[发明专利]一种难变形阵列微流道脉冲电流辅助异步辊压成形方法

说明书

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。

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；