超声振动辅助TA2纯钛箔板塑性变形行为与微冲裁机理研究

摘要

目前对箔板类微型零件的需求量越来越大，对其质量要求也越来越高。针对此，本文提出一种新箔板类零件成形工艺——超声振动辅助金属箔板微冲裁工艺。在超声振动的作用下，金属箔板会表现出不同于常规变形的变形行为，且有研究表明超声振动能提高最终成形件的质量。本文采用超声振动辅助 TA2纯钛箔板成形，探索其对箔板变形行为的影响，并以期得到高质量的零件。
　　为了探索超声振动作用下TA2纯钛箔板的变形行为，对其在有无超声振动的条件下进行微拉伸实验，发现对不同晶粒尺寸的箔板，超声振动具有“软化作用”，可以降低其整体流动应力，而且晶粒尺寸越小，这种“软化作用”越明显，另外超声振动的加载使得断口韧窝略有增多。对于晶粒尺寸25.8μm的箔板，随着超声振幅的增大，流动应力先降低，振幅太大时，流动应力和延伸率急剧下降，断口韧窝逐渐减少，出现解理断裂特征。在较小的应变速率下，超声振动具有“软化作用”，较大的应变速率下表现出“硬化作用”。
　　为分析超声振动对冲裁的影响，利用ABAQUS软件对冲裁过程进行有无超声振动辅助下的有限元模拟分析。结果表明，适当的频率和振幅的组合能够减小断面毛刺高度增大光亮带比例，提高断面质量。超声振动的加载对冲裁过程中的应力应变分布有一定的影响，加载超声振动后变形区形状发生了改变，由原来的“梭形”变形区变为不规则的形状，且变形区范围增大，另外凸凹模刃口处材料所受的较大拉应力向凸凹模刃口连线的中间处转移，延缓了裂纹的萌生，但是超声振动引起的应力状态使得断裂阶段裂纹扩展加快，断裂带的撕裂变形也更严重，断面斜度增大。
　　为顺利开展超声振动辅助微冲裁实验的研究工作，设计了超声换能器与冲裁凸模一体化的超声振动辅助微冲裁振子，并进行了超声振动辅助TA2纯钛箔板微冲裁模具装置的研制。使用所研制的装置开展实验研究，结果表明超声振动能够提高断面的光亮带比例，这与有限元模拟结果相一致，并且晶粒尺寸越细小，超声振动的作用越明显，但超声振动有使光亮带粗糙度增大的趋势。超声振动的加载使得断裂带部分的韧窝增多。在不同的冲裁速度下进行有无超声振动辅助的微冲裁实验，发现常规微冲裁时，光亮带比例随着冲裁速度的增大先增大后降低，加载超声振动后，光亮带比例有增大的趋势，且冲裁速度越小，超声振动的作用越大。对有无超声振动辅助的微冲裁过程中的裂纹扩展角度进行研究，结果表明，加载超声振动使得裂纹的扩展角度增大，断裂带变形更严重，断面斜度增大。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 箔板微成形尺寸效应研究现状

1.3 箔板微冲裁国内外研究现状

1.4 超声振动辅助金属塑性变形研究现状

1.5 本课题的研究内容

第2章 超声振动辅助微冲裁装置研制

2.1 引言

2.2 超声换能器设计

2.3 超声换能器—冲头一体化设计及模态分析

2.4 超声振动辅助金属箔板微冲裁模具研制

2.5 本章小结

第3章 超声振动辅助TA2纯钛箔板塑性变形行为研究

3.1 引言

3.2 实验方案

3.3超声振动对不同晶粒尺寸TA2钛箔拉伸性能的影响

3.4 超声振动振幅对TA2纯钛箔微拉伸的影响规律

3.5 不同应变速率下超声振动对TA2钛箔微拉伸的影响规律

3.6 本章小结

第4章 超声振动辅助微冲裁有限元模拟

4.1 引言

4.2 有限元模型的构建

4.3 超声振动不同振幅对微冲裁的影响

4.4 不同间隙条件下有无超声振动对冲裁的影响

4.5 超声振动频率的影响

4.6 本章小结

第5章 超声振动辅助TA2纯钛箔板微冲裁工艺机理研究

5.1 引言

5.2 实验条件

5.3 在不同晶粒尺寸下超声振动对微冲裁的影响

5.4 在不同冲裁速度下超声振动对微冲裁的影响

5.5 超声振动对微冲裁过程中裂纹扩展角度的影响

5.6 本章小结

结论

参考文献

声明

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