大学生科技成果推广项目-基于谷氨酸的双交联聚合物水凝胶的构筑及其机理研究

1、项目编号：大学生科技成果推广项目申 报 书 项目名称：同位起楔楔横轧非对称轴类件心部质量控制技术研究 项目申报人： 魏伊伦 项目依托学科： 机械工程 学校名称： 宁波大学 申报日期： 2016年1月7日 项目类别：个人项目 团队项目 浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）实施办公室 制填写说明一、申报书要按照要求，逐项认真填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。二、格式要求：申报书中各项内容以Word文档格式填写，表格中的字体为小四号仿宋体，1.5倍行距；表格空间不足的，可以扩展或另附纸张；均用A4纸双面打印，于左侧装订成册。三、申报书由所在学校领导审查、签署意见并加盖公章后，一式1份

2、（原件），报送浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划实施办公室。一、项目简介项目概况项目名称基于谷氨酸的双交联聚合物水凝胶的构筑及其机理研究项目性质（）基础研究 （）应用基础研究项目来源（）自主立题 （）教师指导选题起止时间自 2015 年 1 月 至 2016 年 1 月项目状况1、研发阶段 2、中试阶段 3、批量（规模）生产（选项打）申请人姓名倪敏杰性 别男出生年月1994年12月入学年月2013年9月所在院系材化学院材料科学与工程联系电话642307电子信箱1432723000项 目 组主要成员姓名年龄性 别专业具体分工倪敏杰20男材料科学与工程协调项目分工，并负责材料制备和表征周云

3、逸22男材料科学与工程材料制备赵益佳20男工程技术材料表征项目指导教师姓名陈重一性 别男出生年月1986年7月主要研究方向 基于聚多肽的仿生高强度水凝胶近三年获奖成果：国家级_等奖_项，省部级_等奖_项近三年科研经费_30_万元，年均_30_万元项目主要内容简介水凝胶在智能材料和生物医用材料研究中日益受到重视。然而，大部分传统的合成水凝胶相比于生物体内类水凝胶组织力学强度较弱且韧性不足，这些缺陷妨碍了其生物支承体系等领域的应用。本项目从仿生出发，提出一种利用类“分子弹簧”的螺旋聚谷氨酸制备的具有高强度和韧性的聚合物交联水凝胶。本研究采用双交联网络的概念，结合NCA开环聚合法，以聚合物网络为基础

4、，引入螺旋聚谷氨酸作为第二交联点，利用聚多肽分子中多氢键的协同作用力，为聚合物水凝胶网络提供新型交联点，提高凝胶的强度和韧性。通过对聚谷氨酸的分子设计，实现其二级结构可调控，并调节交联点密度和比例实现凝胶力学性能最优化。考察聚谷氨酸在水凝胶中的多氢键体系，研究多氢键的相互作用，揭示聚谷氨酸二级结构对于凝胶力学性能的影响机制。项目研究成果对于制备高强度高韧性水凝胶材料具有重要意义，为聚多肽对于增强增韧复合水凝胶体系提供科学依据。二、项目的研究目的及意义1、申请项目的必要性、目的及意义必要性随着交通运输业的快速发展，各种轴类零件的需求量与日俱增，尤其是沿长度方向上非对称的大型轴类件，在铁路车辆用车

5、轴和汽车用轴等行业有广泛的应用需求。楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，是生产轴类件的最佳工艺之一，具有生产效率高、显著节材等优点1。楔横轧技术是最近几十年发展起来的一种轴类零件加工新工艺, 它是利用两个装在同向旋转轧辊上的楔形模具 , 使坯料产生连续局部变形, 最终轧制成楔形孔型的各种台阶轴。 该技术因具有高效、节材、节能等特点而广泛应用于各种带旋转体类零件的生产。目的及意义在楔横轧生产过程中，轧件产生的缺陷主要有成形缺陷、表面缺陷和内部缺陷，成形缺陷主要是由于轧件打滑；表面缺陷主要表现为折叠、缩颈及螺旋线压痕；内部缺陷是中心材料受到破坏，轻微为材料疏松；严重为材料的开裂2。热塑性加工本身存在复

6、杂性，特别是轧件内部空心缺陷产生的原因。如果模具设计参数和变形条件不适当，都有可能让轧件心部产生疏松或开裂，但是轴类件要承受较大的载荷，有着较高的要求，不允许材料疏松的存在。2、项目的背景、主要内容、技术水平及应用范围背景早在19世纪, 人们就开始探讨用楔横轧的方法生产轴类零件, 但是由于当时技术的限制一直使此项工艺未能用于生产 。直到上世纪60年代 ,随着捷克斯洛伐克将此技术在莱比锡国际博览会上的展出,才引起了世界各国科学工作者的广泛重视 ,从而使楔横轧技术成为世界上众所周知的轴类零件加工新工艺 。之后, 英德日本以及前苏联等国相继对此技术进行开发研究 ,不仅从其变形机理,而且在工艺参数、装

