（机械制造及其自动化专业论文）微温弯曲成形研究.pdf

j 鼍 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密一。 学位论文作者签名：昊干 _ n 年否月力日 艚撕躲珀 年月日 微温弯曲成形研究 s t u d yo nm i c r ow a r mb e n d i n g 2 0 1 1 年0 6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 微弯曲作为微塑性成形的重要组成部分，广泛应用于航空航天、微电子、医 疗等领域。为了适应精密微弯曲的质量要求，各种特殊材料也开始应用于微塑性 成形领域，但是难成形材料的应用也给其成形带来了挑战。辅助成形微温弯曲可 以在保证成形质量的前提下有效降低其成形力，但是尚未形成系统的研究理论和 加工工艺。 本文研究了电辅加热和激光加热两种温弯方法，基于微温拉伸实验，建立了 考虑温度和第一类尺寸效应的修正型表面层模型，应用该修正型表面层模型对微 温弯曲实验进行了分析，研究结果如下： 1 在现有微成形装置的基础上，研制了微温成形实验所需的加热保温系统， 并根据实验需要设计研制了微温成形装置和其它各组成部件，对成形装置关键部 位的温度进行了检验。 2 以微温成形装置为实验平台进行了h 6 2 薄板进行微温拉伸实验，分析了温 度、晶粒度大小、试样厚度、伽比值和拉伸速度等因素对材料应力一应变关系的 影响规律。结果表明随着加热温度的升高，材料的流动应力明显降低；随着试样 厚度的减小，材料流动应力呈下降趋势；随着晶粒尺寸的减小，材料流动应力呈 上升趋势；材料的流动应力随着们比值的减小呈下降趋势；随着微拉伸速度的增 大，材料的应力变化不明显。 3 根据微温拉伸实验建立了合适温度下的微温成形理论模型，将理论模型引 入微温弯曲成形过程模拟。借鉴宏观的模具设计理论设计了v 形微弯曲模具，利 用微温成形装置，对h 6 2 薄板进行微温弯曲实验，揭示了温度对回弹的影响。结 果表明对应于相同的材料厚度和弯曲角，回弹率均随着热处理温度的升高而减小； 对应于相同的材料厚度，相同的热处理和弯曲角，回弹率均随着成形温度的升高 而减小。 最后，分析了激光辅助微温弯曲成形过程，研究了不同激光参数加热条件下 对板料温度场的影响，通过优化激光加热参数，获得了弯曲成形所需的均匀温度 场分布，同时揭示了激光辅助加热条件下温度对回弹的影响。结果显示激光辅助 加热能够有效的降低微弯曲成形过程中工件材料的屈服应力，v 形弯曲过程中所 微温弯 需的凸模成形力可以降低为冷加工时 弹量，当激光功率a p = 1 2 0 w 时，回 关键词：微温弯曲成形；微温拉伸实验；表面层模型；温度；回弹；激光辅助加 执 、 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i c r o - b e n d i n ga sa l li m p o r t a n tp a r to fm i c r o - f o r m i n gh a sb e e nw i d e l yu s e di n a e r o s p a c e ，m i c r o e l e c t r o n i c s ，m e d i c a la n do t h e rf i e l d s i no r d e r t om e e tt h ed e m a n d so f 扯g hq u a l i t y , av a r i e t yo fn e w m a t e r i a l sh a sb e e nu s e di nm i c r o f o r m i n g h o w e v e r , m o s t l l e wm a t e r i a l sa l eh a r dt of o r m m a n ys o l u t i o n sh a sb e e np r o p o s e ds u c ha sh e a t i n g m e t h o da p p l i e di nm i c r o b e n d i n g ，w h i c hc a l lr e d u c et h ep u n c hf o r m i n gf o r c e 而lg o o d f o r m i n gq u a l i t y t h e s es o l u t i o n sh a v en o ty e tf o r m e di n t og u i d a n c e i nt i f f st h e s i s ，e l e c t r i c - a s s i s t e dh e a t i n ga n dl a s e r - a s s i s t e dh e a t i n gm e t h o d