（机械制造及其自动化专业论文）a356合金微触变成形及其超声振动辅助机理研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本学位论文结合国家自然科学基金项目“超声振动辅助介观尺度半固态金属微触变 成形的理论和方法研究”( 资助号：5 0 7 7 5 2 0 3 ) ，以车载燃料电池制氢微反应器的反应载 体薄板作为研究对象，开展了微凸台阵列结构的微触变成形工艺及其超声振动辅助机理研 究。首先，分析了微触变成形工艺的可行性，并对微触变成形工艺的可行性进行了实验验 证；然后，对微凸台阵列结构的触变成形工艺进行了模拟和实验研究；最后，研究了微触 变成形中存在的尺度效应，并针对微凸台充型不完全的缺陷，提出在微触变成形中施加超 声振动来改善半固态金属的流动性，提高制品质量。 第1 章，阐述了本学位论文的研究背景与意义，详细介绍了国内外在金属微成形技术 和超声振动辅助金属成形技术方面的研究现状，并在此基础上，提出了论文的主要研究内 容。 第2 章，首先介绍了半固态金属触变成形工艺流程；随后，通过对半固态金属浆料流 动特性的研究，分析了半固态金属微触变成形工艺的可行性，并进行了触变成形工艺可行 性的实验验证。 第3 章，建立了a 3 5 6 合金在半固态温度区间的本构模型，并对其合理性进行了验证； 将a 3 5 6 合金在半固态温度区间的本构模型用于徼凸台阵列结构触变成形的模拟过程，采 用d e f o i 蝴软件分析了工艺参数( 坯料温度、成形速度、模具温度) 和模具几何结构参 数( 微孔深径比、占空比、徽孔位置) 对徽凸台阵列结构触变成形效果的影响，为微凸台 阵列结构触变成形工艺和模具结构设计提供了指导。 第4 章，根据触变成形的微凸台阵列结构典型形貌和应用要求，提出了微凸台阵列结 构综合质量的评价参数；并系统地研究了成形速度、坯料初始尺寸、润滑条件和成形力对 微凸台阵列结构充型效果的影响规律。 第5 章，进行了单个微凸台的微触变挤压成形实验，并以成形微凸台的高径比和成形 力作为评价参数，对微触变成形过程中存在的尺度效应进行了研究探索，结果表明：徼触 变成形过程中存在明显的尺度效应，并且微凸台的高径比随微孔直径的减小而降低，成形 力随徼孔直径的减小而增大。 第6 章，针对微凸台阵列结构在触变成形过程中充型不完全的缺陷，提出将超声振动 辅助引入金属微触变成形过程，研究了超声振动对成形力、材料流动性和微凸台高径比的 i 摘要 影响，结果表明：超声振动能够有效降低成形力，增加成形微凸台的高径比，提高微凸台 结构的触变成形质量。 第7 章，总结了论文的主要研究工作，并展望了未来的研究工作。 关键词：半固态；微触变成形；微凸台阵列结构；尺度效应；超声振动辅助。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u p p o n e db yn a t i o n a ln a n l r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i l l a ，( p r o j e c t 雠l e ：r 部e 口砌d 刀 t h et h e o 删研dm e t h o d 西u l t m s o 瓶c s s t e ds e m i s o l i dm i c mt h i x g 如期峨n gi t tm e s o - s c n t e ，g t a m n o 5 0 7 7 5 2 0 3 ) ，m i c r 0 吐i i ) 【o f o m 啦a n di t su l 撇1 1 i c 觞s i s 吼m 眺越锄w e r es t u d i e di n 锄s t h e s i sb yf l a b r i c a t i n gm i c r o - p i na r r a ys 仇l c t i l r e sa p l p l i e di nt 1 1 em i c r 0 - r e a c t o rf o ro n b o a r df i l e l p r o c e s s i n g l i t f i r s n y ，也ef b a s i b i l i 够o ft 1 1 em i c r 0 也i 】【o f o m i n gp r o c e s sw 嬲孤a l y z e db y 曲e s t i g a t 啦也ef l u i d i t ) ，o fs e m i - s o l i da l l o y sa n dw a sv e r i 丘e db ye x p e 血钮t n e n n _ u m 谢c a l s i m u l a t i o na n de ) 【p 商m 伽皓w e r ep e r f b m e dt 0s t l l d yt 1 1 em i c r ot 1 1 i ) 【o f o m i n gp r o c e s s e so f m i c r o - p i na r r a ys m l c t i l r c f i n a l l 弘也es i z ee 虢c t si nm i c r 0 也i ) 【o f o