3D打印呋喃树脂砂型成形精度研究与控制

为了提高打印砂型的制造精度,使其更好地应用于铸造行业,采用响应面法研究了工艺参数对3D打印砂型成形精度的影响规律。结果表明:打印砂型的成形精度误差在0.22~0.85mm,均为正向误差;型砂目数和树脂喷射量对成形精度有显著影响,且随着砂粒直径的减小,打印误差变小,随着树脂含量提高误差变大;固化剂含量对精度影响较小,其加入量提高会使砂型打印精度先变好后变差。提出基于中心偏置的砂型精度补偿算法对精度进行了控制,经控制后的砂型精度达到了±0.1 mm,满足工程使用要求。

铣削成形参数对冷冻砂型铣削力的影响

冷冻砂型是以型砂和水基黏结剂为造型材料的绿色铸造工艺,基于减材原理的数字化铣削成形技术可以实现冷冻砂型的高精高效加工。以70/140目烘干硅砂混合5%(质量分数)水制备的冷冻砂型为研究对象,在-25~-20℃的成形温度区间内,依托数字化无模铸造精密成形机探究铣削参数对冷冻砂型铣削力的影响。对9253B切削力计测量的铣削力信号采用快速傅里叶变换(FFT)进行处理与分析,通过控制变量法揭示各铣削成形参数对冷冻砂型铣削力的影响机理。结果表明,铣削力信号由单一信号组成,铣削力信号的周期与主轴转速周期成正比,铣削力信号的幅值随着进给速度、铣削宽度和铣削深度的增大而增大。

3D打印连续纤维增强树脂T型梁的弯曲性能

1中国机械科学研究总院集团有限公司先进成形技术与装备国家重点实验室,北京1000482清华大学机械工程系,北京1000843南京航空航天大学机电学院,南京210016实现基梁于结熔构融的沉轻积量技化、术功的能连化续设纤计维和增制强造树。脂本3D工作打对印筋工高艺0为m梁m结与构5的m制m造的提T供型了梁一打种印新件的在途不径,同该打工印艺参具数有下快的速弯近曲净性成能型进、行可测设计试性实强验,等研优究势了,能打够印基于熔融沉积技术的连续纤维增强树脂3D打印工艺为梁结构的制造提供了一种新的途径,该工艺具有快速近净成型、可设计性强等优势,能够实现梁结构的轻量化、功能化设计和制造。本工作对筋高0 mm与5 mm的T型梁打印件在不同打印参数下的弯曲性能进行测试实验,研究了打印厚度分别为0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm时与打印丝束间距分别为0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm时T型梁对应的弯曲强度与模量。由于3D打印连续纤维增强树脂材料存在着复杂的破坏模式,本研究运用声发射技术对T型梁的弯曲破坏过程进行测试分析,采用主成分分析法与K-means++聚类算法对采集的过程信号进行损伤分类。结果表明,当打印层厚为0.7~0.9 mm时,随着打印层厚的增加,T型梁的弯曲强度与模量均降低。当打印丝束间距为0.6~0.8 mm时,随着打印丝束间距的增加,T型梁的弯曲强度与模量降低。在T型梁从弯曲载荷加载初始到破坏失效阶段,对应特征信号可以聚类为五类,分别对应五种破坏模式,即基体开裂、层间剥离、纤维与基体脱粘、纤维开裂及纤维断裂,分类结果能够很好地解释弯曲破坏过程。

Zn和Gd元素含量和比例对铸态和挤压态Mg-8Li合金显微组织和力学性能的影响

研究Zn和Gd元素含量及其质量比对铸态和挤压态Mg-8Li合金显微组织和力学性能的影响。挤压后,析出相破碎。β-Li中分散着粒径约100 nm的球形微粒。形成了由长条状α-Mg粗晶和再结晶β-Li细晶组成的双峰结构。挤压后合金的强度和塑性显著提高,且屈服强度和极限抗拉强度随Zn和Gd含量的增加而增加。Mg-8Li-8Zn-2Gd合金表现出最优的综合性能,其屈服强度、极限抗拉强度和伸长率分别为274 MPa、283 MPa和39.9%。挤压态合金主要强化机制为由β-Li的细晶强化和α-Mg的织构强化组成的双模态结构强化和析出相的弥散强化。