sf o r m i c r o b e n d i n gh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h ec o n s t i t u t i v em o d e li nm i c r o - f o r m i n g c o n s i d e r i n gt h ef i r s to r d e rs i z ee f f e c tw a sd e v e l o p e db a s e do nm i c r ow a r mt e n s i l et e s t s t h en e wm o d e lw a sa p p l i e di nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st o s t u d yt h ei n f l u e n c eo f p r o c e s sp a r a m e t e r so nm i c r ow a r mb e n d i n g t h em a i n c o n c e l l l sa l ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , b a s e do nt h ee x i s t i n gs e t u po fm i c r o f o r m i n g ，ah e a t i n gs y s t e mf o rm i c r o w a r n lf o r m i n gs e t u pa n do t h e rn e c e s s a r yc o m p o n e n t sh a sb e e nd e v e l o p e d t h e t e m p e r a t u r eo fk e yp a r t si sv e r i f i e d s e c o n d l y , t h em i c r ow a r mt e n s i l et e s t sa b o u th 6 2s h e e tw a sc a r r i e do u tu s i n gt h e d e s i g n e dm i c r o - w a r mf o r m i n gd e v i c e t h ei n f l u e n c e so ft h ep a r a m e t e r so nt h em a t e r i a l s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i pl i k et e m p e r a t u r e ，g r a i ns i z e ，b l a n kt h i c k n e s s ，r a t i oo fb l a n k t h i c k n e s st og r a i ns i z e ，a n dt e n s i l es p e e d sw e r es t u d i e d t h er e s u l t sa l ea sf o l l o w s ：丽t h t h et e m p e r a t u r er i s i n g ，m a t e r i a lf l o ws t r e s sd e c r e a s e so b v i o u s l y ；丽mt h ed e c r e a s eo f s p e c i m e nt h i c k n e s s ，m a t e r i a lf l o ws t r e s sd e c r e a s e s ；丽t l lt h ed e c r e a s eo ft h eg r a i ns i z e ， m a t e r i a lf l o ws t r e s si n c r e a s e s ；w i t ht h ed e c r e a s eo ft dr a t i o ，m a t e r i a lf l o ws t r e s s d i 黜弱e s ；w i t ht h ei n c r e a s eo fm i c r ot e n s i l es p e e d ，m a t e r i a lf l o ws t r e s sa l m o s tr e m a i n s u n c h a n g e d t h i r d l y , ac o n s t i t u t i v em o d e lo fm i c r ow a r mf o r m i n gu n d e ras p e c i f i ct e m p e r a t u r e w a sd e v e