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1、1. 课题背景及研究的意义1.1 课题背景近年来， 随着微电子机械系统在航空航天、电子信息工程、生命科学、国防等领域中的广泛应用，微型零件的制造加工技术也得到很大的发展。微电子机械系统具有体积小、精度高、性能稳定、可靠性高、耗能低、灵敏性和工作效率高、多功能和智能化、制造成本低等优点，在航空航天、汽车工业、生物医疗、环境监控、通信领域、军事应用、消费电子等领域中都有着十分广阔的应用前景1。微型叶轮在微型发电机（如图1）、微型发动机、微型涡轮（如图2）、微型泵(如图3)等微型系统中有着十分重要的应用。微型发电机、发动机在某些植入式装置、分布式系统、无线通信、交通、航空航天、战地侦查、武器装备等方
2、面有广泛应用2。微型泵是微流动系统的重要的过流元件，叶轮泵作为一种非常重要的传统类型的泵,在很多领域都有着广泛的应用3。目前，微型金属零件的生产主要采用微细电火花、微细机械加工、微细电化学加工、激光技术、LIGA 技术等微细加工方法，这些加工技术在制造成本、加工效率、可加工材料和批量制造等方面存在不同程度的不足，限制了这些微细加工技术的广泛应用。塑性微成形技术相对于上述其他微细加工技术而言，在加工效率、材料利用率、制造成本、零件性能和尺寸精度等方面具有明显的优势，将对产品微型化技术的高速发展起到重要的推动作用4。 图1 微型发电机中叶轮 图2 微型涡轮 图3微型泵中叶轮1.2研究的目的和意义7
3、075铝合金属Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝，重量轻、强度高，同时还具有良好的疲劳强度和冷热加工性，在150以下仍有较高的强度。7075铝合金的这些特点决定了其非常适宜生产微型发电机用的微型叶轮构件。锻件的成形受模具结构、锻造温度、成形速度、坯料结构等因素的影响，并且7075铝合金材料塑性低，摩擦系数大，对变形速度敏感；导热系数高，传热快，变形抗力大；锻造温度范围窄，工艺要求苛刻，锻造十分困难，如果一个环节控制不当，就会出现质量问题5。随着计算科学的快速发展和有限元技术应用的日益成熟，模拟分析金属在塑性变形过程中的流动规律在现实生产中得到愈来愈广泛的应用6。使用传统的模具设计制造过程已经不能适
4、应其要求，而借助数值模拟可在模具加工制造之前分析获得微模锻过程应力场、应变场、速度场、位移载荷曲线、成形缺陷、流线分布和材料流动规律，从而优化工艺参数，预测成形缺陷，改善锻件的质量。不仅大大缩短了模具和新产品的开发周期，降低了生产成本，而且有利于将有限元分析法和传统的实验方法结合起来，推动模具现代制造业的快速发展。如何成形微型叶片是制造整个微型叶轮构件的关键，微型叶片成形质量是评价微成形叶轮成形质量的最重要的指标。在冷成形条件下，由于材料塑性流动能力有限，很难成形如此大高厚比的微型特征结构。等温成形一方面可以有效的降低材料的变形抗力，同时还可以提高材料的塑性流动能力，非常适用于形状复杂零件的精
5、密成形。因此，进行等温微模锻7075铝合金等温微模锻有限元分析研究是十分有意义的6。2. 国内外在该方向的研究现状及分析叶轮微成型属于体积微成型。目前，微型金属零件的生产主要采用微细电火花、微细机械加工、微细电化学加工、LIGA 技术等微细加工方法，这些加工技术在制造成本、加工效率、可加工材料和批量制造等方面存在不同程度的不足，限制了这些微细加工技术的广泛应用。（1） 微细电火花：是利用工件与微电极间脉冲放电产生的瞬时高温使工件材料局部熔化和汽化，来达到加工的目的，使用该技术可以加工出几十微米甚至更小的微型零件。哈尔滨工业大学赵万生、王振龙教授等人在微型零件的微细电火花加工工艺和加工设备方面开
