超声振动辅助金属箔板微冲裁成形机理与断面质量控制

本项目针对惯性导航系统中的金属箔板微型构件制造瓶颈问题，提出了超声振动辅助箔板微冲裁成形新工艺。使用机电转换系数高的PZT-8压电陶瓷夹心式超声换能器，优化设计了超声振子和超声驱动电源，研制了箔板超声振动微拉伸实验装置开展实验研究。结果表明，施加超声振动后，出现了材料流动应力降低的Blaha效应；振幅越大，屈服强度降低越明显；硬化指数增加，表明均匀塑性变形量增加；板厚越小，流动应力降低越大，出现了Blaha效应与尺寸效应的耦合作用；抗拉强度降低，断口中心区域的韧窝数量明显增多。从位错吸收超声振动能量角度，基于晶体塑性理论、考虑超声能量和应力叠加效应构建了材料软化本构模型，开展了超声振动辅助微冲裁过程数值模拟，揭示了超声振动抑制裂纹萌生、提高断面质量的作用机理。 为了提高能量传递效率，优化设计了振子-冲头一体化的振子，研制了超声振动辅助微冲裁模具开展实验研究。结果表明，施加润滑剂后表面粗糙度从Ra0.101降低到了Ra0.006μm；超声振动使裂纹萌生从厚度的48.1%延缓至59.1%、撕裂带角度从18°减小到9°；EBSD分析表明，晶体取向更集中，小角度取向差比例减小，而大角度差比例增加，说明不利取向晶粒也参与了塑性变形。提出了超声振动-背压微冲裁工艺新方法，开展了导电环、微靶薄壁遮光圆环等微冲裁工艺研究，在超声振动振幅1.66 µm、频率36.1kHz，冲裁速度1mm/s等条件下，冲裁成形的最小特种结构尺寸为0.3mm，尺寸误差最大为2μm，光亮带比例95.32%，毛刺仅为2.93μm，满足了惯导系统、惯性约束聚变微靶系统等微系统的需求。 发表学术论文9篇，其中M&D等SCI高影响因子期刊论文8篇，申请国家发明专利6项，其中已经授权3项，培养研究生11名，参加国内外学术会议8次，其中邀请报告2次，获得最佳学术报告2次。 总之，本项目圆满完成了任务书规定的研究内容，实现了研究目标。 2100433B

金属箔板微型构件是惯性导航等系统的核心构件之一，采用冲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，严重制约了导航精度等系统性能的提高。为此，本项目提出超声振动辅助箔板微冲裁成形新工艺，利用超声振动塑性成形的Blaha效应和表面效应，抑制微冲裁剪切变形中的裂纹萌生与扩展，提升箔板塑性变形均匀性，降低接触摩擦力，以提高微冲裁成形质量。开展超声振动金属箔板塑性变形性能和断裂行为研究，基于晶体塑性理论和应力叠加原理，构建超声振动下箔板材料本构模型；研究多约束作用下箔板微冲裁剪切变形规律，揭示箔板微冲裁剪切变形尺寸效应、裂纹萌生与扩展机理，探讨超声振动下接触摩擦行为，探索箔板微型构件断面质量控制方法；开展超声振动辅助微冲裁成形工艺研究，揭示超声振动辅助金属箔板微冲裁成形机理，实现高质量箔板微型构件的精密一次成形，促进其在实际生产中的广泛应用，具有重要的实用价值和科学意义。

针对目前国内因超声辅助筛分的机理缺乏而导致超声辅助筛分设备盲目设计的现状，提出进行超声辅助细粉物料筛分的机理研究。. 本项目以揭示超声辅助细粉难筛物料筛分的机理为目标，以粉体颗粒技术、超声波技术、散体动力学和机械振动学为基础，综合考虑范德华力、静电力等因素，结合DLVO理论建立细粒物料的团聚模型；采用离散元理论和统计能量方法研究团聚物料在超声激励下运动行为；采用正交试验和优化方法选择典型物料振动与超声筛分时最佳组合参数。. 项目预期将建立振动与超声混合筛分过程的数学模型，获得物料特性与超声频率和振幅的关系，实现典型物料振动与超声筛分时最佳组合参数选择，从而提高细粉物料的筛分效率，彻底掌握超声辅助细粉难筛物料筛分的机理。

本项目提出了采用超声振动辅助磨削氧化锆陶瓷义齿的加工方法。阐明了超声振动辅助磨削氧化锆陶瓷的去除机理，掌握了振动参数对磨削力、义齿表面形貌及边缘碎裂的影响机制，提出了超声振动辅助磨削氧化锆陶瓷的磨削力和磨削温度的理论模型。研究了完全烧结氧化锆陶瓷义齿表面及亚表面损伤对其断裂和磨损性能的影响规律。为复杂曲面形貌义齿的高精高效的加工提供了一种新的技术途径，并为该技术在陶瓷口腔修复领域的可行性提供了理论指导和技术支持。

筛分广泛应用于冶金、矿业、化工、医药等工业领域，是物料颗粒分离的主要技术之一。细粉物料颗粒筛分是一个比较复杂的过程，由于颗粒间存在强烈的范德华作用力，具有强吸附性，易于粘结成团聚体，从而堵塞筛孔，使筛分效率低下。针对目前国内超声辅助筛分的机理缺乏而导致超声辅助筛分设备盲目设计的现状，因此，本文提出了超声波辅助细粉物料筛分的机理研究。本文主要的研究内容如下三个方面： 首先，对超声波作用下细粉颗粒团聚体分散的机理进行了理论分析，结合DLVO理论,并根据颗粒在筛分中由范德华力和超声波振动产生的能量和作用力，建立了颗粒的能量模型和受力模型。其次，对超声波振动筛进行了动力学及运动学分析，并对筛面物料在振动筛振动与超声振动综合作用下进行了运动分析； 其次，利用离散元法，在EDEM中对细粉物料颗粒团聚体凝聚和超声波作用下的分散过程进行了模拟。同时，对颗粒的分层与透筛过程进行了模拟研究，比较了不同形状颗粒对分层过程的影响和有无超声波振动的分层效果，模拟分析了不同的振动参数对物料颗粒透筛的影响。探索了物料颗粒的分层透筛机理，获得了物料颗粒透筛时的最佳振动参数； 最后，以硅粉为研究对象,通过实验对超声波辅助破坏物料团聚性、吸附性的机理进行了实验验证。研究结果表明，超声波振动能够有效地打散颗粒团聚体，解决筛孔堵塞的问题，从而显著地提高筛分效率。同时,对影响筛分效率的各种振动参数进行了实验验证研究，获得了硅粉物料在振动筛振动与超声波振动共同作用下筛分时的最佳组合参数。