論文名稱：超聲能場在金屬微/介觀成形中的作用理論及實驗研究

論文作者：浙江大學 /姚喆赫

指導教師：陳子辰《研究領域：微機電系統與微制造，精密機械熱態、動態理論和監控技術，數控系統及裝備》，梅德慶《研究領域：微/介觀成形與微制造技術，超聲能場輔助制造技術，氫能裝備設計及制造》

產品微型化和集成化的發展趨勢，極大地增加了對微小型金屬零件和微/介觀制造技術的需求。微/介觀金屬成形技術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，將傳統金屬成形技術縮小至微/介觀尺度所帶來的尺度效應導致了金屬成形性下降和工件表面質量下降等問題，制約了微/介觀成形技術的發展。利用超聲振動在金屬成形過程中所具備的體積效應和表面效應，在微/介觀成形中施加超聲振動有望解決上述問題。為此，本文結合國家自然科學基金重點項目（50930005）、國家自然科學基金面上項目（50775203）以及美國自然科學基金項目（CMMI-0800353），開展了超聲振動在金屬微/介觀成形中的作用機理及超聲輔助金屬微/介觀成形的制造工藝研究。

本文研究的創新之處在于：

（1）在晶體塑性理論框架下，研究了超聲能場在熱激活過程和位錯演化過程中的作用機理，進而構建了聲塑性理論模型，可準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制。

（2）系統研究了超聲振動在金屬微/介觀成形中的體積效應和表面效應，發現并識別了超聲輔助金屬微/介觀成形中的金屬聲軟化效應和聲殘余硬化效應的耦合作用機制。

（3）基于聲軟化效應，建立了超聲振動對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測方法以及鐓鍛成形中摩擦因子的估算方法。

（4）針對半固態金屬微/介觀成形中存在的尺度效應及充型缺陷問題，引入超聲振動，提出了一種超聲輔助半固態金屬微/介觀成形新工藝，并研制了制造系統，進行了工藝實驗和應用研究。

研究結果表明將超聲能場引入金屬微/介觀成形工藝中，能夠降低成形載荷，改善特征結構成形效果，也能夠改善工件表面質量，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/介觀尺度效應引起的不利影響。本文提出的超聲輔助半固態金屬微/介觀成形技術為微細零件的工業化制造提供了新方法。研究成果對于進一步探索超聲振動在金屬材料中的作用機制以及超聲輔助金屬微/介觀成形制造系統的設計開發等方面具有重要的理論意義，可應用于新能源、電子通訊、生物醫學等領域的三維微細金屬零件制造過程。