l o p e d a n dt h e n , t h ec o n s t i t u t i v em o d e lw a si n t r o d u c e di n t om i c r ow a r m b e n d i n gs i m u l a t i o n m e a n w h i l e ，b a s e do nt h et r a d i t i o n a lm o u l dd e s i g nt h e o r y , t h e v - s h a p em i c r o - b e n d i n gm o u l d sw e r ed e s i g n e d t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo nb e n d i n g f o r c ea n ds p r i n g b a c kw a sr e v e a l e d t h er e s u l t sa l ea sf o l l o w s ：f o rt h es a m em a t e r i a l t h i c k n e s sa n db e n d i n ga n g l e ，t h es p 血g b a c kd e c r e a s e sa st h et e m p e r a t u r er i s e s ；f o rt h e s a m em a t e r i a lt h i c k n e s s ，h e a tt r e a t m e n ta n db e n d i n ga n g l e ，t h es p r i l l g b a c kd e c r e a s e s i i i 微温弯曲成形研究 w h e nt h ef o r m i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s f i n a l l y , t h ef o r m i n gp r o c e s sw a ss t u d i e du n d e rt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tl a s e r p a r a m e t e r t h eo p t i m i z e dl a s e rp a r a m e t e r se n s u r e sa u n i f o r mt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo ns p r i n g b a c kw a sa l s os t u d i e d t h er e s u l t sa l e 弱f o l l o w s ：l a s e r - a s s i s t e dh e a t i n gc a l le f f e c t i v e l yr e d u c et h ey i e l ds t r e s so fw o r k - p i e c e ， t h ep u n c hf o r m i n gf o r c eo fv - s h a p e db e n d i n gt a i lb er e d u c et o4 0 c o m p a r e dw i t ht h e c o l df o r m i n g ；h e a t i n gw o r k p i e c ec a nr e d u c et h es p r i n g b a c t , a n dt h es p r i n g b a c kc a nb e r e d u c e dt o5 5 w h e nl a s e rp o w e ra p = 1 2 0 w k e y w o r d s ：m i c r ow a r i l lb e n d i n g ；m i c r ow a r m t e n s i l et e s t ；s u r f a c el a y e rm o d e l ； t e m p e r a t u r e ；s p r i n g b a c k ；l a s e r - a s s i s t e dh e a t i n g i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 1 弓i 言1 1 2 微弯曲成形研究2 1 2 1 微弯曲成形研究概况2 1 2 2 微弯曲成形研究中需要解决的问题5 1 2 3 微弯曲成形问题的解决方法5 1 3 选题的意义及来源7 1 4 本文研究的主要内容。