CN112916740A - 一种难变形阵列微流道脉冲电流辅助异步辊压成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种难变形阵列微流道脉冲电流辅助异步辊压成形方法，包括成形工艺方法和工艺参数设计方法。成形工艺方法将脉冲电流与异步辊压技术相结合，具有效率高、成本低、工艺简单以及成形构件性能好、精度高、充填一致性好等优点；工艺参数设计方法是指建立电流辅助异步辊压过程多场耦合多约束的有限元分析模型，通过对电流辅助辊压成形过程的热‑电‑力耦合精确仿真，获得优化的工艺参数组合，为阵列微流道电流辅助辊压工艺实施设计提供指导。

Description

一种难变形阵列微流道脉冲电流辅助异步辊压成形方法
技术领域
本发明属于金属材料成形加工领域，特别涉及一种难变形阵列微流道脉冲电流辅助异步辊压成形方法。
背景技术
阵列微流道结构广泛运用于航空、航天、电子、医疗领域中的换热器及微流控器件中。目前，阵列微流道结构主要采用化学刻蚀、铣削、激光增材制造和微细机械压印等方法加工，再结合扩散连接技术，形成各种形状的通道结构。然而，化学刻蚀易产生锥形多余材料；微细铣削工艺加工效率低，不适合大面积阵列微结构的制造；激光增材制造效率低、不经济，且微结构特征尺寸难以保证，只适用于实验研究的少量零件加工；微细机械压印工艺可实现微沟槽结构的高质高效生产，但由于常温下金属材料屈服强度高、微介观尺度下摩擦阻力增大、模具磨损加剧、微观组织演变引起材料力学完整性改变以及尺度效应等诸多问题，使传统冷压印方法制造的阵列微流道充填一致性和表面光洁度差，缺乏有效的形性协同调控方法。此外，受材料、结构和工艺等多重因素的交互影响，传统制造工艺缺乏微结构特征精确成形与性能协同调控方法，需反复试错，难以实现高性能目标控制。因此，亟需开发一种可以在加工过程中迅速降低材料屈服应力的新型成形技术。
将电的作用引入材料的成形加工过程，可以显著降低材料的变形抗力，提升材料的塑性，这种现象称为电致塑性效应。电流辅助异步辊压成形技术利用脉冲电流激励作用改变材料的微观物理本质以及宏观变形特性，降低材料变形抗力，提高材料内部的原子活性，改善材料的加工性能和塑性变形能力，具有效率高、成本低、工艺简单以及成形构件性能好、精度高、充填一致性好等优点。然而，如何设计合理的通电方式使得电流充分流入坯料板，充分利用电流的焦耳热效应使坯料板温度分布均匀，是电流辅助异步辊压成形技术需要解决的关键问题。中国专利CN111545612A的发明专利公开了“一种电流辅助大面积阵列微结构异步辊压成形设备”，其中通电方式为电流从带槽辊流入，经过坯料板，从无槽辊流出，然而在这种通电方式下坯料板变形区所能达到的温度有限，难以满足难变形材料的加工要求。所以，需要对这种通电方式进行改进，使得坯料板温度充分上升且分布均匀以适应难变形材料结构的制造需求。此外，异步辊压中的工艺参数设计与优化方法是该工艺技术的关键问题，由于各工艺参数对构件的尺寸及性能交互耦合影响，工艺参数地确定与传统工艺相比更加复杂。
发明内容
为了克服现有制造工艺的不足，本发明提出了一种难变形阵列微流道结构脉冲电流辅助异步辊压成形方法，本方法针对难变形材料阵列微流道结构的特点及其高效率、高性能制造的需求，提出了脉冲电流辅助异步辊压成形工艺过程中的关键工艺参数，并利用有限元仿真软件搭建异步辊压过程多场耦合多约束的有限元模型分析确定最优工艺参数组合，实现大面积阵列微流道的低应力、高效率与高性能制造。
为实现上述目的，本发明提供了一种难变形阵列微流道脉冲电流辅助异步辊压成形方法，包括如下步骤：
步骤1：利用仿真软件建立阵列微流道异步辊压装置的有限元模型，所述阵列微流道异步辊压装置包括带槽辊、无槽辊和坯料板，所述带槽辊表面具有与微流道结构一致的沟槽，所述无槽辊表面无沟槽；成形过程中将所述坯料板接入直流电源；所述带槽辊和所述无槽辊转动方向相反且角速度分别独立可调；
步骤2：确定所述有限元模型的工艺参数，包括脉冲电流密度、坯料温度、通电时间、两辊角速度及带槽辊下压量；
步骤3：基于各工艺参数与阵列微流道成形质量的关系以及材料成形时的热成像图，设置各工艺参数的取值范围；
步骤4：将各工艺参数的取值输入所述有限元模型中，对阵列微流道脉冲电流辅助异步辊压成形过程进行热-电-力耦合仿真，对比不同工艺参数下得到的有限元分析结果，得到阵列微流道脉冲电流辅助异步辊压成形要求的最优工艺参数组合。
进一步，步骤1中，成形过程中脉冲电流沿辊压方向，经所述坯料板一端流过坯料板长度方向，从相对的另一端流出。
进一步，步骤3中，各工艺参数与阵列微流道成形质量的关系为：脉冲电流密度、坯料温度和通电时间影响阵列微流道沟槽的成形宽度、高度以及材料微观晶粒度；两辊角速度影响阵列微流道沟槽的成形高度以及阵列微流道的平直度；带槽辊下压量影响阵列微流道沟槽的成形高度。
本发明有益效果：
1)本发明提出了脉冲电流辅助异步辊压成形工艺过程的中关键工艺参数包括电流密度、坯料温度、通电时间、两辊角速度及带槽辊下压量，其中脉冲电流密度、坯料温度和通电时间主要影响沟槽的成形宽度和高度以及材料微观晶粒度，两辊角速度主要影响沟槽的成形高度以及阵列微流道的平直度，带槽辊下压量主要影响沟槽的成形高度。