m i n gw e r ei n v e s t i g a t e d ，纽d u l 仃：l s o n i cv i b i a t i o nw 嬲m d u c c di n t 0m i c r o 也仅o f o n n i n gt oi m p r 0 v e 也ed i ef i l l i n go f s e m i - s o l i da l l o y i nc h a p t e rl ，也eb a c k g r 0 1 l n da n ds i 删f i c 趾c eo f 也i ss t u d yw e r em r o d u c e d 1 1 1 啦m e c u i 仃e n tr e s e a r c hs i t l i a t i 伽l so fm i c r 0m e t a lf o m 血gt e c h n o l o g y 趾du l 乜镐o n i c 硒s i s t e df o m i n g t e c h n o l o g yw e r ee x p a t i a t e d ，觚dt h er e s e a r c hc o 咖t so f 也i s 也e s i sw e r ep r 叩o s e d 1 1 1 c h a p t c r2 ，t h e 血i x o f o r n l 崦p r o c e s sw 嬲i 1 1 仃0 d u c e d t h 髓t l l ef e a s i b i l i t ) ro f 血c r o 也仅o f o r m i n gp r o c e s sw 髂触a l y z e db yi n v e s t i g a t i n g 也en u i d i 够o fs e m i s o l i da 1 1 0 y s ，粗dt 1 1 e f e a s i b i l i t ) ，w 嬲v e r i 丘e db yt h et h i 】【o f o 皿i n ge x p e r i m e m so fm i c r 0 - p i i la 玎a ys 仇l c t u r e 1 1 1c h 印t e r3 ，t h ec o n s t i t 吡i v em o d e lo ft 1 1 ea 3 5 6a l l o yi nt h es 锄i - s o l i dt e m p e r a n l r em g e w 勰d e 、，e l o p e dc o n s i d e r i n g 也ei n f l u e n c e so ft e m p 蹦l n 鹏，s 仃血a n ds 仃a i nr a t e ，a n d 也e v a l i d a t i o no f 也ec o 邶t i t l l t i v em o d e lw 弱p 幽珊e d t h e n 也ec o n s t i t i l t i v em o d e lw a su s e dt o s i m u l a t et h et h 议o f o m i n go fm i c r 0 - p i n 蝴ys t n l c _ t l l r e s t h ei n f l u e n c eo fp r o c e s sp a r a m e t e r s ( w o 却i c c et e m p e r a ：t i l r c ，f o m i n gv e l o c i 够a n dm o l dt e m p e r a n l r e ) a n d 血eg e o m e t r i cp 猢e t e r s o f t l l ed i e ( d 印血t 0m 锄e t d i ed u 够栅oa n dp o s i t i o no f t l l em i c r oh o l e ) o nn 血。鼬go f m i c r o - p i n 锄ys 仃u c t 山e sw e r e 觚a 1 ) ，z e db yd e f o i u ms o 觚a r e t h e 觚a l y s i sr e s u h sp r o v i d e d 也eg u i d a n c ef o r 也ed e s i g no f t l l e 也议o f 0 m i n gp r o c e s s 缸dd i e 鼬n l c m r e i i lc h a p t e r4 ，t l l ep a r a m e t e r st oa s s e s st h eq u a l i 妙o fm i x o f o 珊e dm i c r o p i n 撇ys 劬l c n 肺嚣 w e r ep r e s e n t e db 舔e do n 也r t ) ，p i c a lf c a n l r e so f 血c r o p i n s a c c o r d i n gt 0m er e s u l t so f t h i x o f o 肋i 1 1 9e x p 幽e 舭，也ei n n u 饥c e so ft l l ef o