6、展了大量的研究工作，加工出4.5m的微细轴和8m的微细孔，达到了世界先进水平7-8。该技术的不足之处是加工效率较低9-10。（2） 微细机械加工：哈尔滨工业大学精密工程研究所梁迎春教授将微细铣削技术应用到微型零件加工中，孙涛教授等人使用原子力显微镜实现微齿轮的加工，并成功刻画出如图4所示的微齿轮11。（3） 微细电化学加工：化学各向异性刻蚀技术等也可以用于微型零件的加工和制造，但是其应用的范围有限4。（4） LIGA技术：是X射线深层光刻、微电铸和微塑铸三个工艺的组合。该技术的优点是能够制造出复杂的三维微型零件，成形的零件有较大的深宽比，最大可达100以上,厚度为几百到上千微米，并且沿深度方向
7、的直线性和垂直性非常好，表面质量高4。使用该技术可以加工有机高分子材料、各种纯金属和陶瓷等，并且可以利用微复制工艺进行微型零件的大批量生产。德国美茵茨微技术研究所（Institutfr Mikrotechnik Mainz）将LIGA技术和精加工技术相结合，成功制造出齿高80m、总高约为550m的二阶微型齿轮组，如图5所示12。该所还使用LIGA技术研制出微型齿轮行星减速器13,成功地将微型齿轮用于液体的精确调控，如图6所示14。中国科学技术大学国家同步辐射实验室利用LIGA技术成功制造出直径为 400m的微型齿轮活动部件，如图7所示14。此外，上海交通大学等单位也在LIGA制造技术方面开展了
8、较多的研究工作15。然而，由于采用光刻技术使得LIGA技术很难应用于倾斜面、复杂三维曲面的微细三维加工，并且使用的同步辐射X射线源比较昂贵，因而极大地限制了该项技术的应用范围。 上述微型零件微细加工技术可以加工出尺寸非常小的零件，但在加工效率、制造成本等方面存在不同程度的不足。因而开展效率高、成本低的微塑性成形技术研究就显得尤为必要。 （5）微塑性成形：中国科学院金属研究所程明等通过微型非晶合金齿轮的微塑性成形实验和有限元模拟，制作微型齿轮模具如图8，研究了成形过程中载荷行程曲线的规律。结果表明，其载荷行程曲线可分为镦粗、齿腔填充成形和最后充满三个阶段如图9；有限元模拟结果可用于实验过程的再现
9、和优化16。四川大学泮战侠、曹建国、莫华强基于热力耦合模型，采用刚塑性有限元软件，对7075铝合金枪械击发机座的模锻过程进行了数值模拟，讨论了主要工艺参数对成形过程的影响，并拟定出其模锻工艺参数为：始锻温度420，变形速度20mm/s5。香港学者J. L. Wang 等研究微成型过程中金属流动机理17。 为提高微型叶轮的锻造过程的数值模拟技术，使其在叶轮锻造工艺的制定以及模具优化设计中发挥更大的作用，叶轮锻造过程的数值模拟技术还有待于进行深入的、系统性的研究。 图4 利用AFM刻画的微齿轮 图5 二阶微齿轮组 图6 微型齿轮减速器 图7 LIGA技术加工的微齿轮 图8 微型齿轮模具 图9 载荷
10、行程曲线 3.研究内容及拟解决的关键问题3.1研究内容由于叶轮特点，导致其成形的复杂性，因此需要复杂的工艺设计及合理的坯料形状。目前，叶轮、叶片及模具的设计和生产一般仍是以经验设计为主，这种设计方法往往需依据大量的经验，而且费时费力。不但其研制费用高、周期长，而且要作复杂的工艺设计和严格控制工艺参数。为了掌握加载过程中叶片的成形规律和型腔充填机理，优化成形工艺参数，实现叶轮高质量的精锻过程，有必要对其成形过程进行有限元数值模拟。根据图10成型零件，研究内容如下： (1)固定和浮动凹模：研究模具结构对微模锻过程应力场、应变场、速度场、位移载荷曲线、成形缺陷、流线分布和材料流动的影响规律。(2)
