微-介觀尺度下薄板成形建模分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、近年來，人們對(duì)于日常生活產(chǎn)品的要求日趨微型化、智能化、多功能集成化。這些要求加速了電子工業(yè)及精密機(jī)械的飛速發(fā)展，微型產(chǎn)品被越來越廣泛地應(yīng)用于移動(dòng)電話、手提電腦、微型導(dǎo)航系統(tǒng)、集成電路封裝、醫(yī)療器械和微型傳感器等行業(yè)。據(jù)估計(jì)在過去的幾年中，由于微型化概念帶來的微細(xì)產(chǎn)品交易已經(jīng)高達(dá)幾十億美元。產(chǎn)品微細(xì)化趨勢(shì)做對(duì)微細(xì)加工技術(shù)提出了新的要求。微細(xì)成形工藝是一種重要的微細(xì)加工工藝，適合低成本、大批量的工業(yè)生產(chǎn)。但是由于加工尺度的減小，導(dǎo)致微細(xì)成形

2、工藝中出現(xiàn)了有別于傳統(tǒng)宏觀加工的尺度效應(yīng)現(xiàn)象，這使得傳統(tǒng)宏觀成形加工中成熟的工藝?yán)碚摵图夹g(shù)不能直接應(yīng)用于微細(xì)成形工藝工領(lǐng)域中，嚴(yán)重制約了微細(xì)制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文以微細(xì)薄板沖壓成形工藝為研究對(duì)象，圍繞微細(xì)成形工藝中存在的尺度效應(yīng)問題展開分析和研究，引入尺度效應(yīng)影響因子，建立適合微細(xì)成形工藝分析的微細(xì)材料本構(gòu)模型和微細(xì)摩擦模型；利用實(shí)驗(yàn)分析和有限元仿真相結(jié)合的方法，探索微細(xì)薄板材料軟模成形工藝規(guī)律，研究了成形工藝中摩擦的尺度效應(yīng)現(xiàn)象。本文的

3、研究成果主要集中在以下幾個(gè)方面： 1)微細(xì)成形工藝中材料尺度效應(yīng)研究及本構(gòu)模型首先分析了微細(xì)成形工藝中材料表現(xiàn)出尺度效應(yīng)的原因，借鑒材料表面層模型，把組成材料的晶粒分成表面層晶粒和內(nèi)部晶粒，結(jié)合材料在晶內(nèi)和晶界變形理論，引入描述材料尺度效應(yīng)參數(shù)，提出了用于描述微細(xì)材料變形的材料應(yīng)力應(yīng)變混合模型；并通過不同尺度銅圓柱壓縮實(shí)驗(yàn)和鋁薄板材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該材料模型的準(zhǔn)確性。文中還通過不同尺度的不銹鋼薄板材料組合單向拉伸實(shí)驗(yàn)，研究了不銹

4、鋼薄板材料微細(xì)加工尺度下的性能，并建立相應(yīng)的材料本構(gòu)模型。 2)微細(xì)成形工藝中摩擦建模與分析微細(xì)成形工藝中除了材料尺度效應(yīng)現(xiàn)象外，也存在摩擦尺度效應(yīng)。利用開口和閉口潤(rùn)滑模型，定性地揭示了微細(xì)成形中摩擦尺度效應(yīng)產(chǎn)生的原因；基于Wanheim/Bay摩擦模型，通過引入尺度系數(shù)λ，建立了微細(xì)成形中的摩擦尺度效應(yīng)模型；利用該模型，分析摩擦界面的實(shí)際接觸面積隨接觸面尺度變化的規(guī)律，建立了摩擦接觸表面法向力與摩擦實(shí)際接觸面積之間的關(guān)系，分析

5、了加工尺度變化對(duì)摩擦模型的影響規(guī)律；為了利用有限元方法分析微細(xì)成形工藝中的摩擦尺度效應(yīng)，提出了等效摩擦模型，并結(jié)合有限元分析軟件，對(duì)微細(xì)圓環(huán)壓縮工藝進(jìn)行了仿真模擬，通過數(shù)值模擬揭示了微成形工藝中微摩擦對(duì)工藝的影響。 3)微細(xì)薄板軟模成形工藝數(shù)值仿真建模與成形工藝分析以軟模薄板微細(xì)沖壓成形工藝為研究對(duì)象，采用超彈性模型(Mooney-Rivlin)為軟模材料的模型，建立了微細(xì)薄板軟模成形的仿真分析模型。討論了仿真模型中的材料、單元

6、、接觸和載荷與邊界條件的定義，提出了微細(xì)薄板軟模成形的仿真建模方法。建立了三種不同深徑比(h/w)的仿真模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)軟模成形的工藝參數(shù)：材料因素、軟模硬度和摩擦條件分別做了詳細(xì)的討論，分析了工藝參數(shù)對(duì)成形工藝的影響，揭示了不同深徑比(h/w)和模具過渡圓角對(duì)成形性能的影響規(guī)律。 4)微細(xì)薄板軟模成形工藝與微細(xì)摩擦的實(shí)驗(yàn)研究文中設(shè)計(jì)了不同幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、粗糙度的槽形剛性模具，并分別在不同壓力(20KN、60KN和100KN)的