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h 6 2 微塑性成形尺度效应及数值模拟研究 摘要 随着微电子信息产业迅猛发展，微塑性成形技术作为一种全新的塑性加工 技术在整个加工制造业中正发挥着越来越重的作用。在航空航天、精密电子仪 器、生物医疗、军事国防等方面，微型产品具有广阔的应用空间。随着微细零 件的尺寸的减小，在成形过程中材料表现出不同于宏观加工的特性，对尺度具 有一定的敏感性即尺度效应。然而，到目前为止，对微塑性成形技术研究还缺 乏相应的系统的成形理论体系。本文从材料力学特性入手，通过微型试样单向 拉伸试验和有限元模拟的方法，初步研究了h 6 2 铜合金在微塑性成形过程的材 料特性，以微拉深工艺为例，探讨了微拉深工艺中的一些变化特点，为微拉深 成形工艺应用于实际提供一定的指导。 本文系统地介绍了微塑性成形技术及其尺度效应和目前常用于解释尺度效 应的塑性理论。研究发现，当塑性变形尺度在毫米或毫米以下尺度，一些原本 在传统塑性加工中与尺寸大小无关的材料流动规律以及工艺参数等都表现出对 零件尺寸具有强烈的敏感性和依赖性。本文通过h 6 2 铜合金薄板的材料力学性 能微型拉伸实验，在晶粒尺度一定的情况下，研究了试样的宽度和厚度尺寸对 抗拉强度、延伸率和流动应力的影响。实验结果表明，随着试样宽度和厚度的 减小，材料的抗拉强度也会随之减小，其值减小的梯度与比表面的增加梯度有 关，延伸率也逐渐减小，材料塑性降低，表现出各向异性突出。实验结果验证 了材料在试件尺度微型化过程中的本征尺度效应的存在，同时也说明了表面层 理论的合理性。 结合有限元数值模拟技术，采用商用分析软件a b a q u s 对h 6 2 铜合金薄 板微拉深成形进行了数值模拟。在建立模型过程中，结合表面层模型，考虑了 表层晶粒的影响，将板料进行分层处理，对于不同的层赋予不同的材料属性， 分析了相对凸模直径d p t 、摩擦系数、模具尺度和压边力对成形的影响。数值 模拟结果表明，随着d p t 值的变化，成形仍然具备几何相似性的特点，但微拉 深的成形机理发生了变化；随着尺度的微型化，接触摩擦增大显著，摩擦机理 发生变化，摩擦对微拉深的成形影响主要体现在成形的后半阶段，尤其对最大 成形力的影响显著；模具尺度对微拉深成形的影响主要体现在成形的前半阶段， 同时压边力对成形的影响主要也体现在成形前半阶段。 关键词：微塑性成形尺度效应微型拉伸微拉深表面层模型 i v s t u d y o ns i z ee f f e c t sa n ds i m u l a t i o no fh 6 2i n m i c r o f o r m i n gp r o c e s s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em i c r oe l e c t r oi n d u s t r y ，a san e wp l a s t i c f o r m i n gt e c h n o l o g y ，m i c r o f o r m i n gi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n td u et o t h et r e n do fm i n i a t u r i z a t i o n m i n i a t u r ep a r t sh a v eaw i d ea p p l i c a t i o ni ns p a c e f l i g h t ， p r e c i s i o ne l e c t r oa p p a r a t u s ，m e d i c a lp r o d u c t sa n dn a t i o n a ld e f e n c ea n ds oo n b u t t h e r ea r es o m ep r o b l e m st h a tr e s u l tf o r mt h ep r o c e s so fm i n i a t u r i z a t i o n ，a n dd u r i n g m i c r o - f o r m i n gm a t e r i a lw i l lb e h a v es o m ec h a r a c t e r sw h i c ha r ed i f f e r e n t f r o m n o r m a lm a n u f a c t u r ep r o c e s s u pt on o w ，t h e r ei sn o ta n ys y s t e m i ct h e o r yt oi n s t r u c t t h e s y s t e m a t i c a lr e s e a r c hf o rm i c r o - f o r m i n g i n t h i st h e s i s ，t h em i c r ot e n s i l e p r o p e r t i e so f m i c r os p e c i m e no fh 6 2a r es t u d i e d t h em i c r ot