11、成形温度：研究成形温度对微模锻过程中的应力场、应变场、速度场、位移载荷曲线、 成形缺陷、流线分布和材料流动的影响规律。(3) 变形速度：研究变形速度对微模锻过中程的应力场、应变场、速度场、位移载荷曲线、成形缺陷、流线分布和材料流动的影响规律。(4) 坯料结构：研究坏料结构对微模锻过程中的应力场、应变场、速度场、位移载荷曲线、成形缺陷、流线分布和材料流动的影响规律。 图10零件结构图3.2拟解决的关键问题（1） 叶轮叶片特征比太大，造成金属材料充不满型腔，采用浮动凹模和两种材料流动方式减小摩擦阻力，改善填充效果。 （2）在DEFORM-3D软件中采用控制变量法分别研究锻造温度、成形速度、模具结构
12、、坯料结构等因素对锻件微模锻过程应力场、应变场、速度场、位移载荷曲线、成形缺陷、流线分布和材料流动影响规律，根据获得的相关曲线分析这些参数对变形过程综合影响规律并获得优化参数。4. 拟采取的研究方法和技术路线、进度安排、预期达到的目标（2） 4.1拟采取的研究方法和技术路线(1)应用Pro/E建立浮动与固定模具冲头、凹模、模座及不同结构坯料模型生成STL图形数据文件，导入有限元软件DEFORM-3D中。(2)在DEFORM-3D软件中进行网格划分，和其它固定参数设定，采用单一变量控制法分别选用浮动模具和固定模具在相同锻造温度、成形速度、坯料结构等因素下模拟并研究模具结构对锻件微模锻过程应力场、
13、应变场、速度场、位移载荷曲线、成形缺陷、流线分布和材料流动影响规律，比较两种不同结构模具优缺点。(3)采用浮动凹模采用单一变量控制法分别在360,390,420,450温度下和相同的成形速度、坯料结构等因素下模拟并研究变形温度对锻件微模锻过程应力场、应变场、速度场、位移载荷曲线、成形缺陷、流线分布和材料流动影响规律，得出温度对变形过程的影响规律。（4）采用浮动凹模采用单一变量控制法分别在2m/s,4m/s,6m/s,8m/s和相同的变形温度、坯料结构等因素下模拟并研究变形速度对锻件微模锻过程应力场、应变场、速度场、位移载荷曲线、成形缺陷、流线分布和材料流动影响规律，得出变形速度对变形过程的影响
14、规律。（5）采用浮动凹模采用单一变量控制法分别用以下坏料结构（a）直径1.8mm圆柱毛坯（b）外圆直径5mm内圆直径1mm，（c）外圆直径5mm内圆直径2mm（d）外圆直径5mm内圆直径3mm；在相同的变形温度、变形速度等因素下模拟并研究坏料结构对锻件微模锻过程应力场、应变场、速度场、位移载荷曲线、成形缺陷、流线分布和材料流动影响规律，得出坯料结构对变形过程的影响规律。4.2进度安排2014年9月1日2015年1月8日 阅读文献资料，翻译外文文章，准备开题报告。2015月1月9日2015年3月上旬 浮动模具及不同结构坯料在Pro/E中建模生成 STL图形数据文件，导入有限元软件DEFORM-3
15、D中。2015年3月上旬2015年5月上旬 设置不同参数进行数值模拟，获得不同参数对微模锻过程中应力场、应变场、速度场、位移载荷曲线、成形缺陷、流线分布和材料流动的影响规律，对数值模拟结果分析，获得优化参数，准备中期答辩。2015年5月上旬2015年6月上旬 整理结果，撰写论文，准备毕设答辩。 4.3预期达到的目标应用Pro/E和DEFORM-3D软件，研究模具结构、变形温度、成形速度、坯料结构等因素对7075合金微模锻过程应力场、应变场、速度场、位移载荷曲线、成形缺陷、流线分布和材料流动影响规律，获得应力应变曲线，并通过数值分析获得最终优化参数，为微型叶轮实际生产制造提供理论指导。5. 为完成课题所需的和已具备的条件（1）完成课题