8 1 5 本章小结8 第二章微温成形加热装置的研制一9 2 1 微成形装置9 2 2 微温成形加热装置的功能分析9 2 3 微温成形加热装置的总体设计1 0 2 4 微温成形加热装置的部件设计1 1 2 4 1 加热保温装置的设计1 1 2 4 2 控温装置的设计1 3 2 4 3 其它结构的设计1 4 2 5 微温成形加热装置的热分析1 6 2 5 1 加热保温箱的计算。1 6 2 5 2 传感器的传热分析1 9 2 6 本章小结2 1 第三章1 1 6 2 黄铜微温拉伸实验研究。一一。一一。一一。2 2 3 1 温塑性成形2 2 3 2 微温拉伸实验2 3 3 2 1 实验设备及材料2 3 3 2 2 实验流程2 4 3 2 3 实验方案及实施2 4 3 3 微温拉伸实验结果分析。2 7 3 3 1 温度的影响2 7 3 3 2 厚度的影响2 8 3 3 3 晶粒尺寸的影响一3 0 3 3 4t d 的影响。3 1 3 3 5 拉伸速度的影响3 2 v 微温弯曲成形研究 3 4 本章小结 第四章微温弯曲理论模型建立与回弹实验研究 4 1 微温弯曲理论模型的建立3 3 4 1 1 表面层模型的建立3 3 4 1 2 有限元模拟的实现。3 7 4 2 微温弯曲回弹实验3 9 4 2 1 微温弯曲实验方案和准备3 9 4 2 2 微温弯曲模具设计3 9 4 3 回弹实验结果与分析4 0 4 3 1 热处理对回弹的影响4 0 4 3 2 温度对回弹的影响4 1 4 4 本章小结4 2 第五章激光辅助加热微温弯曲模拟研究一一4 3 5 1 铷鼢l q u s 软件简介4 3 5 2 有限元模型的建立4 4 5 2 1 几何模型的建立。4 4 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着微机电系统m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ) 在航空航天、精 密仪器、电子、国防、生物医疗等领域的广泛应用微塑性成形技术得到了快速的 发展【1 】，微塑性成形技术是指以塑性加工方式生产至少在二维方向上尺寸处于亚毫 米量级的零件或结构的工艺技术【2 】。微成形技术的发展来源于产品小型化和功能集 成化的要求 3 , 4 , 5 1 ，如图1 1 所示是典型的微成形零件。图1 1 a 为典型的微镦挤成 形零件，图1 1 b 为微冲裁和微弯曲在芯片接线框中的应用实例【q 。 o u t e r 轴缸 d a = - - b a n p l l 确ct l 弹 a 典型的微镦挤成形零件b 芯片接线框 图1 1 典型的微成形零件 f i g u r e 1 1t y p i c a lm i c r o - f o r m i n gp a r t s 微成形技术巨大的市场，使得微成形技术成为研究热点，美国、德国、日本 等国对微制造、微成形等进行了专项研究，美国国会已把微电子机械和纳米技术 列为2 1 世纪重点发展学科之一，德国研究技术部也将微型机械系统工程列为重点 项目，日本自1 9 9 1 年就把微型机械研究作为国家重大科研项目，韩国政府高度重 视微细成形研究，并开展了毫米结构( m i l l i s t r u c t u r e ) 研究计划川。我国对微塑性 成形研究的起步较晚，但是对该领域的发展非常重视，国家自然科学基金委员会 已经将微型化制造列入重点资助项目，国家8 6 3 计划也将微致动器和微机器人列 入研究重点领域【研。 微弯曲成形作为微塑性成形的重要组成部分，应用广泛，主要用于成形簧片、 挂钩、连接头、线条等微小零件【9 】。成形方法主要有激光微弯曲成形和模具微弯曲 成形。随着微塑性成形技术研究不断进展，微弯曲成为微塑性的主要研究分支也 出现了众多新技术工艺，但是由于起步较晚，仍处于初级研究阶段。 微温弯曲成形研究 1 2 微弯曲成形研究 1 2 1 微弯曲成形研究概况 由于微构件弯曲成形中无法避免的尺度效应，以及微尺度边界条件的复杂性 和微弯曲成形的非线性，造成传统宏观的成形理论、成形工艺、回弹控制理论、 弯曲模具设计理论、工艺参数等都不能简单按照相似定律缩小移植到微弯曲成形 中。需要研究一套新的成形理论及方法来确保微弯曲成形产品的质量。国内外对 微弯曲成形相关工艺和理论进行了一系列的研究，目前，研究主要集中在成形理 论、工艺、模具、数值模拟等几个方面，下面分别进行介绍。 1 成形理论 在微弯曲塑性成形理论研究方面，由于尺寸的微型化，材料的某些力学特征 表现出对尺寸的依赖性，基于均匀连续体的经典塑性理论已经不再适用【l o l 。如何 建立起微小尺度下描述材料特性的力与变形之间的本构关系，并基于这些理论建 立起微观尺度下成形工艺的理论体系，即所谓的尺寸效应的研究是微弯曲成形理 论的主要研究方向。 针对材料的尺寸效应，国际上相继提出了很多考虑尺度效应的应变梯度塑性 理论，主要包括c s 应变梯度塑性理论【1 1 1 、s g 应变梯度塑性理论【1 2 1 ，m s g 应变塑 性理论【1 3 】和c w 应变梯度理论【1 4 1 。