e n s i l ee x p e r i m e n ta n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o na r eu s e dt o s t u d yt h em a t e r i a lp r o p e r t y o fh 6 2i n m i c r o p l a s t i c f o r m i n gp r o c e s s ，a n dab a s i cr e s e a r c ho fm i c r o d e e pd r a w i n gt of i n d s o m ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd i e d e s i g n m e t h o di s a c c o m p l i s h e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，w h i c hm i g h tg i v eal i t t l ei n s t r u c t i o nt ot h ea p p l i c a t i o no fm i c r o - d e e p m i c r o p l a s t i c f o r m i n gt e c h n o l o g y ，s i z ee f f e c t sa n di t st h e o r e t i c a le x p l a n a t i o n a r es y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r m a n ye x p e r i m e n t ss h o wt h a tm a t e r i a l s b e h a v es t r o n gs i z ee f f e c t sw h e nt h ec h a r a c t e r i s t i cl e n g t hs c a l ei si nt h eo r d e ro f m i l l i m e t e ro rl e s st h a n t h r o u g hm i c r ot e n s i l et e s to fh 6 2 ，t h ei n f l u e n c e so ft h e s p e c i m e nw i d t ha n dt h i c k n e s so nt e n s i l es t r e n g t h ，d u c t i b i l i t ya n df l o ws t r e s s t h e r e s u l t ss h o wt h a t ，w i t had e c r e a s eo fs p e c i m e nw i d t ha n dt h i c k n e s s ，t h et e n s i l e s t r e n g t h ，d u c t i b i l i t ya n dm a t e r i a lp l a s t i cp r o p e r t yr e d u c e ，t h ee x t e n to fw i t c hh a v e s o m er e l a t i o n s h i pw i t ht h er a t i ob e t w e e ns u r f a c ea r e aa n dv o l u m e t h er e s u l t s p r o v et h ee x i s t e n c eo fm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i cs i z ee f f e c t sa sw e l la st h er a t i o n a l i t y o fs u r f a c el a y e rm o d e l m a k i n gu s eo ff i n i t ee l e m e n tt e c h n o l o g y ，t h es o f t w a r ea b a u q si su s e dt o s t u d yt h ed e f o r m i n gr u l e sd u r i n gt h em i c r od e e pd r a w i n gp r o c e s s i nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fs u r f a c el a y e rg r a i n ，b l a n km o d e li sb u i l tb y d e l a m i n a t i n g t h ei n f l u e n c eo fr e l a t i v ep u n c hd i a m e t e r ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，d i e s c a l ea n dh o l d