3D打印呋喃树脂砂型收缩性能研究

随着铸造数字化技术的发展,砂型3D打印技术应用越来越广泛。由于呋喃树脂在固化反应时会发生体积收缩,所以打印砂型的尺寸收缩也是影响砂型精度的重要因素之一。研究了呋喃树脂喷墨打印工艺参数对砂型收缩性能的影响,结果表明:在3.03%~3.98%树脂加入量、0.3%~0.5%固化剂含量、70/140、100/200、140/270型砂目数条件下,打印砂型的收缩率与树脂加入量关系甚微,主要随着固化剂含量的增加而变大,随着型砂目数的增加而变小。3D打印砂型的尺寸收缩是呋喃树脂固化反应体积收缩的结果。

电磁搅拌辅助流变挤压铸造Mg-6Gd-3Y镁合金的显微组织和力学性能

通过电磁搅拌制备了Mg-6Gd-3Y(VW63)稀土镁合金半固态浆料,研究了电磁搅拌工艺参数对合金半固态浆料组织的影响,探讨了半固态浆料初生相的形成机理;并对半固态浆料进行了流变挤压铸造成形,研究了压力对流变挤压铸造合金组织和性能的影响。结果表明:电磁搅拌制备VW63合金半固态浆料的最佳工艺参数为浇注温度620℃、搅拌电压350 V、搅拌频率15 Hz,VW63合金半固态浆料的初生相形成机理为枝晶熔断。当压力为120 MPa时,流变挤压铸造合金有着更好的组织与性能,平均晶粒尺寸43.57μm,其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为119 MPa、156 MPa和6.9%,均优于重力铸造和液态挤压铸造合金。

基于Dynaform的球底筒形件充液成形回弹有限元模拟

基于Dynaform模拟仿真,针对球底筒形件,以液室压力、压边力、凸模与板料之间的摩擦因数和成形高度为因素开展正交试验研究,分析不同条件下零件的壁厚变化和回弹规律。结果表明:通过充液成形制备球底筒形件可以实现低拉深系数成形,拉深系数可达0.42,零件形状良好,无开裂、起皱;影响零件减薄率的主要因素为液室压力、压边力和摩擦因数,影响最大回弹量的主要因素为成形高度。最终确定优化参数组合为:液室压力为50 MPa、压边力为20 kN、摩擦因数为0.05、成形高度为50 mm,该参数组合下零件的减薄率低、回弹量小,满足设计要求。相较于平底筒形件,在参数相同的条件下,两者的回弹量相近,但球底筒形件的厚度分布更均匀,有利于材料的充分利用。

三维结构复合材料预制体轮廓约束机理

为实现三维结构复合材料预制体的高性能、快速成形织造,研究了基于柔性导向三维多针成形原理的预制体轮廓约束方法,利用图像处理技术获得了预制体纤维环形状特征,建立了工艺参数对纤维环形状特征影响的理论模型,搭建了纤维环成环试验装置,探究了织造针伸出长度、织造层数和织造高度对纤维环形状特征的影响规律。并通过该理论模型对纤维环进行形状特征调控,完成典型件的试织。结果表明,纤维环侧边高度以及最大内接圆直径随伸出长度和织造高度增大而增大,随织造层数增大而减小,该模型预测与实际测得的纤维环侧边高度及最大内接圆直径的最大相对误差分别为6.29%和4.63%,进一步通过调节织造高度来改变纤维环的形状特征,完成层数为90层的预制体织造,说明该理论模型可以准确描述纤维环形状特征,并可通过该模型对纤维环形状特征进行调控,扩大了预制体轮廓约束工艺窗口,为实现预制体轮廓自动、高质量约束提供了理论指导和实践基础。

一体化隔音板设计制造及其深水隔音性能研究

通过3D打印技术制备了具有不同内部结构的热塑性聚苯硫醚复合材料隔声去耦板,并通过实验和模拟方法评估其隔声性能,为实际应用提供优化设计方案。根据特定场景下的隔声需求,通过3D打印的方式实现了4种内部结构不同(蜂窝、正弦、半球状、球状)的热塑性聚苯硫醚复合材料隔声去耦板高精度制备。通过有限元分析(FEA)对这些隔声板的隔声性能进行了模拟预测,开展水声换能器灵敏度测试,直观反映隔声板对声波的阻隔效果。模拟和实验结果均显示,采用类亥姆霍兹振动腔的球状设计在聚苯硫醚复合材料隔声性能上表现最佳。球状设计的隔声去耦板在模拟和实验中均显示出较低的声波透射率,从而实现了显著的隔声效果。此外,水声换能器灵敏度测试表明,球状设计的聚苯硫醚隔声板在声波传输过程中的灵敏度起伏仅为10 dB,这一结果进一步验证了其优异的隔声性能。

