超聲振動(dòng)輔助金屬箔板微沖裁成形機(jī)理與斷面質(zhì)量控制

本項(xiàng)目針對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的金屬箔板微型構(gòu)件制造瓶頸問題，提出了超聲振動(dòng)輔助箔板微沖裁成形新工藝。使用機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)高的PZT-8壓電陶瓷夾心式超聲換能器，優(yōu)化設(shè)計(jì)了超聲振子和超聲驅(qū)動(dòng)電源，研制了箔板超聲振動(dòng)微拉伸實(shí)驗(yàn)裝置開展實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，施加超聲振動(dòng)后，出現(xiàn)了材料流動(dòng)應(yīng)力降低的Blaha效應(yīng)；振幅越大，屈服強(qiáng)度降低越明顯；硬化指數(shù)增加，表明均勻塑性變形量增加；板厚越小，流動(dòng)應(yīng)力降低越大，出現(xiàn)了Blaha效應(yīng)與尺寸效應(yīng)的耦合作用；抗拉強(qiáng)度降低，斷口中心區(qū)域的韌窩數(shù)量明顯增多。從位錯(cuò)吸收超聲振動(dòng)能量角度，基于晶體塑性理論、考慮超聲能量和應(yīng)力疊加效應(yīng)構(gòu)建了材料軟化本構(gòu)模型，開展了超聲振動(dòng)輔助微沖裁過程數(shù)值模擬，揭示了超聲振動(dòng)抑制裂紋萌生、提高斷面質(zhì)量的作用機(jī)理。 為了提高能量傳遞效率，優(yōu)化設(shè)計(jì)了振子-沖頭一體化的振子，研制了超聲振動(dòng)輔助微沖裁模具開展實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，施加潤滑劑后表面粗糙度從Ra0.101降低到了Ra0.006μm；超聲振動(dòng)使裂紋萌生從厚度的48.1%延緩至59.1%、撕裂帶角度從18°減小到9°；EBSD分析表明，晶體取向更集中，小角度取向差比例減小，而大角度差比例增加，說明不利取向晶粒也參與了塑性變形。提出了超聲振動(dòng)-背壓微沖裁工藝新方法，開展了導(dǎo)電環(huán)、微靶薄壁遮光圓環(huán)等微沖裁工藝研究，在超聲振動(dòng)振幅1.66 μm、頻率36.1kHz，沖裁速度1mm/s等條件下，沖裁成形的最小特種結(jié)構(gòu)尺寸為0.3mm，尺寸誤差最大為2μm，光亮帶比例95.32%，毛刺僅為2.93μm，滿足了慣導(dǎo)系統(tǒng)、慣性約束聚變微靶系統(tǒng)等微系統(tǒng)的需求。 發(fā)表學(xué)術(shù)論文9篇，其中M&D等SCI高影響因子期刊論文8篇，申請(qǐng)國家發(fā)明專利6項(xiàng)，其中已經(jīng)授權(quán)3項(xiàng)，培養(yǎng)研究生11名，參加國內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議8次，其中邀請(qǐng)報(bào)告2次，獲得最佳學(xué)術(shù)報(bào)告2次。 總之，本項(xiàng)目圓滿完成了任務(wù)書規(guī)定的研究內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了研究目標(biāo)。 2100433B

金屬箔板微型構(gòu)件是慣性導(dǎo)航等系統(tǒng)的核心構(gòu)件之一，采用沖裁成形后再切削加工的方法，制造效率和成形件合格率均很低，嚴(yán)重制約了導(dǎo)航精度等系統(tǒng)性能的提高。為此，本項(xiàng)目提出超聲振動(dòng)輔助箔板微沖裁成形新工藝，利用超聲振動(dòng)塑性成形的Blaha效應(yīng)和表面效應(yīng)，抑制微沖裁剪切變形中的裂紋萌生與擴(kuò)展，提升箔板塑性變形均勻性，降低接觸摩擦力，以提高微沖裁成形質(zhì)量。開展超聲振動(dòng)金屬箔板塑性變形性能和斷裂行為研究，基于晶體塑性理論和應(yīng)力疊加原理，構(gòu)建超聲振動(dòng)下箔板材料本構(gòu)模型；研究多約束作用下箔板微沖裁剪切變形規(guī)律，揭示箔板微沖裁剪切變形尺寸效應(yīng)、裂紋萌生與擴(kuò)展機(jī)理，探討超聲振動(dòng)下接觸摩擦行為，探索箔板微型構(gòu)件斷面質(zhì)量控制方法；開展超聲振動(dòng)輔助微沖裁成形工藝研究，揭示超聲振動(dòng)輔助金屬箔板微沖裁成形機(jī)理，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量箔板微型構(gòu)件的精密一次成形，促進(jìn)其在實(shí)際生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，具有重要的實(shí)用價(jià)值和科學(xué)意義。