e rf o r c ea r es t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t ， t h ed e f o r m a t i o ns t i l lp r e s e n t sg e o m e t r i c a lc o m p a r a b i l i t yd u r i n gt h ec h a n g eo f r e l a t i v ep u n c hd i a m e t e r ，b u ti t sm e c h a n i s mm a k e ss o m ed i f f e r e n c e t h er e s u l t sa l s o v p r e s e n tt h a t ，d u r i n gt h ed e c r e a s eo fs p e c i m e ns c a l e ，t h ef r i c t i o n i n c r e a s e sa n di t s m e c h a n i s mm a k e sc h a n g ea n dt h ei n f l u e n c eo ff r i c t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n t h el a t e rh a l fs t a g eo fd e f o r m a t i o n ，a n dt h ei n f l u e n c eo fd i es c a l ea n dh o l d e rf o r c e i nt h ef o r m e rh a lfs t a g e k e y w o r d s ：m i c r o - p l a s t i c f o r m i n g ，s i z ee f f e c t s ，m i c r ot e n s i l e ，m i c r o d e e pd r a w i n g ， s u r f a c el a y e rm o d e l v i 插图清单 图1 - 1 微塑性成型件2 图1 2 微塑性成形系统4 图1 3 内部晶粒和表面晶粒的比例关系”5 图1 4 流动应力曲线图6 图1 5 弯曲实验中板材屈服强度与参数t d 的关系7 图1 6 微胀形极限成形高度与板厚的关系”7 图1 7 开放和封闭润滑坑模型8 图1 8 微型化过程中开放与封闭润滑的比例8 图1 9 微型化世界面临的问题1 0 图1 1 0 激光局部加热的微拉深侧成形示意图”1 1 图1 1 1 增量法捶击微塑性成形系统 1 2 图1 1 2 成形的微型壳体件1 2 图1 1 3 微型齿轮减速装置1 2 图3 1 试样尺寸图2 2 图3 2 拉伸试样取样示意图”2 3 图3 3 加工完成后试件图”2 3 图3 4 微机控制电子万能试验机c m t 4 1 0 4 ”2 3 图3 5 不同宽度t 的试样的真实应力应一应变曲线2 4 图3 - 6 材料延伸率随厚度变化曲线2 5 图3 7 延伸率随试样宽度变化曲线2 5 图3 8 抗拉强度与比表面积关系曲线2 6 图3 - 9 四种厚度抗拉强度均值与比表面积均值曲线2 7 图4 1 材料的分层模型2 9 图4 2 沿自由表面垂直方向屈服应力变化情况2 9 图4 3a b a q u s 产品模块关系3 2 图4 4 接触单元的正负面3 3 图4 5 接触算法逻辑图3 4 图4 6 圆筒件拉深的有限元几何模型3 5 图4 7 材料的流动应力曲线3 6 图4 8 不同相对拉深直径等效应力云图3 8 图4 91 4 有限元模型的模拟成形力与相对拉深深度曲线图“3 8 图4 1 0 不同d p t 的模拟最大成形力与理论计算成形力比较”3 9 图4 1 l 相对凸模直径d p t 与极限拉深深度的关系曲线4 0 图4 1 2 摩擦系数对微拉深成形力的影响”4 1 x 图4 1 3 摩擦系数对最大成形力的影响4 1 图4 1 4 摩擦系数对极限拉深深度的影响4 1 图4 1 5 模具尺寸对拉深成形力的影响一4 2 图4 1 6 相对凹模圆角半径对最大成形力的影响”4 3 图4 1 7 相对凹模圆角半径对拉深深度的影响”4 3 图4 18 相对凸凹模间隙对成形力的影响曲线4 3 图4 1 9 压边力对成形力的影响4 4 表格清单 表3 1 黄铜h 6 2 的化学成分”2 2 表4 1 不同的相对拉深直径3 6 表4 2 不同的摩擦系数”3 6 表4 3 模具尺寸参数的影响“3 6 表4 4 不同的压边力”3 6 表4 5 凸凹模尺寸参数表3 7 表4 6 模拟实验得出和理论计算的所需最大拉深力3 9 表4 7 模具尺寸参数4 2 表4 8 不同的相对凸凹模间隙”4 2 x i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：卫丝 签字日期：z 彩年；月沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒壁王些盔 生可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 卫墨 导师签名： 士开卜 零率 签字日期：口略年弓月l 阳签字日期：触g 年3 月砝日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： l l i 电话： 邮编： 致谢 在我的论文完成之际，衷心的向我的导师李萍教授致以诚挚的谢意! 