热成形模具冷却系统流量分配均匀性研究

针对热成形模具复杂并联管路冷却系统的流量分配均匀性问题,通过建立某车型前防撞梁热成形模具冷却系统模型,利用STAR-CCM+软件对冷却系统的流量分配进行数值仿真分析,研究管路长度和进口流量对冷却系统管路流量分配的影响,并利用模具冷却系统流场状态检测平台进行验证。结果表明,流场分布的模拟结果和试验结果一致。管路长度和进口流量对管路流量分配的影响较大:管路长度差异越大,冷却系统流量分配均匀性越差;随着进口流量的增大,流场流量分配均匀性变差。相较于模拟仿真结果,检测平台可以更好地反映流场的分布。此外,通过检测平台可以测得冷却系统的最大进口流量,前防撞梁模具冷却系统进口流量的最大值约为19 m^(3)·h^(-1)。

后防撞梁外板的超高强钢热成形工艺

针对汽车后防撞梁外板,采用数值模拟与零件试制相结合的方法,验证超高强钢热成形工艺的合理性和有效性。首先制定超高强钢的热成形工艺路线,据此采用有限元软件进行数值模拟,进行后防撞梁外板有限元模型的设计及优化,使得模拟结果满足成形要求。然后进行零件试制,试制成功后进行尺寸型面检测和拉伸试验检测,确保试制零件的尺寸精度、抗拉强度和屈服强度满足要求。数值模拟和零件试制结果显示:模拟的零件最大减薄率为12.9%,最大起皱为9.6%,符合主机厂通用要求;试制零件检测偏差值满足公差要求,零件的抗拉强度实测值均超过1450 MPa,屈服强度实测值均超过950 MPa,达到零件的性能要求。依据热成形工艺和模拟方案进行零件加工,能够获得优质产品,为汽车超高强钢零件的批量化生产提供了设计参考。

固溶时效处理对稀土铝合金力学性能及组织的影响

研究了4种厚度稀土铝合金板的固溶时效处理工艺(480℃固溶水冷和120℃×24 h时效处理),对热处理前、后的合金进行了室温拉伸试验,通过EBSD对微观组织进行了定性和定量研究,并对拉伸断口形貌进行了观察分析。结果表明,该固溶时效处理工艺对提高稀土铝合金的强度效果明显,对3.0 mm厚板料的增强效果最为显著,此外对合金的塑性具有一定的提升作用;固溶时效处理后,3.0 mm厚合金相比1.2 mm厚合金,其各向异性更强,大角度晶界角和小角度晶界角的数量更多,晶界总长度增加,平均晶粒尺寸更小。固溶时效处理对试验稀土铝合金有良好的细晶强化和位错强化效果。热处理前试验稀土铝合金的断裂方式均为韧性断裂,3.0 mm厚合金显示出比1.2 mm厚合金更好的塑性;经固溶时效处理后,1.2 mm厚合金试样的断口形貌发生变化,材料塑性进一步提高,3.0 mm厚合金的塑性则相比热处理前有所降低。

基于多材质复合铸型的A356铝合金性能调控机制研究

建立变壁厚回字形结构多材质复合铸型,首先,通过对A356铝合金在多材质复合铸型的充型、凝固过程模拟仿真,获得多材质复合铸型铸件充型时间和温度场结果,锆英砂与石英砂、铬铁矿砂与石英砂过渡处凝固时间呈阶梯状递减;且锆英砂与石英砂过渡处及铬铁矿砂与石英砂过渡处铸件凝固时间更短,金属液凝固速度更快。其次,采用电子背散射衍射(EBSD)分析、电子显微探针(EPMA)分析对石英砂、铬铁矿砂、锆英砂复合铸型在重力铸造下A356铝合金铸件断口进行分析并进行抗拉强度测试。结果表明:在相同壁厚时,铬铁矿砂、锆英砂型铸件的晶粒尺寸细小,Al、Mg、Si等元素分布均匀、力学性能提高,断口呈现韧性断裂的特征;同时随着壁厚减小,同种材质砂型铸件晶粒细化、元素分布均匀、力学性能提高,断口呈韧性断裂特征。