7、备上也进行了广泛的实验研究,取得了一定的成果 ,并不断运用于工业生产之中 。目前,国外用楔横轧工艺生产的轴类另件己达百种, 其工艺装备也得到了长足发展3。 我国从1963年起,国内几所大学及科研院所就开始进行了这方面的探讨与试验工作, 直到上世纪70年代初才获得了汽车球头销的楔横轧工艺的初步成功 。到80年代未90年代初, 象木凿 、毛坯等较简单零件才逐步用于工业生产 。随着对楔横轧技术的不断深入研究、使此项技术得到了不断发展, 从而也使其越来越得到了工业企业的广泛重视。目前 ,国内至少建立了几十条楔横轧生产线, 用此工艺生产的零件也有近百种 , 如汽车齿轮箱中的一轴、二轴、中间轴 ,发动机中

8、的凸轮轴等零件以及为连杆、汽车半轴提供精密锻坯等4, 5 。楔横轧工艺原理如图一所示，是利用两个装在同向旋转的轧辊上的楔形模具, 在楔形模具的楔形凸起的作用下带动轧件旋转, 并使毛坯产生连续局部小变形 ,最终轧制成楔形孔型的各种台阶轴。楔横轧的变形主要是径向压缩 、轴向延伸。楔横轧工艺主要适用于带旋转体的轴类零件的生产 ,如汽车、拖拉机、摩托车 、内燃机等变速箱中的各种齿轮轴 、发动机中的凸轮轴、球头销等 。它不仅可以代替粗车工艺来生产各种轴类另件, 而且亦可以为各种模锻零件提供精密的模锻毛坯, 特别是由于其具有不切断纤维 、高效 、节材以及模具寿命高 、易于实现机化等特点, 从而越来越成为受

9、到广泛重视的一种轴6。随着我国近几年工业的迅速发展，特别是汽车工业的崛起，将对轴类零件有一个大规模的需求，另外随着人们对能源、环保的越来越重视，做为高效、节能、节材的楔横轧技术也必将有较大的发展空间。同时，随着数控技术的普遍应用以及配套元器件的不断成熟，也将给楔横轧设备的发展与完善提供了可能。楔横轧技术在我国经过近 20 年的发展历程,在理论和工艺技术的研究方面均取得了重大进展，使我国楔横轧的工艺水平大为提高,现已逐渐扩展应用到一些机械性能和精度要求较高的制件上。有关部门制订了楔横轧机和模具的标准,楔横轧被国家科委列入重点推广计划，为楔横轧技术在我国的推广应用创造了良好的条件。目前已在20 多

10、个省市建成了 50 余条楔横轧生产线。楔横轧的制件品种近 200 种7。我国虽然在楔横轧的研究和应用方面取得了很大成绩，但与先进工业国家相比还有一定差距。今后应进一步加强研究力度，在理论上探讨模具的现代设计方法、轧制过程的数学模型、物理模拟及多学科仿真等。同时还应对提高轧件精度和生产过程自动化，模具的计算机集成制造系统进行研究。在应用中使楔横轧件向大型化发展和实现长棒料轧制，使我国楔横轧的技术水平有更大的提高8。参考文献 :1 彭文飞. 楔横轧非对称轴类件成形机理及其关键技术研究D.北京: 北京科技大学机械工程学院, 2011: 2.2 胡正寰. 楔横轧理论与应用M .北京: 冶金工业出版社,

11、 1996.120-135.3 胡正寰. 斜轧与楔横轧工艺原理及设备M .北京: 冶金工业出版社,1985. 80-95.4 董钦庭, 袁文生, 李继赞, 等. 我国平板式楔横轧技术的现状.锻压机械, 1992(3): 40-42.6 胡正寰. 楔横轧轴类件技术的现状与展望A . 中国机械工程学会锻压学会第六届学术年会论文集C . 北京: 北京科技大学出版社, 1995. 391-394.8 袁文生.楔横轧工艺在汽车半轴生产中的应用A .2004年华东六省一市塑性成形工程学术年会论文集C . 南昌: 南昌大学出版社, 2004. 92-94.主要内容：（1）楔横轧变形过程中内部缺陷产生机理 楔

