梯度材料低温挤压成型过程分析及控制

来源 :西安理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:mzt1989
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功能梯度材料(Functionally Gradient Material,FGM)的化学构成、微观结构和原子排列由一侧向另一侧呈连续梯度变化,从而使材料的性质和功能也连续地呈梯度变化。正因为功能梯度材料这一独特性能使其广泛应用于航空航天、生物工程、核工业等多种领域中。目前,很多研究将快速成型制造(Rapid Prototyping Manufacturing,RPM)原理应用于FGM的制备,但这些方法成型出的FGM有机物含量较高,后处理脱脂复杂,对环境不友好。本文采用低温挤压制造(Freeze-form Extrusion Fabrication,FEF)工艺,将两种不同的水基膏体材料在低于其凝固点的温度下挤出混合成型,最终加工出具有一定梯度的三维实体零件。但是膏体在挤出的过程中,会出现气泡释放和结块破裂的现象,致使喷嘴处的挤压力发生不断的变化,导致成型过程不连续或者出现在零件某处堆积过多的现象,这将会影响零件的表面质量,甚至导致零件成型失败。因此,本文针对梯度零件成型原理及过程设计了一套双挤压混合装置,采用挤压速度控制和挤压力自适应控制策略,对挤压速度和挤压力进行了实时控制,使两种不同材料以任意比例混合后连续、均匀的从喷嘴挤出。针对FGM挤压成型过程中的挤压力控制,通过辨识方法得到单侧挤压过程可用一个单输入单输出过程描述。通过遗忘因子递推最小二乘法对建立的过程模型进行参数估计,按照最小方差自适应控制策略设计了挤压力自适应控制器,并通过Matlab仿真验证了控制器的可靠性。针对材料需任意比例挤出混合的要求,通过推理和计算得出了挤压速度控制所需求的控制电压的计算公式。最终将挤压速度控制和挤压力自适应控制相结合,开发了适用于FGM挤压成型过程控制的条件比例控制策略。应用条件比例控制策略将双挤压装置设计为闭环控制系统,并搭建FGM挤压成型实验平台,编制人机交互软件进行成型实验和数据采集。通过FGM成型实验得出,FGM低温挤压成型可以快速的直接成型出FGM零件,所开发的条件比例控制策略可以有效的控制挤压过程中的挤压速度和挤压力,使其满足FGM零件连续成型的要求。
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