m i i 玛v e l o c 咄w o 却i e c es h a p e ，l u b r i c a t i o n i a b s t r a c t c o n 础o n 孤df 0 m m gl o a d0 n 也i x o f o 册e dm i c i d - p i n 锄rs n u c t i l l 髑w e r e 趾a 1 ) i z e d i i lc h a p t e r5 ，也es i n g l em i c r 0 - p i nw 弱也i x o f 0 皿e dl l n d e f 衄断e n tl u t 埘c 撕0 nc o n d i d o 璐 t h es 讫ee 能c t se x i s t i n gi 1 1t h em i c r 0t l l i ) 【o f o 加血gw e r ei n v e s t i g a t e db 弱e d0 nt w o 舔s e s s m e n t p a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h eh e i g h t - d i a m e t e rr a t i oo f 也ef o m e dm i c r 0 巾i i l 跹d 也ef i o m l i i l gf o r c e t h er e s u l t si n d i c a t e d 也a ts i g n j f i c a n ts i z ee 侬鹏e x i s t e di nt h em i c r 0t h i x o f o 皿i n g w 池t 1 1 e d e c r e 雏eo f 也eh o l ed i a m e t e r ，t h eh e i g l l t - m a m e t e r 枷oo f 也ef o m e dm i c r o - p i nd e c e 鹤e d ，a n d t l l ef 0 m l i n gf o r c ei n c r e 嬲e d i i lc h a p t e r6 ，d u et 0t 1 1 ed e f 融o fi 1 1 c o m p l e t ed i ef i l h n go fm i c r 0 - p i na r r a ys 仇l c t i l r e ， u 1 吣o n i cv i b r a d o nw 嬲a d o p t e di nt 1 1 em i c r ot h i x o f 0 i m i l l g t h ei n n u 饥c e so f 也eu l 懈o n i c v i b 砸o no nt h ef 0 i m 啦f o r c e ，t l l en u i d 毋o fm a t 耐a la n d 也eh e i 出一m 锄e t e r 枷oo ft 1 1 e f i o m e dm i c r 0 - p i nw e r ei n v e s t i g a t o d t h er e s l l l t si n d i c a t e d 也a tu 1 仃够o n i cv 蜘i o nc a nd e c r c 嬲e t h ef 0 衄i i l gf o r c ea n di n c r e 觞e 也eh e i 曲t d i 锄e t e rr a t i oo f 也ef o m l e dm i c r 0 - p i l l 1 1 1c h a p t e r7 ，也ec l l i e fw o r ko f 妇1 i s 也e s i sw 鸽鲫m m a r i z e d ，趾dt l l e 矗j r t h e rr e s e 鲫c hw o r b w e r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：s e m i s o l i ds t a t e ；m i c r 0t l l i x o f o r m i n g ；m i c r 0 p i i la m 呵鼬n l c t i l r e ；s i z ee 恐c t s ； u l 臼镪o n i cv i b r a t i o n 浙江大学硕士学位论文 致谢 本学位论文是在导师梅德庆教授的具体指导和悉心帮助下完成的，论文中的许多工作 都凝聚着梅老师的智慧和心血。感谢您在学术上给予的指导和帮助，从论文选题、研究内 容和方案拟定、理论和实验研究到论文定稿，无不凝聚着您的智慧和汗水。您渊博的学识、 前瞻性的眼光、严谨的学术作风、扎实勤勉的工作态度和诲人不倦的高尚品德，时刻影响 和激励着我，使我受益匪浅。感谢您在生活上给予的长辈般无微不至的关怀与谆谆教导。 在此谨向您表示衷心的感谢和深深的敬意! 衷心感谢傅建中教授、王文副教授、杨克己教授、居冰峰教授在实验参数及结果测量 方面提供的帮助。 感谢实验室的李欣博士生、汪延成博士后、姚嚣赫博士生、钱淼博士生、倪虹博士生、 梁观浩博士生、黄严峻硕士、周红华硕士、金标硕士生、沈辉硕士生、甄永乾硕士生、施 庆波硕士生、戴宇硕士生、娄心洋硕士生，以及朱珠硕士、卢科青博士后、章婷硕士生、 文耀华硕士生和张选高硕士生等给予我的支持和帮助，是你们的帮助使研究工作得以顺利 完成，并让我度过了愉快而令人难忘的美好时光。 