弹塑性力学在半固态挤压铸造中的应运

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1、弹塑性力学在半固态挤压铸造中的应运塑性加工工艺具有无切削、高效率和低成本等优点，因此它是微零件规模化生产的关键技术之一。然而，微零件的尺寸十分微小，其生产工艺有别于传统的塑性加工方法。由于成形尺寸小，尺度效应扮演着重要的角色，成为微塑性研究的基本问题。基于连续介质的传统塑性力学理论无法解释微塑性成形过程中的尺度效应。另一方面，相对于分子的尺寸而言，微塑性成形零件的尺寸又过于庞大，也无法将基于离散介质的分子动力学理论应用到微塑性成形研究中。因此，有必要对微塑性技术理论进行系统的研究。1.2.1微成形技术理论基础微塑性成形指加工的产品尺度至少是在毫米量级以下的塑性成形

2、方法，是以塑性加工方式生产毫米到微米量级微型零件的工艺技术。与传统的塑性成形技术相比，微成形技术具有新特点:(1)本构关系与材料特征尺度相关。(2)尺度效应现象的出现。(3)材料呈现出各向异性。(4)微成形产品质量波动明显。(5)材料微结构对微成形工艺的影响明显增加。(6)摩擦和润滑发生了变化。(7)模具设计和制造发生了变化。(8)相关数据的测试方法与测试仪器在微小尺度下变得特殊，传统的理论、方法和设备已经不再完全适用。相对于其它的微型件制造技术，微塑性成形技术在很多方面具有明显的优势:(1)加工精度高。由于在微成形过程中材料与模具紧密接触，微成形零件尺寸精度、表

3、面粗糙度等均可以达到较高要求，适合于微小高精度零件的净生产。(2)生产效率高，适于大批量生产。微成形技术是利用材料的塑性变形来实现微型零件的制造，可对同样结构的微型零件通过模具进行高速制造，以满足对微型零件的大量需求。(3)材料利用率高。微成形技术通过材料塑性变形生产微型零件，材料损失很少。(4)加工形状多样。微成形技术可以通过模具加工复杂三维微型零件。(5)低加工成本。微成形技术对加工仪器、设备、环境等要求相对较低，生产成本较低。(6)可加工材料广泛。微成形技术可对大部分金属进行加工。1.2.3塑性成形技术面临的挑战和发展趋势塑性成形技术虽然已经取得一定的发展，

4、但是仍面临着严峻的挑战，概括起来主要有以下几点：(1)由于“尺度效应”的影响，传统的材料模型已不再适用于微成形领域，如何建立起微小尺度下反映材料应力应变之间的本构关系，并基于这些理论建立起微观尺度下金属成形工艺的理论体系，是基础理论研究的发展趋势。(2)产品尺寸精度的控制是塑性成形技术获得进一步发展的难题。由于影响产品尺寸精度的因素相当复杂，涉及到模具的尺寸精度、成形过程中的摩擦和润滑条件、成形工艺的确定、成形设备精度控制以及坯料尺寸精度控制等，对于不同的变形方式和工件形状，这些参数的影响会有很大差异。因此除了通过实验来认识具体的规律外，还需要进一步建立有效的理论

5、分析方法和数值模拟技术。(3)工件尺寸的微型化除了对成形工艺本身产生极大的影响外，还使被成形配件的组装难度加大。当成形产品的尺寸较小时，作为单个部件进行生产，再运往装配线进行组装可能会出现许多难以解决的问题。因此能否在装配线上一次成形并完成部件装配是塑性微成形发展的趋势。(4)由于尺度效应的影响，在微小尺度下材料的性能和特性都发生了变化，再用宏观的材料实验方法去测量已经不准确或是不合适，而至今微成形还没有形成统一的标准实验体系，包括实验和度量方法，这对于学术研究、交流和材料微成形性能库的建立都不利。因此，建立适合于微尺度的材料实验体系极为重要。1.3半固态成形技术

6、1.3.1半固态的概念20世纪70年代，美国麻省理工学院Flemings教授提出了半固态加工技术。金属半固态加工是指在金属凝固过程中，对其施加剧烈的搅拌作用，充分破碎树状的初生固相，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固-液混合浆料，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工的方法称之为流变成形。如果将流变浆料凝固成坯锭，按需要将此金属铸锭切成一定大小，然后重新加热至金属的半固态温度区，这时的金属坯料一般称为半固态金属坯料。利用金属的半固态坯料进行成形加工，这种方法称之为触变成形。半固态金属的上述两种成形方法合称为金属的半固态成形或半固态加工，通

7、常称为半固态加工。流变成形在凝固期间，对合金施加搅拌，使浆料中形成颗粒状固相，然后像液态金属压铸一样直接将半固态浆料注入压型中成形，这种工艺称之为流变成形。流变成形充型前浆料已呈半固态状态，虽然粘度较高，但仍具有良好的流动性，充型流态为层流，可以制造尺寸精确、形状复杂的高质量零部件。这种加工方法的缺点是半固态浆料储运比较困难，所以在工业中的应用受到了很大的限制。但是流变成形有设备较简单、流程较短、可节省能源等优点，是今后半固态成形的发展方向。将半固态浆料凝固成铸锭，按需要将此铸锭切割成一定大小，使其重新加热到金属的半固态区，利用半固态合金坯料进行压铸或挤压成形，这

8、种方法称为