12、横轧变形状态是复杂的三维应力应变状态，在成形体内同时具有压缩、拉伸、弯曲、剪切等变形方式，再加工工具间的摩擦，变形状态的复杂的很容易造成材料成形后的缺陷。（2）同位起楔的非对称楔横轧轧制内部应力应变分析 对同位起楔的非对称楔横轧轧制和对称轧制内部应力对比，对同位起楔的非对称楔横轧轧制和对称轧制内部应变对比。（3）同位起楔非对称轧件内部塑性变形及受力状态的数值模拟 楔横轧内部空心缺陷的产生与心部金属的应力应变状态及分布情况。（4）同位起楔的楔横轧非对称轧制微观组织模拟 同位起楔的楔横轧非对称轧制随着变形的深入和温度的变化，材料的微观组织将会发生动态、亚动态、静态再结晶等一系列的变化，其中动态再结

13、晶是材料动态软化及晶粒细化的主要手段。研究材料为42CrMo钢楔横轧非对称轴类件热成形过程中动态再结晶引起的微观组织演化，为微观组织的预测和制定合理的工艺提供依据。 研究方案：（1） 楔横轧变形过程中内部缺陷产生机理 A )对称轴类件心部缺陷位置 轧件纵截面和横截面分别取4个轴向特征点和4个径向特征点，判断什么点所在的位置在轧制过程中最有可能发生心部破坏。 轴向特征点和径向特征点的位置示意图 B )同位起楔横轧非对称轴类件心部缺陷位置 对于非对称轧制，轧件纵截面取5个轴向特征点判断什么点所在的位置在轧制过程中最有可能发生心部破坏。，轴向特征点和径向特征点的位置示意图（2） 同位起楔的非对称楔横

14、轧轧制内部应力应变分析 A)同位起楔的非对称楔横轧轧制和对称轧制内部应力对比通过软件分析心部应力曲线图，对称轧制轧件和非对称轧制轧件的哪一个截面更容易发生心部破坏。 B)同位起楔的非对称楔横轧轧制和对称轧制内部应变对比通过软件分析心部应变曲线图，对称轧制轧件和非对称轧制轧件的应变状态。（3） 同位起楔非对称轧件内部塑性变形及受力状态的数值模拟 A )成形角对同位起楔非对称轧件心部破坏影响分析选取成形工艺参数为左=右=7.5º；左=44%，右=64%时，不同成形角下的分析比较，判断左右成形角，对轧件中心的影响。 B )展宽角对同位起楔非对称轧件心部破坏影响分析选取成形工艺参数为左=22

15、º，右=24º；左=44%，右=64%时，不同展宽角下的分析比较，判断展宽角对横向应力和横向拉应力的影响。 C )断面收缩率对同位起楔非对称轧件心部破坏影响分析选取成形工艺参数为左=22º，右=24º；左=右=7.5º时，不同断面收缩率下的分析比较，判断断面收缩率对剪应力和横向拉应力的影响。（4）同位起楔的楔横轧非对称轧制微观组织模拟 A )动态再结晶模型描述动态再结晶激活准则动态再结晶开始的临界变形量c是一个重要参数和信息，它对随后的软化机制起决定性作用动态再结晶激活准则描述为： 式中：为对应动态再结晶的峰值应变，为发生动态再结晶时的临界应变

16、。动态再结晶运动学方程采用Avrami 方程即： 式中：为动态再结晶体积分数；是动态再结晶体积分数为50%时的应变；动态再结晶晶粒尺寸模型动态再结晶晶粒尺寸模型为： 式中：为动态再结晶晶粒尺寸。分析图动态再结晶体积分数分布，判断动态再结晶体积分数分布的位置，并分析原因。 B )晶粒尺寸描述分析表面和内部晶粒尺寸大小，判断晶粒细化的尺寸范围先进性和创新点(1) 利用有限元数值模拟，在对应力应变场进行全面分析的情况下分析轧件内部缺陷产生的机理(2) 研究同位起楔楔横轧非对称变形过程中内部损伤与各变形参数的关系，提出预防内部缺陷产生的控制条件。技术水平 此项目的非对称轴类件根据楔横轧工艺可分为两侧轧

17、制轴段断面收缩率不同或者断面收缩率相同而展宽长度不同2种类型。传统楔横轧非对称轴类件是使非对称轧制转化为对称轧制，对于长度较大的非对称轴类件，由于受到安装模具芯轴长度的限制，无法在现有的设备上实现对称轧制。也就是说，无法实现一付模具生产偶数件非对称轴类件。因此，楔横轧非对称轴的成形方法为尺寸不同的变形区段选取不同的工艺参数组合起来进行轧制，通过轧制不同变形区段的组合，使不对称件单件轧制成形。非对称的楔横轧存在局部轴向力不平衡问题。若不平衡轴向过大，轧件会产生轴向窜动、台阶缺肉和轧件重皮等缺陷。要解决此类缺陷，思路之一为通过工艺参数的选择来解决局部轴向力的不平衡问题。由于非对称轴的多样性，工艺参