感谢同寝室的李结冻硕士生、李根硕士生和毛磊硕士生在生活中给予的关心。 感谢浙江大学对我的培养。浙大求是创新的精神和淳朴的学风将影响我的一生。 感谢浙江大学机械电子工程研究所傅新教授和胡亮博士后在生活和学习中给予的关 心和帮助；感谢洛阳科技大学在半固态a 3 5 6 合金流动应力测量中提供的帮助；此外，还 要感谢陕西优博超声科技研究所陶显明工程师在超声振动系统的设计和制造方面提供的 帮助和合作。 感谢父母的养育之恩，感谢您们含辛茹苦地培养我成才；感谢我美丽、贤惠的女友申 慧敏对我的理解、鼓励和关爱，正是你给了我无限的动力和希望。 感谢所有帮助、关心、理解和支持我的老师、同学和朋友们。 感谢国家自然科学基金“超声振动辅助介观尺度半固态金属微触变成形的理论和方 法研究”( 项目编号：5 0 7 7 5 2 0 3 ) 对本文研究工作的资助。 最后，谨向百忙中抽出宝贵时间评审本论文的各位专家、学者致以最诚挚的谢意。 唐 培 二零一二年二月于求是园 第1 章绪论 1 绪论 【本幸摘要】本章阐述了论文“a 3 5 6 合金微触变成形及其超声振动辅助机理研究”的背景与意 义，综述了当前国内外金属微成形技术和超声振动辅助金属成形技术的研究现状，并提出了本论文的 主要研究内容以及框架结构。 1 1 论文研究的背景与意义 2 0 世纪7 0 年代，美国麻省理工学院的f l e m i n g s 教授对处于固液混合状态并施加机械 搅拌的锡铅等合金的流变特性进行了研究，发现搅拌后的合金因枝晶结构被打碎形成球状 颗粒而具有很低的粘度，从而提出了半固态金属成形( s e m i s o l i dm e t a l f o m 洫g 釉c e s s i n g ，简称s s f 或s s p ) 技术1 2 1 。近年来，半固态金属成形在国内外得到 了广泛关注。从1 9 9 0 年开始，每两年召开一次国际金属与复合材料半固态加工学术会议， 至今为止己成功地举办了1 1 届。其中，第1 1 届合金与复合材料半固态成形国际会议于2 0 1 0 年在北京召开。会议指出：半固态成形技术进一步获得学术界和工业界的认可，但工业应 用仍然受到很大地限制；开发新合金、提高工艺的可靠性、建立可供实际应用的热流分析 的两相数学模型、成套技术与装备和进一步加强研究与应用的互动是今后的研究重点【3 】。 金属微成形( m e t a lm i c r o f o 蛐) 技术兴起于2 0 世纪9 0 年代，是将传统塑性加工 工艺应用于微型金属元件制造的新技术【4 】。微型金属元件是指至少两维尺度在亚毫米范围 内的零件，包括微零件( m i c r o p a i t ) 、微结构零件( m i c r o s 仇】c n l r e dc o m p o n e n t ) 和微精度 零件( m i c p r e c i s i o np a i t ) 。微零件是具有低于毫米级的内部特征形状，而外形只有几毫 米的零件；微结构零件是外形在几毫米到几厘米之间，但至少在两维尺度上具有微米级甚 至纳米级的微细结构零件；微精度零件是外形及内部特征具有微米级几何公差的高精度零 件【5 1 。相较于超精密加工、深反应离子刻蚀、l i g a 及准l i g a 技术、分子装配技术，徽 成形具有的大批量、高效率、高精度、高密度、短周期、低成本、无污染、净成形等固有 特点极大地推动了徼成形在信息技术、生物医疗、光学和新能源等领域的应用【4 。近年 来，许多国家对微成形技术的研究投入了大量资金。美国国会将微机械列为2 l 世纪重点 发展学科，日本从1 9 9 1 年起将微机械研究作为国家重大科研项目忉，德国研究技术部将 微型机械系统工程列为新开发的重点项副8 1 ，我国国家自然科学基金委员会已将微型化制 造列入重点资助领域。 2 0 0 4 年，荷兰的s t e i n h o 行首次提出了微触变成形( m i c t h i ) 【o f o r n l 她) 的概念和方 法，指出半固态徼成形技术在微型化制造领域拥有巨大潜力【9 】。2 0 0 7 年，美国密西根大学 的磁m 等人利用微触变成形的方法制造了燃料电池微反应器中具有徼结构的反应基板【1 0 1 。 浙江大学硕士学位论文 在国内，上海交通大学的童忠财等人对半固态徽挤压方法制造微型齿轮的可行性进行了分 析；陈金晶等人对半固体合金在锥形槽微型模具内的充型能力进行了研列1 2 1 。目前，半 固态微成形技术正逐步成为微制造领域内的研究热点。 具有微阵列结构的金属基板是半固态微成形技术制造的典型产品，它在两维尺度上处 于亚毫米量级，而在另一维尺度上处于几个毫米到几百个毫米之间。由于具有比表面积大 的特点，具有微阵列结构的金属基板被广泛应用于微反应泵、徼混合器、微反应器、微换 热器、微分离器和具有控制单元的完全耦合微反应系统中【1 3 。4 】。近年来，应用于车载燃料 电池中的高精度和大比表面积的具有微阵列结构的金属基板的需求日益增加，正成为半固 态微成形技术的研究热点【1 0 】。因此，对具有微阵列结构的金属基板的半固态微成形制造技 术的研究具有十分重要的意义。 