微成形技术概述非晶合金微成形在制备 MEMS 引信安全机构方面有一定的应用前景。采用塑性成形工艺制造零件，具有较高的生产效率，且产品力学性能好、尺寸精度高。然而随着科技的发展，对微小零件的需求越来越旺盛，微型零件在消费电子、医疗器械等方面有着广阔的应用前景。这就要求我们开发出新的工艺来制备这些微小零件。光刻工艺在半导体工业中被广泛应用，可以刻蚀微尺度的形状，但是只能用在硅等材料上，难以制备具有良好力学性能的金属材料零件。非晶合金通过热塑性成形可以高效制备形状复杂的微尺度零件，且微成形件有良好的力学性能。微塑性成形工艺是指通过塑性变形生产出在至少两个尺寸维度小于毫米尺度的零件的工艺。图1-4 是通过微成形工艺制备的零件。图 1-4 微型零件(a)体积成形零件；(b)?
本文编号：2747602
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.8;TJ430.5
【图文】：
由美国Robinson[1]等设计并经过多次完善的引信安全机构如图1-1所示，由：摇杆锁、后座锁、后座滑块、解保装置构成、离心滑块、离心滑块传爆药槽。在平时搬运时，震动会使后座滑块产生移动，但是弹簧会让后座滑块恢复原位。在发射时，后座滑块相对于MEMS引信安全机构反方向运动，解除对离心滑块的限制作用。离心滑块在离心力的作用下运动，在离开炮管一定距离后，摇杆锁解除安全保险，离心滑块完全移动到位，此时引信完全解除保险进入待发状态[2]。图1-1 美军MEMS引信安全机构[1]Fig1-1.MEMS safety device of US army[1].
2华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图1-2中所示的导弹用电磁驱动式MEMS引信安全机构适用于自身不发生旋转的武器，比如导弹、榴弹、迫击炮弹等，解除保险主要是利用电磁力，体积小、信息化程度高[3]。这种引信结构采用LIGA或者UV-LIGA工艺制备，材料是镍金属。锁销弹簧保证平时在搬运、维护过程中不会发生解除保护，保证了弹药的安全性，即便由于晃动，锁销脱离滑块卡槽也能迅速恢复。其次在发射时，电磁驱动器接收到电信号产生磁力，使锁销克服平面弹簧的拉力脱离滑块卡槽，滑块没有了锁销的约束后，可在磁力吸引下解除保险。然后锁销的电磁驱动器断电，锁销被平面弹簧拉回，使滑块保持解除保险，当收到起爆信号的时候，通电加热将起爆药引爆，然后依次引爆输入药、传爆药、输出药
3华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图1-3 采用UV-LIGA制备的MEMS引信安全机构[4, 5]Fig. 1-3 MEMS MEMS safety device fabricated by UV-LIGA process[4, 5].1.2 非晶合金微成形技术概述非晶合金微成形在制备 MEMS 引信安全机构方面有一定的应用前景。采用塑性成形工艺制造零件，具有较高的生产效率，且产品力学性能好、尺寸精度高。然而随着科技的发展，对微小零件的需求越来越旺盛，微型零件在消费电子、医疗器械等方面有着广阔的应用前景。这就要求我们开发出新的工艺来制备这些微小零件。光刻工艺在半导体工业中被广泛应用，可以刻蚀微尺度的形状，但是只能用在硅等材料上，难以制备具有良好力学性能的金属材料零件。非晶合金通过热塑性成形可以高效制备形状复杂的微尺度零件，且微成形件有良好的力学性能。微塑性成形工艺是指通过塑性变形生产出在至少两个尺寸维度小于毫米尺度的零件的工艺。图1-4 是通过微成形工艺制备的零件。图 1-4 微型零件(a)体积成形零件；(b)?
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 夏天东;张晓宇;徐仰涛;丁万武;赵文军;;电沉积镍和轧制镍显微组织和力学性能的对比[J];中国有色金属学报;2015年11期
2 汪卫华;;非晶态物质的本质和特性[J];物理学进展;2013年05期
3 吴志亮;常娟;冯鹏洲;朱继南;;引信用MEMS平面微弹簧弹性系数分析[J];南京理工大学学报(自然科学版);2008年02期
4 李华;石庚辰;;MEMS平面微弹簧刚度分析[J];压电与声光;2007年02期
5 李华,石庚辰;MEMS平面微弹簧弹性系数的研究[J];探测与控制学报;2005年04期
相关硕士学位论文 前2条
1 贾胜芳;MEMS引信保险装置的制作及铸层结合强度研究[D];大连理工大学;2010年
2 王诗祺;基于MEMS技术的引信隔爆机构的结构设计及工艺研究[D];南京理工大学;2008年
本文编号：2747602
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