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金属微沟槽阵列曲面的精密冷压弯曲成型方法研究

金属微沟槽阵列曲面的精密冷压弯曲成型方法研究

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作者：冯朝伦华南理工大学

学位级别：硕士

金属微结构曲表面具有减阻,减震、抗菌等性能。目前,微细结构表面加工依赖激光、化学刻蚀、等离子束等加工技术,但很难控制微形状精度。而微结构曲面加工多采用多轴数控机械加工技术,但因微细刀具磨损较快,无法批量化生产。快速成型的... 详细信息

金属微结构曲表面具有减阻,减震、抗菌等性能。目前,微细结构表面加工依赖激光、化学刻蚀、等离子束等加工技术,但很难控制微形状精度。而微结构曲面加工多采用多轴数控机械加工技术,但因微细刀具磨损较快,无法批量化生产。快速成型的注塑加工主要应用于硬度低、不耐高温的塑料材料,而金属高温熔融模压会带来高能耗等问题。因此,采用微阵列结构平面板材,提出金属微沟槽阵列曲面的冷压弯曲快速成型方法。其特点是,不需要难加工的曲面微沟槽成型模芯,只通过预测微沟槽弯曲的结构变形量,进行曲面微沟槽成型的形貌补偿,实现微沟槽阵列曲面的快速精密成型加工。首先,采用前期研发的微磨削技术,在硬质合金模芯表面加工出高精度的微沟槽阵列结构,用于微阵列结构平面板材的冷压微成型。实验结果表明,磨削的微沟槽角度为90°和120°,深度为200μm,尺寸误差小于5%,形状误差小于0.8%,表面粗糙度R最大为280 nm。然后,实验分析金属微阵列结构平面冷压微成型机理,结果发现:微沟槽成型角度与模芯微沟槽角度一致,其成型高度随着材料硬度降低、冷压最大压力增大、冷压速度减小而增大,硬度较低的1060、5052铝合金可以在2分钟内近似达到100%填充率,而且,其表面粗糙度R低于微成型模芯的表面。然后,建立微沟槽阵列曲面弯曲成型的曲率半径、板材厚度等参数化模型,进行结构参数影响微沟槽弯曲成型的正交试验。分析结果表明,微沟槽的变形与曲面成型保持同步,所受荷载线性增加,在达到拐点后保持平稳,所以可通过荷载曲线变化跟踪微沟槽成型过程。微沟槽角度增大,深度减小,模具曲率半径和板材厚度对其变形影响最大,即相对弯曲半径越小,微沟槽弯曲变形越大。并采用有限元仿真对微沟槽弯曲成型进行模拟,结果显示:通过匹配仿真参数特征化系数,1060和5052铝合金的仿真结果可高精度匹配实验结果。冷压弯曲后曲面轮廓误差不超过15μm。最后,根据微沟槽角度变化量,建立微沟槽变形的预测及尺寸补偿模型,验证实验结果显示:在冷压弯曲成球面和椭球面后,微沟槽尺寸误差分别不超过5%和3%。将该技术成果应用到企业冷压成型生产设备中,可快速地将15号钢材的复杂曲面汽车零部件冷压出微槽阵列结构曲面,其微结构表面完整、无毛刺、光滑且光顺。

关键词：金属微沟槽阵列曲面微磨削冷压微成型冷压弯曲成型微沟槽变形

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聚晶金刚石（PCD）模芯冷压金属微成型机理及实验研究

聚晶金刚石（PCD）模芯冷压金属微成型机理及实验研究

引用

作者：葛冬生华南理工大学

学位级别：硕士

金属冷压成型精度高,但微结构成型的填充率不高,模芯会因摩擦导致磨损。因此,采用聚晶金刚石(PCD)作为模芯材料,利用其更高的硬度和导热性,对比常用的硬质合金(YG8)模芯,研究不同硬度的铝合金材料的冷压微成型机理。为了解决超硬PCD微... 详细信息

金属冷压成型精度高,但微结构成型的填充率不高,模芯会因摩擦导致磨损。因此,采用聚晶金刚石(PCD)作为模芯材料,利用其更高的硬度和导热性,对比常用的硬质合金(YG8)模芯,研究不同硬度的铝合金材料的冷压微成型机理。为了解决超硬PCD微加工困难的问题,开发放电辅助微磨削工艺和方法。在研究中,从模芯与工件材料的摩擦磨损机理出发,研究模芯和工件的材料性能和模芯的微结构几何参数对微成型表面精度和模芯磨损的影响,旨在探究高效率和高质量的金属微成型工艺和方法。首先,分别对PCD与YG8和冷压金属间的摩擦磨损性能进行实验分析。结果表明,PCD比YG8与铝合金间表现出更稳定的动摩擦系数曲线,产生更低的平均摩擦系数和更高的金属材料去除,有利于金属塑性变形和降低微成型压力。其平均摩擦系数最高降低45.1%,达到0.2487,金属材料去除最高提高340.0%。其次,基于平均摩擦系数和磨损去除质量建立模芯材料冷压金属微成型的塑性变形理论模型,分析结果表明:PCD模芯比YG8模芯具有更低的冷压压力、更小的尖端磨损和更高的微成型填充率,而且,金属材料硬度和工件厚度也会影响微成型性能。当模芯微结构尺寸为200μm和120°时,PCD模芯冷压厚1 mm和硬度150 HB的Al-7075的表面能破坏压力,变形延伸截止压力和最大压力,比YG8模芯分别减小42%,4%和12%,成型高度填充率提高了4%,而模芯尖端最大磨损深度仅为YG8的15%。然后,基于金刚石的脉冲放电热化学去除机理,开发PCD模芯微结构的放电辅助微磨削加工工艺,实验发现,增加开路电压和限制电流会增大材料去除量,使微结构成型角度变大。但在70 V,0.10 A的放电参数下,优化工艺且补偿砂轮微尖端角度加工约200μm高的模芯时,120°的微结构角度误差可控制在±1.5°以内,表面粗糙度可达到0.434μm,降低72%。最后,利用PCD模芯和YG8模芯对Al-1060和Al-5052进行冷压成型的工艺实验,验证了理论分析的结果。此外,PCD模芯可以降低表面粗糙度108%,相比YG8模芯可以提高成型高度填充率和降低表面硬化层。而PCD模芯微结构形状尺度磨损量仅为YG8模芯的3～7%,具有较高的使用寿命。

关键词：冷压微成型聚晶金刚石微磨削加工

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