本论文得到国家自然科学基金项目( 资助号：5 0 7 7 5 2 0 3 ) 的资助，以车载燃料电池制 氢微反应器的反应载体薄板作为研究对象，开展了微凸台阵列结构的微触变成形工艺及其 超声振动辅助机理研究。本文建立了半固态a 3 5 6 合金的材料本构模型，并采用数值模拟和 实验研究的方法对半固态a 3 5 6 合金微凸台阵列结构的微触变成形工艺、微触变挤压成形过 程中的尺度效应和超声振动辅助条件下的微触变挤压成形工艺进行了深入研究。研究成果 对于深入探索金属微触变成形机理和微型金属元件微触变成形工艺设计开发等方面具有 指导意义。 1 2 金属微成形技术的研究现状 在过去3 0 多年的发展历程中，产品微型化已势不可挡，特别在信息技术、电子、微 系统技术( m s t ) 、微机电系统( m e m s ) 、生物医学、新能源技术等领域。这些产业的兴 起极大地推动了徼细加工技术( m i c r o f a b r i c 撕o n 批o l o g y ) 的发展，先后出现了超精密 机械加工、深反应离子蚀刻、l i g a 及准l i g a 技术、分子装配、等离子柬加工、激光、 微细电火花、微铣削等技术。但是，微型化产业所要求的大批量、高效率、短周期、低成 本、无污染、净成形等特点制约了上述微细加工技术的广泛应用【”】。因此，在2 0 世纪9 0 年代，人们将视线转向了适合大批量微型金属零件制造的徼成形技术，使其在短短2 0 多 年内得到了迅速发展【16 】。 1 2 1 常温金属微成形技术的研究现状 常温下的金属微成形按坯料形态的不同可以分体积微成形和板材微成形。体积微成形 包括微镦粗、微模锻、正反徽挤压和微压印等；板材微成形包括微弯曲、徼拉深、微冲裁 2 第l 章绪论 和微胀形等【1 5 】。与宏观尺度下的成形技术相比，金属微成形技术具有新的特点【4 】：( 1 ) 金 属微成形过程中尺度效应的出现；( 2 ) 金属微成形模具、设备的设计和制造面临新的挑战。 ( a ) 金属微成形尺度效应的研究现状 目前，受限于微成形中尺度效应的认知程度，对徵成形中的尺度效应并没有一 个统一、确定的定义。哈尔滨工业大学的张凯锋教授将微成形过程中的尺庚效应定 义为：由于制品整体或局部尺寸的微小化引起的成形机理及材料变形规律表现出不 同于传统成形过程的现象【1 5 】。现有的研究表明，几乎所有的微成形过程中都存在不同程 度的尺度效应。尺度效应主要对材料的流动变形规律、试样与模具间的摩擦机理以及成形 零件的力学特性等有较大的影响【1 7 。1 8 】。 在微成形过程中，由于尺度效应的影响，随着试样尺寸的减小，流动应力有减小的趋 势。g e 远e r 等人根据相似评估理论，对不同尺寸的纯铜、c u z n l 5 合金和c u s n 6 合金圆柱 形坯料进行了墩粗实验，其中，c 1 亿n 1 5 合金镦粗结果如图1 1 所示，发现材料的流动应 力随着工件尺寸的减小而减小1 9 2 。g e e r s 采用晶粒尺度相同、厚度为0 1 o 5m m 的纯 铝板材进行了拉伸实验，如图1 2 所示，材料的强度随板材厚度的减小而降低【2 2 1 。蹦s 等 人使用再结晶软化状态下的c u n 订8 z n 2 0 和c u z n l 5 合金薄板进行了微拉伸实验，结果表 明：随着试样尺寸的减小，流动应力减小；当晶粒尺寸为0 2 。o 5 衄，板厚尺寸为o 2 o 5 衄时，流动应力反而出现增大的现剿2 3 1 。因此，在微成形中，随着晶粒尺度的增大 或者试样特征尺寸的减小，材料表现出软化和硬化两个两个阶段的尺度效应：当晶粒尺度 与试样尺寸相差悬殊时，随着试样尺寸的减小或者晶粒尺度的增大，材料出现软化现象； 当晶粒尺度与试样尺寸接近时，随着试样尺寸的减小或者晶粒尺度的增大，材料出现硬化 现象【1 5 】。 m a b 哟l ：c u z n ls 姗妇：l # 7 9 p m 珥越 c h 、一e i o c 醣：v ：1 蛔w 诵晌吱 h 妇喀豳n ：p r r f e 一l s - 0 。1 2 柚 t l 童 图1 1材科流动应力减小曲线f 2 l 】 3 急 浙江大学硕士学位论文 o 0 5( ) 1 5f ，2 5 i 三| u i 、。l c n tg 1 r e n l 瑚g f _ ；l n l 孵譬i r 丑i n 一 d c c 擘f a i n v o j u ，t 1 eg r a in ，叶叫、， 图1 2 相同晶粒度、不同厚度纯铝板材拉伸试验应力应交曲线2 2 】 尺度效应对材料流动应力的影响可以用如图1 3 所示的表面层模型进行解释【2 0 j 。随着 拉伸和镦粗试样尺寸的减小或者试样内部晶粒度的增加，位于试样表层的晶粒所占比例增 加；而与试样内部晶粒相比较，表面层晶粒受到周围晶粒的约束较小。当晶粒尺度与试样 尺寸相差悬殊时，试样变形主要是晶粒的位错运动，随着试样尺寸的减小或者晶粒尺度的 增大，材料的流动应力下降；当晶粒尺度与试样尺寸接近时，试样变形除了晶粒的位错运 动，还有晶粒自身的变形，材料硬化趋势明显，此时，随着试样尺寸的减小或者晶粒尺度 的增大，材料流动应力增加，并且材料变形呈现不均匀性【4 】。 4 图1 3 表面层模型示意图【2 0 1 第1 章绪论 在微成形中，尺度效应对试样与模具间的摩擦机理的影响，是通过特定的试验进行研 究的。