針對(duì)目前國內(nèi)因超聲輔助篩分的機(jī)理缺乏而導(dǎo)致超聲輔助篩分設(shè)備盲目設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，提出進(jìn)行超聲輔助細(xì)粉物料篩分的機(jī)理研究。. 本項(xiàng)目以揭示超聲輔助細(xì)粉難篩物料篩分的機(jī)理為目標(biāo)，以粉體顆粒技術(shù)、超聲波技術(shù)、散體動(dòng)力學(xué)和機(jī)械振動(dòng)學(xué)為基礎(chǔ)，綜合考慮范德華力、靜電力等因素，結(jié)合DLVO理論建立細(xì)粒物料的團(tuán)聚模型；采用離散元理論和統(tǒng)計(jì)能量方法研究團(tuán)聚物料在超聲激勵(lì)下運(yùn)動(dòng)行為；采用正交試驗(yàn)和優(yōu)化方法選擇典型物料振動(dòng)與超聲篩分時(shí)最佳組合參數(shù)。. 項(xiàng)目預(yù)期將建立振動(dòng)與超聲混合篩分過程的數(shù)學(xué)模型，獲得物料特性與超聲頻率和振幅的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)典型物料振動(dòng)與超聲篩分時(shí)最佳組合參數(shù)選擇，從而提高細(xì)粉物料的篩分效率，徹底掌握超聲輔助細(xì)粉難篩物料篩分的機(jī)理。

本項(xiàng)目提出了采用超聲振動(dòng)輔助磨削氧化鋯陶瓷義齒的加工方法。闡明了超聲振動(dòng)輔助磨削氧化鋯陶瓷的去除機(jī)理，掌握了振動(dòng)參數(shù)對(duì)磨削力、義齒表面形貌及邊緣碎裂的影響機(jī)制，提出了超聲振動(dòng)輔助磨削氧化鋯陶瓷的磨削力和磨削溫度的理論模型。研究了完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷義齒表面及亞表面損傷對(duì)其斷裂和磨損性能的影響規(guī)律。為復(fù)雜曲面形貌義齒的高精高效的加工提供了一種新的技術(shù)途徑，并為該技術(shù)在陶瓷口腔修復(fù)領(lǐng)域的可行性提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

篩分廣泛應(yīng)用于冶金、礦業(yè)、化工、醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域，是物料顆粒分離的主要技術(shù)之一。細(xì)粉物料顆粒篩分是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，由于顆粒間存在強(qiáng)烈的范德華作用力，具有強(qiáng)吸附性，易于粘結(jié)成團(tuán)聚體，從而堵塞篩孔，使篩分效率低下。針對(duì)目前國內(nèi)超聲輔助篩分的機(jī)理缺乏而導(dǎo)致超聲輔助篩分設(shè)備盲目設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，因此，本文提出了超聲波輔助細(xì)粉物料篩分的機(jī)理研究。本文主要的研究內(nèi)容如下三個(gè)方面： 首先，對(duì)超聲波作用下細(xì)粉顆粒團(tuán)聚體分散的機(jī)理進(jìn)行了理論分析，結(jié)合DLVO理論,并根據(jù)顆粒在篩分中由范德華力和超聲波振動(dòng)產(chǎn)生的能量和作用力，建立了顆粒的能量模型和受力模型。其次，對(duì)超聲波振動(dòng)篩進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并對(duì)篩面物料在振動(dòng)篩振動(dòng)與超聲振動(dòng)綜合作用下進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析； 其次，利用離散元法，在EDEM中對(duì)細(xì)粉物料顆粒團(tuán)聚體凝聚和超聲波作用下的分散過程進(jìn)行了模擬。同時(shí)，對(duì)顆粒的分層與透篩過程進(jìn)行了模擬研究，比較了不同形狀顆粒對(duì)分層過程的影響和有無超聲波振動(dòng)的分層效果，模擬分析了不同的振動(dòng)參數(shù)對(duì)物料顆粒透篩的影響。探索了物料顆粒的分層透篩機(jī)理，獲得了物料顆粒透篩時(shí)的最佳振動(dòng)參數(shù)； 最后，以硅粉為研究對(duì)象,通過實(shí)驗(yàn)對(duì)超聲波輔助破壞物料團(tuán)聚性、吸附性的機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，超聲波振動(dòng)能夠有效地打散顆粒團(tuán)聚體，解決篩孔堵塞的問題，從而顯著地提高篩分效率。同時(shí),對(duì)影響篩分效率的各種振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究，獲得了硅粉物料在振動(dòng)篩振動(dòng)與超聲波振動(dòng)共同作用下篩分時(shí)的最佳組合參數(shù)。