感谢 导师的辛勤培养与无私关怀! 在两年半的硕士研究生学习生涯中，无论是从专 业课程学习、论文选题、课题研究思路确定，还是到学术论文发表、硕士论文 成稿以及日常生活中的做人做事，我深受导师的亲切关怀和悉心教导。恩师渊 博的专业知识、严谨的治学态度及非凡卓越的敬业精神，时刻都在激烈我请进! “教诲如春风，师恩似海深”，在此，谨向我的恩师致以由衷的谢意和诚挚的祝 福：祝愿李老师工作顺利，合家欢乐，心想事成，美梦成真! 特别感谢在课题研究中给予我指导和帮助的薛克敏教授、陈忠家副教授等， 他们都给我提供了宝贵的建议。同时感谢材料学院翁洁老师、聂爱琴老师等在 日常学习和生活中给予我的关心和帮助! 我也要感谢周明智、赵茂俞师兄在课题研究和平时生活上对我的指导和关 心，师兄深厚的专业功底、踏实的学习作风和高效的学习方法给我很多启发和 帮助。 衷心感谢周林师兄，张青、段园培师姐等，以及本届武国剑、许锋、甘国 强、王锋、林秀秀、吴昊、孙丽丽及其他同学、朋友和张君等师弟师妹们在学 习和生活上给予我的关心和帮助。 深深感谢我的父母，他们在精神上和经济上始终给予了我巨大的支持和鼓 励，使得我能专心和顺利完成学业，深深地感谢他们对我的教育和培养，我取 得的每一个进步都与他们分享! 作者：卫定 2 0 0 8 年3 月 第一章绪论 1 1 引言 随着微电子工业迅猛发展以及微机电系统( m i c r oe l e t c t r om e c h a n i c a l s y s t e m s ，m e m s ) 的深入研究，在产品微型化过程中，微塑性成形技术作为一种 全新的塑性加工技术正发挥着越来越重要的作用，逐渐成为航空航天、精密电 子仪器、生物医疗、军事国防等领域的研究热点 1 ，2 】。微塑性成形技术是传统塑 性成形技术的继承与延伸，它不仅具有强大的产业化加工潜力，而且其工艺相 对简洁、可高效率、低成本净产品地生产，生产的零件具有高强度、高精度、 高质量等特点，体现了现代塑性加工业的经济性和产业化的完美结合【3 ，4 】。 微塑性成形技术是m e m s 实现的加工基础，也是与m e m s 产业发展休戚 相关的制造技术。随着m e m s 制造技术的不断提高，不但可以生产出更先进 的塑性微成形设备，而且还可以生产出更精密的传感器等测量仪器；同时，由于 塑性微成形技术独特的优势，使得m e m s 零部件批量生产成为可能。最终促使 m e m s 制造业从实验室研究向市场商业化方向发展，它们将相辅相成，相互促 进，成为多学科交叉的前沿科学研究领域，有着广阔的发展和应用前景【5 j 。 随着计算机的应用与有限元技术的紧密结合，微塑性成形的有限元模拟和 分析在产品的设计和制造中发挥着重要作用。随着尺寸的减小，微细产品对生 产工艺水平要求越来越高，对微塑性成形过程进行有效准确的数值模拟，可以 全面了解金属在变形过程中的应力、应变分布规律，预测缺陷的出现，为产品 的开发和设计提供科学依据，提高模具开发质量，缩短产品开发周期，降低产 品开发成本，提高市场的竞争力。因此，计算机模拟技术已成为新产品、新工 艺开发中的核心技术之一。 1 2 微塑性成形技术发展概况 1 2 1 微塑性成形技术产生背景及研究现状 2 0 世纪8 0 年代后期，在国际高科技领域，伴随着微机械的问世，制造业 发生了一次技术革命【6 7 1 。随后许多发达国家推出微机电系统( m e m s ) 研发计 划，它是利用微细加工技术和某系特殊功能材料，将机构及其制动器、控制器、 传感器、电源等集成在一个微小体积范围内、发挥机械功能的机电一体化产品， 是机、电、光、磁、化学、自动控制、传感技术与信息处理等多种技术的综合 【引。微机电系统基于微电子技术，涉及电子工程、机械工程、材料工程、生物 医学等学科和技术，是一门多学科交叉的前沿科学研究技术，来源于多学科， 又服务于多学科【5 1 。在微机械发展过程中，微加工技术发挥着基础支撑技术重 要作用，正是m e m s 的迅猛发展，带动了微细加工技术的迅速发展和广泛应用。 传统的微细加工技术主要是采用l i g a ( l i t h o g r a t h i eg a l v a n o f o r m u n g a b f o r m u n g ) 技术、微放电加工技术( e d m ，e l e c t r od i s c h a r g em a c h i n i n g ) 、d e m ( d e e p e t c h i n ge l e c t r o f o r m i n gm i c r o r e p l i c a t i o n ) 技术、化学刻蚀技术、激光刻 蚀技术和快速成型制造技术( r p m ，r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g ) 等，这些 技术到目前为止都有了相当大的发展 9 。然而，外形在毫米或微米数量级的精 细零部件，加工难度大大加大，给传统的微细加工技术提出了新的要求和挑战。 