氧化石墨烯-碳纳米管复合膜层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料层合板结构的层间性能一直是材料的性能短板,本文利用氧化石墨烯(GO)和碳纳米管(CNT)设计制备了具有一定渗透性和树脂浸润性的复合膜,采用层间增韧方法,制备了GO-CNT复合膜改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料,通过张开型Ⅰ型层间断裂韧性(G_(ⅠC))与滑移型Ⅱ型层间断裂韧性(G_(ⅡC))对GO-CNT-CF/EP复合材料的层间韧性进行了研究,并结合复合材料的破坏微观形貌和损伤/破坏特征分析了GO-CNT复合膜对复合材料的层间增韧效果及增韧机制。结果表明:GO与CNT质量比为3∶7时制备的复合膜具有良好的成膜工艺性和树脂浸润性,EP与GO-CNT复合膜的接触角远低于其与纯GO膜的接触角,并且GO与CNT结构中的羟基、羧基、环氧基等含氧基团增加了它们与EP的物理亲和性和化学作用,有利于复合材料层间GO-CNT/EP微区结构的强韧化。GO-CNT复合膜对复合材料的张开型层间断裂韧性G_(ⅠC)没有增强效果,甚至复合材料的G_(ⅠC)值还发生了轻微下降。而GO-CNT复合膜对复合材料的滑移型层间断裂韧性G_(ⅡC)具有良好的改善作用。复合材料的G_(ⅡC)从CF/EP复合材料的1855 J/m~2提高到GO-CNT-CF/EP复合材料的2720 J/m~2,提高了47%。这归因于GO-CNT复合膜和树脂间形成的相互穿插交叠的网络结构抑制了滑移型破坏载荷导致的层间微裂纹的扩展。GO-CNT/EP复合材料具有和CF/EP基本相当的玻璃化转变温度。

温和条件可控制备三维还原氧化石墨烯凝胶及其性能

为了实现石墨烯类三维气凝胶在温和环境条件下的大面积可控制备和高性能化,本文应用水合肼作为还原剂,通过低温预冷冻结合室温自然干燥,实现了室温还原自组装法可控制备直径30 cm的大面积三维还原氧化石墨烯(3D-RGO)气凝胶。该方法制备条件温和,不需任何加热条件和特殊冷冻干燥设备。通过对气凝胶制备过程中还原时间、预冷冻时间、预冷冻温度和反应容器进行控制,可以有效调节气凝胶的形状、表面浸润性、体积收缩率等,实现3D-RGO气凝胶的可控制备。该气凝胶不会出现明显的体积收缩和结构破裂,为具有约500μm的稳定孔径和3.8 mg/cm^(3)的低密度的蜂窝状结构,并能够从90%的压缩应变下快速地恢复到初始状态,其干燥过程体积收缩率<5%;同时该石墨烯气凝胶展现良好稳定的导电性,在压缩应变从0%增加到90%时,其导电率从17.3 S/m增加至115.2 S/m。这种方法经济高效且易于制备出大面积的3D-RGO。

高强钢的热塑性流动规律

针对两种应用在汽车的高强硼钢材料,通过力学试验和微观组织试验相结合的方法研究其热塑性流动规律,为高强钢热成形提供工艺参数依据。采用Gleeble-1500热模拟机进行高温热拉伸试验,研究在变形温度为600~800℃、应变速率为0.01~1 s^(-1)条件下两种材料热成形时的热塑性流动性;进行冷却速度试验,并对试验后的板材件进行单向拉伸试验和金相组织分析,进一步研究材料在热环境下的热塑性流动规律。结果表明,随着应变速率的增加,材料的塑性流动应力随之增加,加工硬化现象也越来越明显,变形温度的升高使材料的流动应力水平明显下降;对于Al-Si镀层钢板,提高变形温度,有助于马氏体的形成和材料冷却后强度及硬度的提升。