1 9 6 4 年，m a l e 和c o c k c r o n 等人提出采用环形挤压实验( r j n gc o m p r e s s i o nt e s t ) 研究微成形中的摩擦尺度效应【2 4 1 ，e n g e i 等人采用该方法进行实验，发现微成形中摩擦随 试样尺寸的减小而增大【2 5 1 。1 9 7 6 年，g e i g e r 提出使用双杯挤压实验( d c e ) 评估微成形 中的摩擦【2 6 】。随后，b u s c h h a u s 【2 刀和加i 伽【t o 俨8 】等人进一步发展了双杯挤压法。双杯挤 压实验具有大变形面积、高应变和高压力的特点，能够很好地反映徼成形中的摩擦状态。 另外，正挤压法( f o 刑a r de x 仇l s i o n ) 【2 9 1 、镦粗滑移法( u p s 眦i 1 1 9 s l i d i n gt e s t ) 【3 0 3 1 1 和锥 孔挤压法( s p i l 【et e 秘) 【3 2 1 在微成形摩擦系数测量方面也有很广泛的应用。2 0 0 9 年，z h a n g 等人将压缩和挤压相结合，提出了一种测量微成形中摩擦系数的t 形挤压法( t - s h a p e c o m p r e s s i o n 豫t ) ，实验和模拟结果表明：摩擦系数可用位移载荷曲线和挤压成形的t 形 零件高度进行表征，并且t 形槽的夹角和转角半径越小，位移载荷曲线和挤压成形的t 形零件高度受摩擦的影响越明显【3 3 1 。 许多学者采用上述试验方法对微成形中的摩擦进行了测量，结果发现施加液体润滑剂 时，徽成形中摩擦系数随试样尺寸的减小而增大；施加固体润滑剂时，摩擦系数随试样尺 寸的减小而增大的程度有所减弱【3 4 1 。微成形中的摩擦尺度效应可以用开放和封闭润滑包模 型解释。如图1 4 所示，由于试样表面有一定的粗糙度，存在凸峰和凹谷，当凹谷与试样 边界接触就形成开放润滑包，反之就形成封闭润滑包。对有润滑剂的试样表面施加压力时， 开放润滑包内的润滑剂在压力的作用下流失，而封闭润滑包内的润滑剂仍然被封闭在凹谷 内，压力主要由试样表面的凸峰和封闭润滑包内的润滑剂承受。封闭润滑包内的润滑剂使 凸峰承受的压力减小，从而减小了试样与模具间的摩擦【4 】。当试样尺寸逐渐减小，如图1 5 所示，开放润滑包的数量增加，封闭润滑包的数量减少，从而导致试样表面的凸峰承受的 压力增加，试样与模具间的摩擦也就增加【3 ”。 l b 嗍删 l一， q ，画融 圭! 珥垮n i u b n c a n t i1 口蚓崦伍 粼曲一 哟靶l dd d i ；埔b 图1 4 开放和封闭润滑包模型h 1图1 5 试样微小化对开放和封闭润滑包的影响口5 1 浙江大学硕士学位论文 此外，尺度效应对成形零件的力学特性有较大的影响。g 啪觚等人进行了微米量级 尺度下的微观硬度实验，发现当压痕深度从1 0 岬减至l 岬时，金属的硬度增加一倍【3 6 】。 s t o e l l 【e n 等人的退火镍箔弯曲实验中晶粒尺度大于镍箔厚度，发现镍箔的厚度从1 0 0 岬 减至1 2 5 岬时，镍箔的无量纲弯曲硬化显著增加【37 1 。f l e c k 等人进行了细铜丝扭转实验， 结果表明：硬化效应随铜丝直径的减小而增强，当细铜丝直径为1 2 岬时，无量纲的扭矩 硬化增加至直径为1 7 0 岬时的3 倍。c a o 等人采用退火后的黄铜进行了正挤压实验， 当挤压后的试样横截面只有5 9 个晶粒时，晶粒发生不均匀变形导致试样弯曲【3 9 1 。在微 成形中，当试样尺寸接近晶粒尺寸时，单个的晶粒会导致试样变形不均匀、零件形状不规 则和工艺参数分散【4 0 。2 1 。 ( b ) 金属徼成形模具、设备的研究现状 成形制品的微型化，对微成形模具的制造精度提出了更高的要求，微型模具是保证零 件尺寸、形状、精度和质量的关键。目前，金属微成形模具主要通过超精密机械加工进行 制造。s o b i s 等人通过线切割加工出直径为1 0 岬的细丝【4 3 】。k 姐e r 等人通过磨削加工 制造的微型冲头如图1 6 所示，其最小直径为6 0 岬，公差为土2 岬，冲头的r a 值在0 1 至0 2 5 岬之间】。通过激光切割还可以获得1 0 岬的结构形状。另外，近些年发展起来 的深反应离子刻蚀、硅微细加工、l i g a 和原子束等加工手段可以获得微米甚至纳米的三 维结构【”】。 图1 6 磨削加工制造的微型冲头【】 微成形设备是参照传统成形设备进行设计开发的，除了要求更高的精度，在多道次的 微成形中，还必须考虑试样在多套模具中的快速准确定位问题。g e i g e r 等人研制的带有真 空吸头的夹持装置，搬运速度可达每秒4 个制件，搬运距离为2 5m m ，定位精度在5 岬 至1 5u m 之间【4 5 】。杨明等人开发的最大载荷2 3l 洲、最大行程1 5m m 的s 2 3 伺服驱动微 6 第1 章绪论 型压力机的主体尺寸为3 4 0 衄x3 3 0 衄5 4 5m m 【4 6 】。日本g 岫a 大学的s a o t o m e 等人 研制了具有体积微成形功能的机械系统，如图1 7 所示，该系统由微型模具装卡装置、加 热装置、载荷施加单元和控制单元等组成，能实现正向徼挤压和反向微挤压【4 7 1 。