18、数的选择受起楔点的位置、轧件的旋转条件、心部质量条件等限制，工艺参数的选择范围缩小，无法完全通过工艺参数的选择来满足轴向力平衡。若轴向力不能平衡，轧件将轴向窜动。思路之二为非对称轧制的模具设计，考虑轧件的轴向窜动量的补偿，从而轧制出合格的非对称轴类件。因此，楔横轧非对称轴是否可行，关键在于轴向力与轴向窜动量能否被精确测量。应用范围 (1) 轧锻结合生产某些零件 楔横轧的缺点是只能成形圆形截面的零件，即轴类件。 因此，对某些大批量的零件 ,可以走一火轧锻结合的工艺。例如用楔横轧制坯，模锻成形连杆毛坯，已在我国几个工厂取得成功。 它与自由锻、模锻、包括辊锻制坯比较，不仅效率高，温降小，而且制坯尺寸

19、精确，模锻后的飞边平均减少 40 %，效果良好 ,例如用楔横轧制坯，用摆辗成形盘部，已在我国某工厂取得成功，由于楔横轧杆部不需要再加工，无论产品质量与效益都很好，产品受到欢迎。 (2) 关于楔横轧火车轴问题 我国火车货车 D 轴，年需要年约20多万根，多数靠自由锻制坯，材料利用率约64 %。少数靠引进奥地利的精锻机生产，材料利用率约70 %。若用楔横轧生产，材料利用率可达 80 %，与自由锻比较，以年20万根计，仅节材一项达300吨，此外还具有效率高，产品质量好，生产环境好等优点。由于火车轴长220 mm，最大直径19mm，国内外均无楔横轧的先例。由于我国已有 轧制100多个品种的 实践，其最

20、大长度已达90mm，直径达122 mm，攻下这个项目已具备基本条件。 (3) 楔横轧模具实现 C A D / C A P P / C A M 由于楔横轧模具尺寸大，形状复杂，但使用寿命很长，故适合于集中生产制造。 而集中批量生产模具，采用计算机辅助设计 ( C A D )、计算机辅助工艺编程 ( C A P P )，到计算机辅助制造 ( C A M )，并为最终实现模具的计算机集成制造系统创造条件。3、 实施该项目所具备的基础、优势和风险项目申请人具有较扎实的理论基础和实验操作经验，已经完成理论力学、材料力学、金属工艺学等相关专业基础理论课程与实验课程的系统学习，且与本课题相关的一系列内容已经

21、在进行不同程度的研究，经过前期实验探索，我们已积累了与本课题相关的一些研究基础。本课题的指导老师具有良好的学术积累，主持国家自然科学基金、浙江省杰出青年基金等省部级以上科研项目15项，获国家科技进步二等奖1项，国家机械工业局科技进步一等奖1项等，授权国家发明专利16项；发表学术论文150多篇，其中EI、SCI收录60多篇；撰写楔横轧多楔同步轧制理论与应用、大型轴类件楔横轧成形理论及实践等专著。现代制造工程、热加工工艺、应用科技杂志编委。浙江省十二五重大专项和成果转化工程专家，国家自然科学基金评议专家，浙江省自然科学基金评议专家。本课题紧密结合指导老师的科研方向，可以得到老师很好的帮助和指导。本

22、课题组的主要成员均机械工程专业的研究生，具有良好的理论基础知识和实验技能，团队协作能力强。项目申请人所在的学院及学校具有良好的学科研究平台，具有可满足结构分析与表征需要的大型仪器设备，指导教师实验室具有良好的实验条件，可满足本项目有关性能测试等实验部分的全部需要。综上所述，现有的知识储备和实验条件均可保证本项目研究工作的顺利进行，风险很小。4、项目计划目标。本项目拟在采用数值模拟方法研究模具参数对楔横轧成形非对称轴类零件过程中内部缺陷的定量描述，从而对轧件内部缺陷发生发展情况进行相应的预测，并能提供相应的预防措施。预计完成本项目后，可在国内外核心期刊发表论文1-2篇。三、预期成果、知识产权形成及经济、社会效益分析1、 项目的预期成果及知识产权归属情况（1）归纳总结聚谷氨酸/聚丙烯酰胺交联水凝胶的制备方法；实现对水凝胶力学性质的调控，得到高强度和韧性的水凝胶材料；完成聚谷氨酸二级结构影响水凝胶力学性能的机制的研究；发展水凝胶的基础应用；（2）在导师指导下发表学术论文1篇2、 项目的市场前景分析水凝胶产品同时涉及材料和应用，比较复杂，尤在高端医药应用方面。每一种医药应用，技术要求不同。比如伤口护理水凝胶敷料，希望伤口舒适，敷