除了考虑尺寸效应的应变梯度塑性理论，研究 者还提出了其他的一些模型，如e n g e l 1 5 】和k a l s 1 6 1 提出了一种所谓的表面层模型， 表面层模型1 7 l 认为在微小尺度情况下，材料变形已经不符合各向同性连续体的变 化规律，表面晶粒增多，表面层变厚，根据金属物理原理，与材料内部晶粒相比， 表层晶粒所受约束限制较小。l e o p o l d 1 8 1 提出变形材料的分层模型，分为微单元、 细观域和宏观域三层，可以描述非连续介质的力学行为，但是模型的建立和描述 都很复杂。其实分层模型和俄罗斯潘宁b e 院士提出的结构非均一介质的物理介 观力学理论相似，均将变形材料视为多层次自组织系统，实现不同尺度层面上的 力学模型描述【1 9 1 ，结构非均一介质的物理介观力学理论主要针对变形体固体力学。 1 由于微弯曲的回弹机制和控制的研究与宏观状态相比更加复杂，h i l l 和b a r l a t 屈服准则在微弯曲下的适用性需要重新审视。k c c h a r t m 在对引线框的微弯曲回 弹问题提出了基于平面应力的弯曲模型，该模型成功地预测了窄板的变形行为和 2 江苏大学硕士学位论文 回弹情况，与实验结果吻合较好。后来，c h a n t 2 1 l 又进一步考虑了板料各向异性对 回弹的影响，并提出新的考虑材料织构和晶粒形状影响的平面应力回弹模型，由 于这种模型考虑了径向和周向约束松弛的影响，利用此模型的模拟结果与实际更 相符。s h w a n g 2 2 1 考虑到微弯曲成形工件材料大多处于弹塑硬化状态，提出了考 虑各向异性的改进模型，但是和实验对比结果显示有较大偏差。 2 成形工艺 自微弯曲引入微构件加工领域以来，国内外一直高度重视微弯曲工艺和应用 的研究，目前主要手段是利用微塑性成形工艺或者利用热应力直接弯曲成形。蒋 振新提出了借助二次熔胶工艺的多线成面微弯曲新工艺，但是对材料有特殊要求， 并不能应用到金属微成形【2 3 】。微尺度下的激光弯曲研究表明脉冲激光对弯曲件表 面的组织成分有影响，并且激光的热力耦合作用对弯曲件产生了损伤，和金属微 弯曲相比，质量和精度都下降 2 4 ，2 5 1 ，而且微激光弯曲是利用高能激光束扫描金属 板或金属管表面时形成的不均匀温度场所导致的热应力来实现金属成形，和金属 塑性成形有本质的区别【2 6 l 。另外，h e e 。w o nj e o n g 等 2 7 1 利用自行设计的激光加热微 成形系统对玻璃合金薄板进行了微弯曲和扭转实验研究。k a l s l 携1 等利用空弯和激 光加热弯曲技术实现了o 1 m m 厚度的微钣金成形。j e n n t e m gg a u 等陋, 3 0 1 对黄铜超 薄板进行了三点弯曲实验，研究发现超薄板的厚度以及t d ( 厚度和晶粒大小比值) 对回弹有很大影响。 3 成形设备 目前，国内外针对微成形的装置，常见的有微挤压，微压印等成形系统。美国 西北大学j i a nc a o 研制的微型挤压系统，如图1 2 所示，成形组件和微挤压模具均 安装在加载平台上，加载平台可以实现挤压过程中凸模位移和挤压力的精确测量。 国内哈尔滨工业大学王春举，单德彬【3 2 1 等人也研制了一套精密微成形系统。该系统 由驱动模块、参数检测控制模块、温控模块以及成形模具四部分组成，以大尺寸宏 观移动和小尺寸微观移动相结合的驱动方式来成形工件。在微弯曲方面，国内外专 门针对微弯曲的装置并不多，图1 3 为国外k o c a n d aa 等人设计的弯曲试验装置。 随着激光技术的不断发展，国外学者将激光引入弯曲成形中，图1 4 为德国e a d s i n n o v a t i o nw o r k s 激光实验室研制的激光微弯曲实验装置。m g e i g e r 等学者将激光 加热集成到微弯曲成形中，建立了激光扫描辅助v 成形的实验装置，如图1 5 所示。 3 微温弯曲成形研究 图1 2 微挤压系统【3 1 1 f i g u r e 1 2 m i c r o - e x t r u s i o ns y s t e m 3 1 1 n d ：y a g 激光嚣1 ：髓帆城乎 瓣姐狡鬣黼馁采袋并处理试件 c c d 图1 4 激光微弯曲装置刚 f i g u r e 1 4l a s e rm i c r o - b e n d i n gd e v i c e 3 q 4 成形模具 图1 3 微弯曲实验装置【3 3 1 f i g u r e 1 3m i c r o b e n d i n ge x p e r i m e n td e v i c e t 3 3 1 图1 5 激光辅助加热微弯曲装i 1 3 5 1 f i g u r e1 5l a s e r - a s s i s t e dh e a t i n gm i c r ob e n d i n gd e v i c e 3 5 1 微塑性成形模具的研究主要在模具设计制造和模具材料。