準靜態(tài)加載與激光沖擊動態(tài)加載金屬箔板微彎曲尺寸效應(yīng)研究.pdf

1、隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微制造已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢，出現(xiàn)了多種新型微成形工藝，但是隨著微零件的幾何尺寸的微小化，材料的流動應(yīng)力與宏觀尺度下有著顯著的區(qū)別，其表現(xiàn)出的尺寸效應(yīng)已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點。
　　本文通過搭建激光沖擊動態(tài)加載軟模微彎曲成形系統(tǒng)和試驗機準靜態(tài)加載軟模微彎曲成形系統(tǒng)，對比研究在高、低應(yīng)變速率的工藝條件下，銅箔晶粒尺寸(d)、銅箔厚度與晶粒尺寸的比值N(N=t/d)、模具特征尺寸(W)對微彎曲成形性能的影響。同時，基

2、于ANSYS隱式分析和LS-DYNA顯式分析，完成了試驗機準靜態(tài)加載和激光沖擊動態(tài)加載微彎曲成形的數(shù)值模擬研究；并且，探討了晶粒尺寸對準靜態(tài)微彎曲成形性能的影響。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下：
　　(1)在成形深度、形變均勻性和顯微硬度三個方面，激光沖擊動態(tài)加載和試驗機準靜態(tài)加載軟模微彎曲成形工藝均表現(xiàn)出強烈的尺寸效應(yīng)。通過基恩士VHX-1000超景深三維顯微鏡對成形件成形深度進行測量，研究表明：成形件的標準成形深度隨著N值的減小

3、，均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。通過Axio CSM700真彩色共聚焦顯微鏡對零件表面粗糙度進行測量，實驗結(jié)果表明：隨著晶粒尺寸的增大，成形件的表面粗糙度均呈現(xiàn)增大的趨勢。通過對成形件關(guān)鍵點減薄率的測量，研究發(fā)現(xiàn)：成形件的減薄率隨著晶粒尺寸的增大均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；并且，晶粒尺寸越大，其形變愈不均勻。采用HV-1000型顯微維氏硬度計對動態(tài)加載前后的銅箔進行顯微硬度測量，結(jié)果顯示：動態(tài)加載前后的材料顯微硬度隨著N值的增大均呈現(xiàn)先減小

4、后增大的趨勢；激光沖擊動態(tài)加載之后，材料的顯微硬度相對于原材有了明顯的提高；同時，材料的顯微硬度隨著塑性應(yīng)變的增大而增大，并且粗晶材料表現(xiàn)出更強的加工硬化行為。
　　(2)對于成形能力，在準靜態(tài)加載下，材料的極限成形深度隨著晶粒尺寸的增大而降低；同時，隨著加載力的增大，不同晶粒尺寸下的工件均發(fā)生韌性斷裂破壞。而對于激光沖擊動態(tài)加載，當激光能量達到2J時，工件以高應(yīng)變率發(fā)生塑性形變，產(chǎn)生的晶粒細化、高位錯密度、動態(tài)再結(jié)晶等微觀組織結(jié)

5、構(gòu)的演化，將極大的提高材料的動態(tài)成形能力，使得成形件能夠較好的貼合模具，并且未發(fā)生斷裂破壞，表現(xiàn)出更好的成形能力。
　　(3)通過數(shù)值模擬對準靜態(tài)加載和激光沖擊動態(tài)加載軟模微彎曲成形進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著模具特征尺寸的增大，工件成形深度逐漸增大。激光沖擊動態(tài)加載軟模微彎曲成形件的關(guān)鍵點的等效塑性應(yīng)變、等效塑性應(yīng)變率均隨著模具特征尺寸的增大而減小，與準靜態(tài)加載表現(xiàn)出相反的規(guī)律。
　　(4)由于缺乏動態(tài)加載下，銅箔晶內(nèi)晶界材料

6、的本構(gòu)模型，因此本文僅在準靜態(tài)加載條件下，探討晶粒尺寸、晶界強化行為對軟模微成形行為的影響。本文通過Voronoi算法，分別構(gòu)建了四種晶粒尺寸下，銅箔晶內(nèi)晶界幾何模型；基于位錯密度模型分別建立了紫銅晶內(nèi)晶界材料的本構(gòu)模型。數(shù)值模擬結(jié)果表明：當N>1時，隨著晶粒尺寸的增大，工件成形深度、表面粗糙度逐漸增大。
　　本文的研究內(nèi)容表明：在成形深度、形變均勻性以及顯微硬度方面，激光動態(tài)加載微彎曲成形依然存在著與準靜態(tài)微彎曲成形相似的尺寸效