2)本发明提出了脉冲电流辅助异步辊压成形过程跨尺度建模方法，综合考虑微流道结构成形介观尺度效应、电场与材料相互作用的宏观热效应和微观结构非热效应，建立异步辊压过程多场耦合多约束的有限元模型，通过电流辅助辊压成形过程的精确仿真，获得优化的工艺参数组合，为阵列微流道电流辅助辊压工艺设计提供指导。
3)本发明将脉冲电流与异步辊压技术结合，提出面向大面积阵列微流道结构高效制造的脉冲电流辅助异步辊压成形工艺方法，带槽辊带有与微流道结构一致的沟槽，无槽辊表面无沟槽，且两辊的角速度独立可调，具有效率高、成本低、工艺简单及成形构件性能好、精度高、充填一致性好等优点。
4)本发明将脉冲电流的正负极直接接入坯料板，使得成形过程中脉冲电流经所述坯料板一端流过坯料板长度方向，从相对的另一端流出，这种通电方式使得坯料板温度上升快、宽度方向上温度分布均匀，并且可以通过设置通电时间来控制坯料板的温度，即满足了难变形材料成形时的温度要求，又提高了坯料充填的一致性。同时，这种通电方式使得坯料板与两辊之间只有热传导作用，无电传导作用，从而充分利用了电流。
附图说明
图1为本发明实施例的难变形阵列微流道脉冲电流辅助异步辊压成形方法流程图；
图2为本发明实施例的阵列微流道异步辊压装置示意图；
图3为本发明实施例的工艺参数与阵列微流道成形质量关系示意图；
图4为本发明实施例的阵列微流道结构三维示意图；
图5为本发明实施例的坯料板成形温度分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，本实施例的难变形阵列微流道脉冲电流辅助异步辊压成形方法包括如下步骤：
步骤1：使用有限元仿真软件搭建阵列微流道异步辊压装置异步辊压过程多场多耦合多约束的有限元模型；
如图2所示，本实施例的阵列微流道异步辊压装置包括带槽辊1、无槽辊2和坯料板3，带槽辊1表面具有与微流道结构一致的沟槽，无槽辊2表面无沟槽。特别地，在成形过程中将电源装置的正负极接在坯料板3两端，使得脉冲电流沿辊压方向，经坯料板一端流过坯料板长度方向，从相对的另一端流出。此外，设置带槽辊1和无槽辊2的转动方向相反且两辊角速度可分别独立可调，使得整个成形装置集辊压与矫直双重功能，成形后的阵列微流道构件无需单独矫直，是一种近终成形工艺方法。
步骤2：确定工艺参数，包括脉冲电流密度、坯料温度(通过脉冲电流控制)、通电时间、两辊角速度及带槽辊下压量。其中，脉冲电流密度、坯料温度和通电时间主要影响沟槽成形宽度和高度以及材料微观晶粒度，两辊角速度主要影响沟槽成形高度以及阵列微流道终成形件平直度，带槽辊下压量主要影响沟槽的成形高度，如图3所示。
步骤3：基于各工艺参数与阵列微流道成形质量的关系以及材料成形时的热成像图，设置各工艺参数的取值范围；
本实施例的阵列微流道结构三维示意图如图4所示，阵列微流道结构要求沟槽宽0.3mm、槽深与槽宽之比大于1，因此设置带槽辊的齿宽0.3mm、齿间距0.6mm、齿深0.39mm。
电流密度和坯料温度：电流密度的大小等于实际电流的大小除以坯料板3的横截面面积，横截面为宽度方向的横截面，本实施例中坯料板3横截面面积大小为80mm2，根据热成像图得到输入电流为750A～850A，通电时间为55s～80s时，坯料板的温度在800℃～850℃，如图5所示，因此电流密度大小范围为9.375A/mm2～10.625A/mm2，通电时间范围为55s～80s。
带槽辊1下压量：带槽辊1下压量越大，沟槽的成形高度越高，为了避免材料穿模以及两辊在成形时直接接触，本实施例设置带槽辊1下压量范围为0.7mm～0.9mm。
两辊角速度：带槽辊1与无槽辊2角速度之比在一定的范围内越大，沟槽的成形高度越高，因此设置带槽辊1与无槽辊2角速度之比范围为3:1～7:1，但是为了保证终成形件的平直度，两辊的角速度不宜过大，因此设置带槽辊1角速度不超过2rad/s。
应该理解，本领域技术人员可以根据需要设置不同的脉冲电流密度、坯料温度、通电时间、两辊角速度及带槽辊下压量。
步骤4：将上述各工艺参数的取值输入有限元模型，对阵列微流道脉冲电流辅助异步辊压成形过程的热-电-力耦合进行仿真，获得最优工艺参数组合；
有限元模型为热-电-力耦合模型，求解方法为隐式求解；在边界条件和相互作用模块中，工艺参数设置为实际工艺过程参数，得到实际工艺过程参数下的有限元分析结果，将有限元分析结果与成形件进行对比，调整有限元软件中热辐射、热传导、热对流等参数；在设置的工艺参数的取值范围内对工艺参数进行调整，不断对比不同工艺参数下的有限元分析结果，得到满足阵列微流道结构成形要求的最优工艺参数组合。本实施例中确定的最优工艺参数组合为：电流密度大小为10A/mm2，温度为800℃，通电时间为60s，带槽辊角速度为0.9rad/s，无槽辊角速度为0.15rad/s，带槽辊下压量为0.8mm。