目前还没有专门针 对微成形模具设计的理论，模具设计基本上依据传统的设计思路，同时兼顾表面 效应和尺寸效应。微型化对微成形模具的制造提出了更高的要求，加工难度增加， 精度要求严格。同时，微型化模具的加工制造方法也发生了根本性的改变，现在 主要采用的微机械加工工艺，有l i g a 、激光加工、电火花加工和扫描隧道显微镜 ( s t m ) 加工等【3 6 l 。 5 数值模拟 数值模拟可以缩短产品开发周期、降低产品开发成本，被广泛应用于结构设 计和材料成形工艺研究。j m i c h e l 等p 7 】采用应变梯度塑性理论模拟了超薄板的材 料本构行为，弯曲数值模拟结果表明采用新模型得到的流动应力曲线与试验吻合 很好。h j p u c h e r t 3 8 1 通过有限元模拟研究了微弯曲成形过程中工模具几何参数、摩 擦系数及材料等对成形的影响。x p e n g 3 9 删分别用电加热和激光加热的方式对激 光辅助微冲裁进行了模拟研究，研究表明，提升温度有利于减小凸模成形力，提 高材料的成形性能。国内，华中科技大学的马宁【4 1 j 通过引入材料内禀尺寸来考虑 4 江苏大学硕士学位论文 应变梯度的影响，并利用剐鲋姻u s 中的用户材料子程序u m a t 编写程序，应用 于薄悬臂梁的微弯曲模拟中，并与实验结果比较分析，结果证实了所采用的本构 关系和开发的用户子程序的有效性和实用性。 1 2 2 微弯曲成形研究中需要解决的问题 1 材料和工艺上的尺度效应 微构件成形工艺和材料的尺度效应一直是塑性工程界关注的问题。微构件结 构尺寸的微型化( 至少在两个方向上尺寸处于亚毫米量级) 并非传统意义下宏观 零件的简单几何缩小，其最大特点就是随着尺寸的减小，材料性能发生变化，尺 度效应成为影响微成形成功与否的主要因素之一。作为微成形重要应用之一的由 微弯曲，微型化带来的尺寸效应必然会影响到微弯曲成形的结果，所以尺寸效应 是微弯曲成形必须解决的重要问题之一。 2 难成形材料的微成形工艺 微型化使得微构件在精度、热变形、振动和速度等方面具备更优异的性能和 功能，在微电子、医疗生物工程、航空航天、军事和民用等行业应用广泛。同时 由于微构件常处于超高温、高压、强辐射和多物理场耦合等恶劣的极限服役环境， 对微构件的材料性能、成形制造的质量提出了更高的新要求，需采用耐极限环境 的优异金属材料，如n 合金、u 合金等。但是由于面合金等难变形材料本身 的塑性相对而言比较差，变形抗力大，成形难度大。u 合金具有特定的超塑性， 但是必须在特定的成形和材料制备条件下才能获得。另外对于难变形材料，难以 保证微成形均匀性，使得微构件的成形困难。 1 2 3 微弯曲成形问题的解决方法 由于难变形微构件的弯曲成形中无法避免的尺度效应，以及微尺度边界条件 的复杂性和微弯曲成形的非线性，造成传统宏观的成形理论、成形工艺、回弹控 制理论、弯曲模具设计理论、工艺参数等都不能简单按照相似定律缩小移植到微 弯曲成形中。另外，由于受加工硬化的影响，冷变形条件下微弯曲的变形抗力大， 而且受材料性质、晶粒尺寸和取向的影响较大，造成微弯曲的变形不均匀，回弹 不易控制，工艺参数不稳定，限制了难变形材料的微弯曲加工和弯曲半径。 针对现行微弯曲成形中存在的尺寸效应，课题组进行了系列研究【4 2 】，本文就 5 微温弯曲成形研究 不再多加讨论。对于难成形问题，经过国内外专家学者的大量研究，最好的解决 方法是给材料进行加热处理，在材料成形过程中对材料进行加热，该方法经试验 证明，能够很好的解决微弯曲过程中材料的成形困难问题。下面介绍常用的涉及 加热成形材料的微弯曲成形方法。 1 激光微弯曲成形 激光弯曲成形( l a s e rb e n d i n g ) 或激光成形( ( t a s e rf o r m i n g ) 是近二十年发展起 来的一种无外力，无模具的柔性板材成形技术【3 5 】，可用于异形难变形材料或板材 的快速原型制造。目前激光弯曲成形机理主要有温度梯度机理【4 3 】，增厚机理m 和 屈曲机理【4 5 1 ，其中应用最多的是利用温度梯度机理进行板料激光弯曲。 由于金属材料的热胀冷缩特性，当其受到不均匀加热时，将会在材料内部产 生热应力。温度不均匀性可以使其引起的热应力超过材料相应温度下的屈服强度， 而在材料内部产生塑性变形。因此，板材的激光弯曲成形实质上是基于材料热胀 冷缩特性，以高能激光作为热源的一种热应力塑性成形方法【4 6 l 。如图1 6 所示为板 料激光热应力成形示意图m ，利用激光辐照在试件中产生的塑性形变来完成对试 件的加工，主要是温度和光斑控制过程，同时考虑板厚、光斑大小、激光功率、 扫描速度等因素对温度场分布和成形的影响。采用瞬态有限元数值模拟的方法分 析温度场的情况嗍。