图1 8 所 示为c a o 等人研制的微挤压装置，徼挤压型腔采用e d m 粗加工，然后进行精磨，公差为 士1 0p m ，表面粗糙度在1 8 2 岬至2 5 8 岬之间【4 8 1 。 图1 7s a o t o m e 等人研制的徼挤压成形装置【4 7 】 图1 8c 等人研制的微挤压成形装置h 8 】 1 2 2 半固态金属徼成形技术的研究现状 尽管常温下的金属微成形已得到比较广泛的应用，但仍然存在一些难以解决的技术难 题：( 1 ) 应力集中导致模具寿命降低；( 2 ) 摩擦的影响增加；( 3 ) 试样内部变形不均匀； ( 4 ) 试样表面光洁度较低。为了解决上述问题，一些学者将注意力转向了更具有发展潜 力的半固态金属微成形技术。 经过近4 0 年的发展，宏观尺度下的半固态金属成形的理论和工艺已经逐渐发展成熟， 并在制造汽车零部件、飞机零部件和发动机零部件方面得到了广泛应用【4 9 1 。然而，由于微 成形机理比较复杂，微介观尺度下的半固态金属成形的发展较为缓慢。 2 0 0 4 年，s t e i n h o 厅首次提出了微触变成形的概念和方法，但并未对其进行深入研究9 1 。 7 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 7 年，美国密西根大学的鼬m 等人建立了半固态a 3 5 6 合金的本构模型，并将其应用 于燃料电池徽反应器中具有微阵列结构的反应基板的徼触变成形模拟过程中，分析了试样 初始尺寸、固相率、模具温度、成形速度和成形力对微触变成形中的微阵列结构充型、应 力和应变的影响；随后，用徼触变成形的方法制造了微阵列结构，对微阵列结构进行了测 量，如图1 9 所示，并对单个徼凸台的充型和微凸台阵列整体充型均匀性进行了分析，结 果表明：单个微凸台的充型受固相率和模具温度影响较大，徼凸台阵列的充型在整体上呈 现出不均匀性1 0 ，5 0 1 。 图1 9 m 等人利用徽触变成形方法制造的徽凸台阵列结构 1 o 5 0 】 在国内，童忠财等人采用半固态微触交挤压成形的方法制造了微型齿轮，研究了挤压 温度、挤压速度和挤压比对微型齿轮触变成形性能的影响，发现较低的挤压温度和挤压速 度有利于成形轮廓清晰的微型零件【1 1 。谢伟等人采用半固态z l l 0 1 合金进行了微正挤压 实验，发现在微成形中半固态条件可以降低3 0 一6 0 的挤压载荷，并且半固态微挤压 成形中出现了尺度效应【5 。陈金晶等人分析了锥形槽微型模具槽宽尺寸、成形温度对半固 态z l l 0 1 合金在微尺度下的充型能力的影响，发现在流动性上没有出现固态金属所表现出 的尺度效应12 1 。 1 2 3 目前研究有待深入的问题 由以上分析可知，目前对金属微成形的研究主要集中在常温下金属微成形中尺度效应 的理论建模、模拟分析和实验验证以及微成形模具、设备的设计制造，并且已开始应用于 工业生产。而半固态金属微成形的研究尚处于起步阶段，存在以下不足： ( 1 ) 半固态金属微触变成形机理研究：近年来，虽然在国外已出现了一些半固态金 属徼触变成形机理方面的研究报道，但并不完善，而且迄今为止国内并没有出现相关的理 论和实验研究。 ：一 d 第l 章绪论 ( 2 ) 半固态金属微触变成形尺度效应研究：国内的童忠财和陈金晶等学者已经开始 对半固态金属微触变成形过程中的尺度效应进行研究，但得到了完全相反的结论，并且研 究不够具有广泛性，有待于进一步研究。 因此，本论文以车载燃料电池制氢微反应器中具有微凸台阵列结构的反应基板为制造 对象，对半固态a 3 5 6 合金的微触变成形工艺和微触变成形过程中的尺度效应进行了研究。 1 3 超声振动辅助金属成形技术研究现状 2 0 世纪5 0 年代，日本率先开始了超声加工技术的研究。随后，原苏联和美国也开始 了超声加工技术的研究，并发表了一些很有价值的论文。经过5 0 多年的发展，超声加工 技术已在切削加工、磨削加工、光整加工、塑性成形、冲击加工和焊接等领域得到了广泛 研究和应用。其中，超声塑性成形加工中应用较多的有超声拉丝和超声拉管，而超声在其 它塑性成形加工中的应用尚处于研究阶段【5 2 1 。 1 3 1 超声振动辅助金属成形机理研究 1 9 5 5 年，b l a h a 等人在锌单晶体拉伸变形时施加超声振动，发现锌单晶体的应力在整 个拉伸过程中出现了下降的现象，如图1 1 0 所示，即所谓的超声软化效应( b l a h a e 觚t ) ， 从而开始了超声振动辅助塑性成形加工的研究【5 3 1 。 f e e 口 一 譬 芝 荔 图1 1 0b 1 a h a 等人锌单晶体拉伸变形应力曲线( a ：间断施加超声；b ：连续施加超声) f 5 3 】 1 9 5 7 年，n e 、，i l l 等人为了研究超声振动辅助成形的机理，在低碳钢的拉伸实验中施加 了频率为1 5 姐z 一8 0k h z 的振动，发现当应力低于低碳钢的屈服点时，没有出现超声软化 现象：当应力高于低碳钢的屈服点时，应力减小的幅度与施加振动的振幅成正比。并且振 动频率为1 5i 妇一8 0m z 时，应力减小的幅度与施加振动的频率无关。当温度为3 0 一 5 0 0 时，应力减小与温度无关。