論文名稱：超聲能場(chǎng)在金屬微/介觀成形中的作用理論及實(shí)驗(yàn)研究

論文作者：浙江大學(xué) /姚喆赫

指導(dǎo)教師：陳子辰《研究領(lǐng)域：微機(jī)電系統(tǒng)與微制造，精密機(jī)械熱態(tài)、動(dòng)態(tài)理論和監(jiān)控技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)及裝備》，梅德慶《研究領(lǐng)域：微/介觀成形與微制造技術(shù)，超聲能場(chǎng)輔助制造技術(shù)，氫能裝備設(shè)計(jì)及制造》

產(chǎn)品微型化和集成化的發(fā)展趨勢(shì)，極大地增加了對(duì)微小型金屬零件和微/介觀制造技術(shù)的需求。微/介觀金屬成形技術(shù)為微小型金屬零件的大批量、高效率的制造提供了解決方案。然而，將傳統(tǒng)金屬成形技術(shù)縮小至微/介觀尺度所帶來(lái)的尺度效應(yīng)導(dǎo)致了金屬成形性下降和工件表面質(zhì)量下降等問(wèn)題，制約了微/介觀成形技術(shù)的發(fā)展。利用超聲振動(dòng)在金屬成形過(guò)程中所具備的體積效應(yīng)和表面效應(yīng)，在微/介觀成形中施加超聲振動(dòng)有望解決上述問(wèn)題。為此，本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50930005）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（50775203）以及美國(guó)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（CMMI-0800353），開(kāi)展了超聲振動(dòng)在金屬微/介觀成形中的作用機(jī)理及超聲輔助金屬微/介觀成形的制造工藝研究。

本文研究的創(chuàng)新之處在于：

（1）在晶體塑性理論框架下，研究了超聲能場(chǎng)在熱激活過(guò)程和位錯(cuò)演化過(guò)程中的作用機(jī)理，進(jìn)而構(gòu)建了聲塑性理論模型，可準(zhǔn)確描述超聲輔助金屬成形中的聲軟化和聲殘余硬化的作用機(jī)制。

（2）系統(tǒng)研究了超聲振動(dòng)在金屬微/介觀成形中的體積效應(yīng)和表面效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)并識(shí)別了超聲輔助金屬微/介觀成形中的金屬聲軟化效應(yīng)和聲殘余硬化效應(yīng)的耦合作用機(jī)制。

（3）基于聲軟化效應(yīng)，建立了超聲振動(dòng)對(duì)金屬表面微觀形貌以及接觸摩擦因子的影響理論模型，提出了超聲處理后的表面粗糙度預(yù)測(cè)方法以及鐓鍛成形中摩擦因子的估算方法。

（4）針對(duì)半固態(tài)金屬微/介觀成形中存在的尺度效應(yīng)及充型缺陷問(wèn)題，引入超聲振動(dòng)，提出了一種超聲輔助半固態(tài)金屬微/介觀成形新工藝，并研制了制造系統(tǒng)，進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究。

研究結(jié)果表明將超聲能場(chǎng)引入金屬微/介觀成形工藝中，能夠降低成形載荷，改善特征結(jié)構(gòu)成形效果，也能夠改善工件表面質(zhì)量，降低界面摩擦阻力，從而可在體積因素和表面因素兩方面有效克服微/介觀尺度效應(yīng)引起的不利影響。本文提出的超聲輔助半固態(tài)金屬微/介觀成形技術(shù)為微細(xì)零件的工業(yè)化制造提供了新方法。研究成果對(duì)于進(jìn)一步探索超聲振動(dòng)在金屬材料中的作用機(jī)制以及超聲輔助金屬微/介觀成形制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等方面具有重要的理論意義，可應(yīng)用于新能源、電子通訊、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的三維微細(xì)金屬零件制造過(guò)程。