论文名称：超声能场在金属微/介观成形中的作用理论及实验研究

论文作者：浙江大学 /姚喆赫

指导教师：陈子辰《研究领域：微机电系统与微制造，精密机械热态、动态理论和监控技术，数控系统及装备》，梅德庆《研究领域：微/介观成形与微制造技术，超声能场辅助制造技术，氢能装备设计及制造》

产品微型化和集成化的发展趋势，极大地增加了对微小型金属零件和微/介观制造技术的需求。微/介观金属成形技术为微小型金属零件的大批量、高效率的制造提供了解决方案。然而，将传统金属成形技术缩小至微/介观尺度所带来的尺度效应导致了金属成形性下降和工件表面质量下降等问题，制约了微/介观成形技术的发展。利用超声振动在金属成形过程中所具备的体积效应和表面效应，在微/介观成形中施加超声振动有望解决上述问题。为此，本文结合国家自然科学基金重点项目（50930005）、国家自然科学基金面上项目（50775203）以及美国自然科学基金项目（CMMI-0800353），开展了超声振动在金属微/介观成形中的作用机理及超声辅助金属微/介观成形的制造工艺研究。

本文研究的创新之处在于：

（1）在晶体塑性理论框架下，研究了超声能场在热激活过程和位错演化过程中的作用机理，进而构建了声塑性理论模型，可准确描述超声辅助金属成形中的声软化和声残余硬化的作用机制。

（2）系统研究了超声振动在金属微/介观成形中的体积效应和表面效应，发现并识别了超声辅助金属微/介观成形中的金属声软化效应和声残余硬化效应的耦合作用机制。

（3）基于声软化效应，建立了超声振动对金属表面微观形貌以及接触摩擦因子的影响理论模型，提出了超声处理后的表面粗糙度预测方法以及镦锻成形中摩擦因子的估算方法。

（4）针对半固态金属微/介观成形中存在的尺度效应及充型缺陷问题，引入超声振动，提出了一种超声辅助半固态金属微/介观成形新工艺，并研制了制造系统，进行了工艺实验和应用研究。

研究结果表明将超声能场引入金属微/介观成形工艺中，能够降低成形载荷，改善特征结构成形效果，也能够改善工件表面质量，降低界面摩擦阻力，从而可在体积因素和表面因素两方面有效克服微/介观尺度效应引起的不利影响。本文提出的超声辅助半固态金属微/介观成形技术为微细零件的工业化制造提供了新方法。研究成果对于进一步探索超声振动在金属材料中的作用机制以及超声辅助金属微/介观成形制造系统的设计开发等方面具有重要的理论意义，可应用于新能源、电子通讯、生物医学等领域的三维微细金属零件制造过程。