他们发展了b l a h a 提出的位错能从振动吸收能量的理论， 认为共振、松弛和迟滞是位错吸收振动能量的3 种机制，但没有一种能够满意的解释观察 q 浙江大学硕士学位论文 到的结果【5 4 1 。1 9 5 9 年，b 1 a h a 等人进行了超声振动辅助下铝和镉晶体的拉伸实验，振动频 率为8 0 0 姐z ，功率为2 w c m 2 。他们指出：停止施加超声振动后，应力回复比以前快；施 加超声振动导致o 9m a 应力的降低，而温度升高导致的应力降低只有o 2m a ，故应力降 低不能完全用温度升高来解释【5 5 1 。1 9 6 4 年，l a n g e n e c k e r 等人在铝的变形过程中施加1 0 1 5 e v 锄3 的超声振动能量使应力减小为零，而热能则需要1 0 2 2e v c m 3 才能达到同样的效果， 他们认为产生这种现象的原因是超声振动对位错和缺陷区域进行了局部加热，而热能则是 对试样进行了整体加热【5 6 1 。1 9 6 6 年，p o h l m a n 等人研究了铜试样在超声场( 2 0k h z ) 中的 拉伸变形，发现拉伸力只有在塑性变形阶段有降低，而在弹性变形阶段没有变化；并指出 在金属弯曲试验中，通过施加一定的超声振动，能够减小内摩擦和外摩擦【5 7 】。 1 9 6 6 年，l a n g e n e c k e r 发现了如图1 1 1 所示的超声硬化现象，当频率为1 5l 【h z 到1m h z ， 超声功率从5w c m 2 增加到1 5w 锄2 、2 5w c m 2 ，停止施加超声后，应力曲线回到了比未 加超声更高的位置。他认为超声软化现象是超声振动对试样进行了局部加热，降低了位错 产生滑移的能量；而超声硬化现象是由杨氏模量的改变引起的，但这与其他学者的观点不 一致【5 8 1 。 图1 1 lk m g e c k e r 在试验中发现的超声硬化现别5 8 】 w 却e r 等人在硬铝单向拉伸时施加1 0 0 h z 机械中振动，发现在弹性交形阶段没有出 现软化现象5 9 1 。在中碳钢、不锈钢、硬铜、硬铝和软铝的拉拔过程中施加超声振动，应力 1 0 的 的 e，6一嚣嚣n 第1 章绪论 软化可以由应力叠加机制解释。他们还认为超声能量没有降低摩擦系数，对材料的表面质 量和机械性能也没有影响【删。s a n s o m e 指出：拉拔力的减小量随着拉拔速度的增加而减小， 当拉拔速度大于模具振动速度的峰值时，拉拔力不再减小【6 1 1 。 1 9 7 0 年，w i n s p e r 等人给出了应力叠加机制的详细线弹性分析，认为：施加小功率超 声振动时，应力的减小可由叠加机制解释；施加大功率超声振动时，热软化作用增加【6 2 】。 同年，s c h l l l i d 在第一届大功率超声国际会议上回顾了超声振动对材料性能的各种影响，并 对超声软化和超声硬化现象进行了初步的理论解释旧】。1 9 7 1 年，i b 盟e r 通过实验研究了超 声振动对刚性模具和不同塑性金属间的摩擦系数的影响，发现施加的超声振动方向与摩擦 力平行时，摩擦系数几乎没有减小【删。 1 9 8 9 年，伽i m 等人在薄板弯曲实验中施加了2 7 姐z 的超声振动，结果表明：弯曲 角随振动幅值的增加略有增大；回弹角随振动幅值的增加而减小；弯曲试样的表面光洁度 有所提高【6 剐。s i e g e n 等人对拔丝中施加超声振动方向的影响进行了研究，发现振动方向和 拔丝方向一致时，超声振动对摩擦力的影响达到最大；振动方向垂直于拔丝方向时，超声 振动对材料成形性能的影响达到最大。并认为摩擦的减小和晶界吸收超声能量是拉拔力减 小的主要原斟觚8 1 。h a y a s m 等人采用有限元模拟的方法对超声振动辅助金属成形机制进 行了研究，发现超声软化现象与振幅和拉拔速度有关【6 9 】。 2 0 0 2 年，h u 趾g 等人对超声振动辅助镦粗实验进行了研究，发现施加超声振动可以降 低镦粗力，并能够降低试样的表面粗糙度7 0 1 。2 0 0 5 年，h l l n g 等人对超声振动辅助热镦粗 进行了实验研究，结果表明：镦粗力的减小幅度随试样温度的升高而降低；超声振动对热 镦粗的影响并不能用简单的机制进行解释【_ 7 1 】。 图1 1 2h u a n g 等人的镦粗试样：( a ) 施加超声；( b ) 无超声7 0 1 2 0 0 7 年，m e k a n l 等人将超声振动辅助应用于徼压印中。发现超声振动能够降低接触 时间和接触力，并能够增加材料的流动性，减少充型缺陷 7 2 1 。2 0 0 9 年，h u n g 等人在双杯 挤压实验中施加超声振动，发现超声振动导致试样温度上升和摩擦因子增大( 7 3 】。 2 0 0 5 年，触b 耐等人对超声振动辅助正挤压进行了模拟，发现超声振动方向与挤压 方向一致时，挤压力和材料流动应力显著减小，并且随着振幅的增加或者挤压速度的降低， 1 1 浙江大学硕士学位论文 挤压力减小量增加。但超声振动对材料等效应变没有影响【7 4 1 。2 0 0 7 年，r 0 s o c h o w s k a 等人 对超声振动辅助反挤压进行了模拟，发现弹性的模具更能代表实际的成形状态，并认为成 形力的减小的原因除了应力叠加之外，还有摩擦