目前，国内西北工业大学、北京航空航天大学、山东大学和 华中科技大学等在这方面进行了广泛的研究 4 9 , 5 0 5 1 1 。 6 位移传惑器 图1 6 板料激光曲线弯曲示意图 f i g u r e1 6 s h e e tm e t a ll a s e rc u r v eb e n d i n gs c h e m e s 算机 江苏大学硕士学位论文 2 辅助加热微弯曲成形 ( i ) 激光辅助加热微弯曲成形 激光微弯曲成形主要是利用温度梯度机理实现成形，但是成形控制和在线监测 有困难。提出激光辅助加热微弯曲成形方法：根据塑性微弯曲成形方法，利用激光 加热设备对待加工件辅助激光加热，提高待加工材料微弯曲成形能力和加工质量。 ( 2 ) 超声波辅助加热微弯曲成形 超声波加热在板料成形中应用较多，主要通过超声波发射器、加工设备和温 度感应器等组成的超声波加热系统实现1 5 2 1 。e b l a h a 早在5 0 年代就在金属拉伸实验 中引入超声波技术，通过超声波在坯料表面产生的震动能转化为热能而实现加热 【5 3 1 。e a v e s a , e 对铝进行拉伸实验，在变形区域采用超声波震动，震动能的耗散使 得温度升高，引起金属的金相组织改变，塑性变好，有利于拉伸成形【5 4 】。 ( 3 ) 热浴加热微弯曲成形 当被加热材料的温度变化易引起不必要的副反应时，就要求加热过程中受热 均匀，而又不超过一定温度，使用特定热浴间接加热可满足此要求。如果要求反 应温度不超1 0 0 时，可利用水浴加热。热浴加热存在温度不宜控制和测量等缺点， 不利于后续加工，限制了热浴加热应用范围。 ( 4 ) 电感应辅助加热微弯曲成形 电感应加热是体积成形中最常用的坯料加热方法，首先按坯料直径选用较低 频率加热炉加热，如果电流穿透层不能达到坯料的芯部，再经过电阻炉均热，使 坯料面的温度均匀化1 5 5 5 6 1 。乌克兰的m i c h a e lg p a n t e l y a t 采用电加热方法对金属成 形的温度分布等进行研究，并通过模拟分析了加热时间对金属成形过程和温度场 分布的影响【5 7 l 。重庆大学的秦怡采用电感应加热方法对板料进行加热冲压，研究 了板料的成形力和板料的温度分布【5 8 l 。 1 3 选题的意义及来源 当前，越来越多的优异金属材料，如面合金、合金等等被广泛应用二j ：航 空航天，医疗，电子，等等工业的各个领域，但是由于r n 合金，一u 合金等材料 本身的塑性相对而言比较差，变形抗力大，成形难度大，传统的微成形方法不能 够满足工业上对这些微器件产品的质量和精度上的要求。 当前迫切需要根据难变形材料微弯曲件的工艺和成形性能要求，研究高效低 7 微温弯曲成形研究 成本的适用于难变形材料的微构件弯曲成形新方法和微弯曲成形理论。这对于微 器件和微系统的实用化和产业化，以及提高微器件的制造水平，具有十分重要而 深远的意义。 本课题来源于国家自然科学青年基金( n o 5 0 8 0 5 0 6 9 ) 、中国博士后基金 ( 2 0 0 9 0 4 5 1 1 7 4 ) 和江苏省博士后基金( 0 8 0 2 0 2 4 c ) 。本文主要针对电加热和激光 加热条件下对薄板微弯曲成形进行理论、实验和模拟研究，揭示温度对材料成形 的影响。 1 4 本文研究的主要内容 本课题研究目的是通过对h 6 2 薄板进行两种不同方式的加热处理，研究温度 对微弯曲成形的影响。本文主要的研究内容包括： 1 在现有的微成形装置的基础上，研制微温成形实验所需的温度加热保温系统， 并根据实验需要研制了微温成形装置，并对成形装置的关键部位进行了温度校核。 2 利用已经搭建好的的微温成形装置作为实验平台，对h 6 2 薄板进行微温拉 伸实验，分析温度、晶粒度大小、试样厚度、们比值和拉伸速度等因素对材料应 力应变关系的影响。 3 在微温拉伸实验结果的基础上，建立特定温度下的微温成形的理论模型， 在微温弯曲模拟过程中引入该理论模型对成形过程进行模拟，获得特定成形温度 下微温弯曲成形结果。 4 借鉴宏观的模具设计理论，设计v 形微弯曲模具，利用微温成形装置，对 h 6 2 薄板进行微温弯曲实验，揭示温度对回弹的影响。 5 对薄板激光辅助微弯曲成形过程进行了数值模拟，研究不同激光参数组合 方式下的加热条件对板料温度场的影响，通过优化激光加热参数，获得弯曲成形 所需的均匀温度场分布。同时通过弯曲模拟研究揭示了激光辅助加热条件下，温 度对回弹的影响规律。 1 5 本章小结 本章首先从成形理论、工艺、设备、模具、数值模拟等几个方面介绍了微弯 曲成形技术的国内外研究现状以及需要解决的问题和问题的解决方法，然后简要 的介绍了课题来源、目的和意义，最后介绍了本文的主要研究内容。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章微温成形加热装置的研制 2 1 微成形装置 如图2 1 所示是本课题组自行设计的微塑性成形系统，该系统的最大拉伸力为 1 0 0 0 n ，最大行程为2 0 0 m m ，位移精度为5 1 , t m ，载荷精度为0 1 n 。