步骤5：基于上述最优工艺参数组合，进行制坯、加电、下压和异步辊压的成形工艺方法，获得阵列微流道成形件。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种难变形阵列微流道脉冲电流辅助异步辊压成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：利用仿真软件建立阵列微流道异步辊压装置的有限元模型，所述阵列微流道异步辊压装置包括带槽辊、无槽辊和坯料板，所述带槽辊表面具有与微流道结构一致的沟槽，所述无槽辊表面无沟槽；成形过程中将所述坯料板接入直流电源；所述带槽辊和所述无槽辊转动方向相反且角速度分别独立可调；
步骤2：确定所述有限元模型的工艺参数，包括脉冲电流密度、坯料温度、通电时间、两辊角速度及带槽辊下压量；
步骤3：基于各工艺参数与阵列微流道成形质量的关系以及材料成形时的热成像图，设置各工艺参数的取值范围；
步骤4：将各工艺参数的取值输入所述有限元模型中，对阵列微流道脉冲电流辅助异步辊压成形过程进行热-电-力耦合仿真，对比不同工艺参数下得到的有限元分析结果，得到阵列微流道脉冲电流辅助异步辊压成形要求的最优工艺参数组合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，成形过程中脉冲电流沿辊压方向，经所述坯料板一端流过坯料板长度方向，从相对的另一端流出。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，各工艺参数与阵列微流道成形质量的关系为：脉冲电流密度、坯料温度和通电时间影响阵列微流道沟槽的成形宽度、高度以及材料微观晶粒度；两辊角速度影响阵列微流道沟槽的成形高度以及阵列微流道的平直度；带槽辊下压量影响阵列微流道沟槽的成形高度。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114192797A (zh) * 2021-11-12 2022-03-18 华中科技大学 一种具有双性能的微槽道板件及其复合成形工艺与设备
CN114871582A (zh) * 2022-06-22 2022-08-09 天津市奥联特钢结构安装工程有限公司 一种塑料和金属激光焊接的系统和方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108144964A (zh) * 2018-02-10 2018-06-12 太原理工大学 一种脉冲电流辅助多辊轧机轧制超薄箔材的方法
CN109468480A (zh) * 2018-11-26 2019-03-15 太原理工大学 脉冲电场辅助的真空包套轧制制备金属基复合材料的方法
CN110394362A (zh) * 2019-07-17 2019-11-01 中国人民解放军空军工程大学 一种脉冲电流辅助燕尾槽型材轧制成形方法
CN110788136A (zh) * 2019-10-10 2020-02-14 太原理工大学 一种脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法
CN111545612A (zh) * 2020-04-08 2020-08-18 北京航空航天大学 一种电流辅助大面积阵列微结构异步辊压成形设备

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108144964A (zh) * 2018-02-10 2018-06-12 太原理工大学 一种脉冲电流辅助多辊轧机轧制超薄箔材的方法
CN109468480A (zh) * 2018-11-26 2019-03-15 太原理工大学 脉冲电场辅助的真空包套轧制制备金属基复合材料的方法
CN110394362A (zh) * 2019-07-17 2019-11-01 中国人民解放军空军工程大学 一种脉冲电流辅助燕尾槽型材轧制成形方法
CN110788136A (zh) * 2019-10-10 2020-02-14 太原理工大学 一种脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法
CN111545612A (zh) * 2020-04-08 2020-08-18 北京航空航天大学 一种电流辅助大面积阵列微结构异步辊压成形设备

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
陈鹏宇: "T2紫铜薄板波纹曲面微结构电流辅助辊压成形工艺研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (工程科技Ⅰ辑)》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114192797A (zh) * 2021-11-12 2022-03-18 华中科技大学 一种具有双性能的微槽道板件及其复合成形工艺与设备
CN114871582A (zh) * 2022-06-22 2022-08-09 天津市奥联特钢结构安装工程有限公司 一种塑料和金属激光焊接的系统和方法

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