超声振动辅助微体积成形机理及其塑性变形行为研究

Micro bulk forming assisted by ultrasonic vibration can greatly improve the materials’ formability, reduce the friction on the die/workpiece interface and improve the deformation uniformity and the quality of forming parts. It is a new kind of micro bulk forming process. This project will develop a versatile forming mechanism of ultrasonic vibration assisted micro bulk forming, study the influence of size effects and ultrasonic vibration on materials’ properties and deformation behaviors and reveal the coupling action mechanism of size effects and ultrasonic vibration on materials’ properties and deformation behaviors. This project establishes materials’ constitutive models and modeling methods to realize the numerical simulation of micro bulk forming assisted by ultrasonic vibration, and numerically reveal materials’ deformation behaviors and theirs changes. On the other hand, this project studies the coupling action of ultrasonic vibration, structural parameters of dies, process parameters, billet on materials’ flow and quality of microparts. Based on the researches above, the forming mechanism and deformation behaviors of micro bulk forming assisted by ultrasonic vibration are clarified. The studies have important theoretical and practical significance for the enrichment and development of the micro plastic forming theory and accelerate the application and development of the micro bulk forming assisted by ultrasonic vibration.

超声振动辅助微体积成形能够显著提高材料成形性能、减少模具与工件间的摩擦、提升变形均匀性和成形件质量，是一种新颖的微体积成形工艺。本项目拟研制高性能多用途的超声振动辅助微成形装置；研究尺度效应和超声振动对材料性能、材料塑性变形行为的影响规律，揭示尺度效应和超声振动对材料性能、材料变形行为的耦合作用机制；构建超声振动和尺度效应耦合条件下的材料本构模型，研究建立超声振动辅助微体积成形过程有限元数值模拟的建模方法，实现其成形过程的有限元数值模拟，定量揭示超声振动辅助微体积成形过程中材料的变形行为及其变化；研究获得超声振动参数、模具结构参数、成形工艺参数、坯料参数对变形流动规律和成形件质量的耦合作用。解决超声振动辅助微体积成形中的成形系统、成形机理及其塑性变形行为等基础问题，这对于丰富和发展微塑性成形理论和工艺，促进超声振动辅助微体积成形技术的应用和发展，都具有重要的理论意义与工程应用价值。

本项目以超声振动辅助微镦粗和微挤压等典型的微体积成形工艺为研究对象，通过工艺试验、理论建模、测试分析和数值模拟相结合的方法，研发了超声振动辅助微体积成形系统，满足了微成形的工艺需求；通过微镦粗实验和数值模拟方法，研究了超声振动对成形过程中的材料行为及其变化的影响规律，研究建立了晶粒尺度下纯铜材料的本构模型，以及超声振动辅助微镦粗过程的有限元建模方法，实现了其数值模拟；超声振动微镦粗过程中成形载荷、流动应力、应力应变分布、材料流动、界面摩擦以及试样鼓形程度等的变化规律，阐明了超声振动辅助微镦粗过程中的体积效应与表面效应的作用机制；实现了单晶铜超声振动辅助压缩过程的分子动力学建模与模拟，研究了原子、位错在超声振动作用下的运动状态以及原子间结合强度的变化，揭示了微尺度条件下超声振动对材料行为的作用机制；研究获得了超声振动辅助微挤压工艺的超声振动参数、模具结构参数、成形工艺参数、坯料参数对变形流动规律和成形件质量的耦合作用；针对超声振动辅助铆接工艺，研究得到了超声振动对铆接力、铆接干涉量、材料流动等影响规律，丰富了超声振动辅助塑性成形理论与技术，为超声振动辅助微体积成形的工艺/模具设计等提供了理论指导。