Zr基非晶合金超声辅助挤压成形工艺研究

非晶合金论文 超声振动论文 单轴压缩论文 微挤压论文
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随着微型零件在电子、通讯和微机电系统等领域的应用愈来愈广泛,微型零件的成形制造工艺受到广泛关注。微塑性成形技术由于具有高精度、高生产效率、低成本和净成形等优点,已成为微型零件制造的关键技术之一。非晶合金以其独特的非晶态结构,可避免在微成形过程中产生晶粒尺寸效应,且在过冷液相区具备优良的塑性成形能力,因此在微塑性成形领域具有广阔的应用前景。在目前的非晶合金微塑性成形工艺中,仍存在非晶合金材料微充填性能差和接触摩擦力大等问题,直接影响非晶合金的微成形质量。为了改善非晶合金的微成形性能,本文在非晶合金成形过程中引入超声振动,以Zr35Ti10Cu26.75Be8.25块体非晶合金为研究对象,对非晶合金的超声辅助单轴压缩和微挤压过程进行成形试验,研究过冷液相区非晶合金的单轴压缩塑性变形特性和模具挤压成形时的微塑性成形特性,并采用ABAQUS有限元软件对成形过程进行数值模拟,分析超声振动对非晶合金挤压成形过程的作用机理。研究内容如下:1.采用铜模吸铸法制备直径为3mm的Zr35Ti10Cu26.75Be8.25非晶合金棒料,测定其过冷液相区的温度范围为308-456℃。采用模具整体取放原则,设计微挤压成形模具。并采用课题组自行研制的超声振动平台搭建了超声振动系统。检测结果表明超声振动系统的整体谐振频率为19969.3Hz,能够实现超声振动稳定加载,满足试验设计要求。2.对非晶合金试样进行不同超声功率输出、过冷态温度和挤压速度条件下的超声辅助单轴压缩成形试验,得到相应的真实应力-真实应变曲线、非晶合金单轴压缩的最大应力、最终成形面积和成形高度。试验结果表明:(1)随着过冷态温度升高和挤压速度降低,单轴压缩过程中非晶合金的流动应力和成形高度逐渐减小,挤压成形面积逐渐增加。当超声功率输出为40%、成形温度380℃、挤压速度为0.12mm/min时,非晶合金的流动应力降低了32.8%,成形件面积增加了55.6%,成形高度减小了50.0%。(2)成形温度380℃、挤压速度为0.24mm/min条件下,当超声功率输出从零依次增加到60%时,最大流动应力减小了57.8%,挤压面积增大了266.1%,这表明随着工具超声振幅的增加,非晶合金的塑性成形能力得到了改善;采用ABAQUS对不同超声振幅下的单轴压缩过程及拉伸过程进行数值模拟,发现与常规压缩过程相比,超声振动能够加快非晶合金在成形过程的流变速率,增加自由体积浓度,降低粘度,从而使非晶合金的塑性变形更加容易。3.对非晶合金试样进行不同超声功率输出、过冷态温度和挤压速度的变截面超声辅助微挤压成形试验,得到相应的真实应力-真实应变曲线和非晶合金试样的微挤压成形长度,并计算出相应的等效填充长度。试验结果表明:(1)成形温度380℃、挤压速度为0.24mm/min条件下,当超声功率输出从0增加到60%时,最大应力减小了60.17%,试样等效填充长度增加了810.9%。这表明工具超声振幅越大,超声软化作用越明显,非晶合金的微成形能力增强越显著。同时采用ABAQUS对不同超声振幅条件下的微挤压成形过程进行仿真分析,发现施加辅助超声振动还能降低成形过程等效摩擦系数。(2)随着微挤压成形温度升高和挤压速度降低,非晶合金的成形流动应力逐渐减小,试样等效填充长度随之增加。当超声输出功率40%,成形温度380℃、挤压速度为0.12mm/min时,非晶合金的挤压流动应力降低了31.88%,试样等效填充长度增加了264.2%。(3)研究还表明升高成形温度和加载超声振动均能够增强非晶合金的微挤压成形能力,但加载超声振动可获得相对更好的改善效果。(4)利用ABAQUS对非晶合金微挤压过程进行工艺参数优化仿真分析,结果表明,当超声振动频率为60kHz,接触面摩擦系数在00.1之间,过冷态成形温度为380℃,挤压速度0.12mm/min,超声振幅为24μm时,可获得更好的超声软化效果及非晶合金微挤压成形质量。
作者简历第6-8页
摘要第8-10页
Abstract第10-12页
第一章 绪论第15-25页
    1.1 课题研究背景、目的及意义第15-16页
    1.2 微塑性成形的研究进展第16-17页
    1.3 非晶合金的发展概况第17-21页
        1.3.1 非晶合金的发展历史及现状第17-18页
        1.3.2 非晶合金的性能及应用第18-20页
        1.3.3 非晶合金的微挤压成形工艺第20-21页
    1.4 超声振动在微塑性成形中的研究现状第21-23页
    1.5 论文研究的内容第23-25页
第二章 非晶合金超声辅助微塑性成形理论及试验装置设计第25-41页
    2.1 块体非晶塑性变形机理第25-27页
    2.2 超声振动对材料流变行为的作用机理第27-31页
        2.2.1 体积效应及理论第27-29页
        2.2.2 表面效应及理论第29-31页
    2.3 超声振动非晶合金挤压成形试验装置研制第31-40页
        2.3.1 非晶合金试样的制备与测试第31-33页
        2.3.2 成形模具设计第33-35页
        2.3.3 非晶合金超声辅助挤压成形系统的设计第35-40页
    2.4 本章小结第40-41页
第三章 Zr35非晶合金超声辅助单轴压缩试验研究及数值模拟第41-62页
    3.1 Zr35非晶合金超声辅助单轴压缩试验第41-52页
        3.1.1 试验方案与试验过程第41-43页
        3.1.2 温度对Zr35非晶合金单轴压缩过程的影响第43-46页
        3.1.3 挤压速度对Zr35非晶合金单轴压缩过程的影响第46-49页
        3.1.4 超声功率输出对Zr35非晶合金单轴压缩过程的影响第49-52页
    3.2 Zr35非晶合金超声辅助单轴压缩过程有限元模拟第52-56页
        3.2.1 单轴压缩过程有限元模型的建立第52-53页
        3.2.2 仿真结果与分析第53-56页
    3.3 超声辅助非晶合金变形机理研究第56-60页
        3.3.1 拉伸过程有限元模型的建立第56-57页
        3.3.2 仿真结果与分析第57-60页
    3.4 本章小结第60-62页
第四章 Zr35非晶合金超声辅助微挤压试验研究及数值模拟第62-83页
    4.1 Zr35非晶合金超声振动微挤压成形试验第62-73页
        4.1.1 试验方案与试验过程第62-63页
        4.1.2 超声输出功率对Zr35非晶合金微挤压过程的影响第63-67页
        4.1.3 温度对Zr35非晶合金微挤压过程的影响第67-70页
        4.1.4 挤压速度对Zr35非晶合金微挤压过程的影响第70-73页
    4.2 Zr35非晶合金超声振动微挤压成形数值模拟对比分析第73-79页
        4.2.1 微挤压成形过程有限元模型的建立第73-74页
        4.2.2 仿真结果与试验结果对比分析第74-79页
    4.3 Zr35非晶合金超声辅助微挤压工艺参数仿真优化第79-82页
    4.4 本章小结第82-83页
第五章 总结与展望第83-86页
    5.1 总结第83-84页
    5.2 展望第84-86页
致谢第86-87页
参考文献第87-91页
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