该系统可在室 温条件下对试样进行微拉伸，微弯曲等成形实验。 ( a )啪) 图2 1 微弯曲成形装置结构示意图 f i g u r e2 1m i c r o - f o r m i n gd e v i c e 由于本课题主要研究在加热到一定温度情况下微成形的成形规律，故必须在 原有微成形实验装置上添加温度控制装置，温度加热装置等其它相关结构。 2 2 微温成形加热装置的功能分析 目前对微塑性成形装置的研究很少，尽管有一些宏观的温成形装置，但是专 门针对微温成形的装置研究基本没有。在微温成形过程中，温度的控制是关键， 试样的加热方式也多种多样，如何实现微温成形过程中的试样均匀加热，并保证 温度值的稳定，是微温成形装置研究的关键问题。为了保证微温成形的基本功能， 首先要对其加热装置进行总体布局设计，再对各功能模块进行详细分析并重点设 9 微温弯曲成形研究 计，以期研制一种可以进行微温成形的通用实验平台。 温成形过程中的加热保温装置是温成形实验中一个非常重要的设备。 置内的加热温度和温度场变化情况对控制加热质量和温成形件的产品性能 十分重要的作用，是实验过程中需要控制的重要参数f 5 9 l 。根据微温成形性 的特点，微温成形的加热保温成形装置必须具备以下功能： 1 保温性能，能对加热温度进行有效保温。 2 温度调节，在加热过程中能够根据需要调节不同温度。 3 加热保温装置安装方便。 4 结构简单，成本低，工作环境适宜。 为了满足微温成形实验的要求，实验中的加热保温装置必须选择合理 系统，控制好加热温度和装置内的温度场，保证板料的加热质量。 2 3 微温成形加热装置的总体设计 根据已有的微成形装置，加热装置总体设计包括两个部分：第一，加热保温 装置的设计；第二，温度控制装置的设计。具体的设计如图2 2 所示。其中，加热 保温装置包括图中的金属丝和恒温箱，温度控制装置包括电源开关，温控仪，交 流接触器，温度传感器四个部分。 该装置进行微温成形实验加热保温的过程为：首先，按图2 2 所示接好线路， 根据实验要求，把数显温控仪上的数字调整到需要的温度，开通电源开关，接通 电流后，金属丝开始加热恒温箱，恒温箱内的温度传感器探头测量恒温箱的温度， 并通过温控仪仪表上的数显表显示恒温箱内的温度。当恒温箱内的温度达到所设 置的温度时，交流接触器上的触点弹开，此时电路断开，金属丝停止对恒温箱进 行加热，恒温箱内的温度开始下降，此时，交流接触器上的触点开始闭合，电路 重新闭合，金属丝继续对恒温箱进行加热，恒温箱内温度上升，如此循环使得恒 温箱内的温度在一定的误差范围内保持稳定，实现加热保温的功能。 该加热保温装置相对于一般加热保温装置来说，结构简单，成本低，实现容 易，满足微温成形实验的要求。 1 0 江苏大学硕士学位论文 图2 2 加热保温装置总体设计示意图 f i g u r e2 2d e s i g no fh e a ti n s u l a t i o nd e v i c e 2 4 微温成形加热装置的部件设计 2 4 1 加热保温装置的设计 加热装置按供热方式分为两类：第一类是燃料加热装置，利用燃料固体、液 体或气体燃烧产生的热量对板料进行加热；第二类是电加热装置，在加热装置内 将电能转化为热量进行加热【6 0 1 。表2 1 为电加热装置与燃料加热装置特点对比。 表2 1电加热装置与燃料加热装置的特点1 6 1 】 t a b l e2 1c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i c a lh e a t i n gd e v i c ea n df u e lh e a t i n gd e v i c e1 6 1 1 种类分类优点缺点 固体加热装置燃料来源广，价格低，便于因地 燃料加热装难实现精确控制，对环境污 液体加热装置制宜采取不同的结构，有利于降 置 染严重热效率较低 气体加热装置低生产费用 结构简单，操作方便，工作温度电能供应紧缺，价格较高耗 电阻加热装置 范围宽，易准确控制温度，炉温电量大，生产运行成本较 电加热装置感应加热装置 均匀，便于实现自动控制，加热高。遇水容易漏电。电阻丝 电弧加热装置 质量好的电阻随温度变化而变化 根据实验要求，本实验所需恒温箱体积小，另外，燃料加热控制难，这里优 选电加热方式，由于加热管体积较大，恒温箱体积小，故本装置采取电阻丝加热 的方法。由于实验所需恒温箱体积小，市面上没有相应规格的恒温箱，故需要自 行设计一个满足实验要求的恒温。结合已有的微成形装置，本实验所用的恒温箱 微温弯曲成形研究 设计图具体尺寸如图2 3 ( a ) 所示。 a a - 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