此时，作为制造业的一个重要组成部分一一塑性成形技术与微细加工技术结合 起来，形成一门新的加工技术微塑性成形加工技术，它具有塑性成形技术 高生产率、节能节材、低成本等优点 1o ，是传统微细加工技术发展和延伸，它 是以塑性加工方式生产毫米到微米量级微型零件的工艺技术。与传统塑性成形 技术相比，微细塑性成形技术不再是单纯几何尺寸上的微型化，而是基于现代 科学技术，并作为微机械技术的重要组成部分和用一种崭新的思维方式指导下 的多学科交叉新技术。估计不久的将来，这种技术将应用到生产加工中的各种 领域，具有很广阔的发展和应用前途。 目前，美国、日本及欧洲等工业发达国家都投入了大量资金资助微塑性成 形技术的研究】。美国国会把微电子机械系统作为2 1 世纪重点发展的学科之 一；日本投入了2 5 0 亿日元资助微型机械技术大型研究项目【l2 j ；德国研究技术 部将微型机械系统工程列入新开发的重点项目，德国c i r p 成员也参与到微塑 性成形技术的研究中 13 1 。其中，德国和日本经取得较好的研究成绩，研究成果 处于国际先进水平。如图1 1 所示1 1 4 1 川。 一露 ( a ) ( b ) 图1 1 微塑性成形件 ( a ) 微型挤胜件；( b ) 引线框；( c ) 微甄! 杯彤什：( d ) 微型拉延什 近几年来，我国在金属微塑性成形技术方面的研究进展较快，主要结合 m e m s 技术进行研究。国家自然科学基金委员会已经将微型化制造列入国家重 点资助领域，主要结合一些高校和科研院进行的，如清华大学的微米纳米技术 研究中心、中科院长春研究所、上海交通大学微米纳米加工技术重点实验室、 华中科技大学等。并在定领域里取得了一定的成果，但利用微塑性成形技术 来加工微型产品的产业化基本上还是空白。 在近几年的国际塑性加工学会上，各国学者关注的焦点逐渐转移到微塑性 成形技术上来，并有大量微塑性成形技术研究成果涌现，主要围绕微塑性成形 技术材料、工艺、模具、设备、有限元模拟技术五个方面。 1 材料方面 微塑性成形中试件材料的选择及制备是微成形技术在材料领域的一个重要 研究方向。由于不能将微塑性成形看作等比微型化传统塑性成形，传统的塑性 成形理论已经不再适用，传统的材料模型已经不能用来解决微塑性成形问题。 因此，需要建立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小成形工艺的理论体系，即考虑尺度效应的微塑性成 形理论体系。目前微塑性成形中所使用的材料是经过一定的特殊工艺处理的超 塑性材料或非晶态材料，如a 1 7 8 z n ，l a a l n i 等1 6 】。s a o t o m e 4 , 1 6 - 1 9 等人研究了新 型非晶态合金在材料的超冷液态情况下材料的微细成形性能以及超塑性微细成 形技术。j e o n g 2 0 】等通过研究发现，薄膜金属玻璃材料是一种理想的微细塑性 成形材料。张凯锋【2 1 , 2 2 等采用模压的方法研究了材料z n a 1 2 2 、2 0 9 1 a 1 一l i 和 1 4 2 0 a 1 l i 合金的超塑性微细成形性能。 2 工艺方面 目前，微塑性成形工艺的研究主要集中在基于传统塑性成形工艺微型化的 薄板成形和体积成形以及探索复合塑性成形工艺。s a o t o m e 2 3 对厚度分别为1 o m m 、o 2 r a m 等薄板的微拉深成形性能进行了研究。t a e w a nk u 等【2 4 j 研究了 微型盒形件的拉深成形工艺。e r h a r d t 2 5 】采用激光加热模具研究了微塑性板料温 成形的成形性能，结果表明这种方法可以使材料的成形性提高1 0 。o l o w i n s k y 【2 6 1 研究了激光微弯曲工艺；k u r i m o t o 等 2 7 】进行了在薄板上冲微型孔的研究； s a i t o 等人 2 s 对导线框用铜合金的宽展轧制工艺进行了研究；v o l l e r t s e n 2 9 】利用 气体和激光进行了微型钣金成形工艺研究；m g e i g e r 等人【3 】研究了微挤压成形 工艺；r n e u g e b a u e r 和h i k e 等 3 m 3 3 】研究了微型零件的高精度压印工艺以及压 印工艺中微型几何形状表面金属的流动；d u n n 等人【3 4 】通过叶片、齿轮等微型 构件的成形及组装研究了微锻造和微铸造组合技术；a o k i 和t a k a h a s h i 3 5 开发 了微型挤压和切断复合工艺；d o e g e 3 6 研究了弯曲和压印过程中冲头的震动特 性对冲压产品精度的影响；s a o t o m e 3 7 1 和t a n a k a 【3 8 等进行了微型无模成形研究。 近年来，国内也有不少学者对微细塑性成形工艺进行了研究。阮雪榆d 州等研究 了铜圆柱微镦挤复合成形；郭斌等 4 0 】进行了微型三角件和微型齿轮的微细塑性 成形技术的研究；张凯锋等【2 1 】研究了超塑性微塑性成形技术。董湘怀 4 1 】等研究 了厚度小于0 3 m m 的铜板及铝板微胀形成形性能。 3 模具方面 微型模具制造和模具材料选择是微塑性成形模具研究的两个重点。目前面 向微塑性成形的模具主要加工方法，按其加工方式的不同可分为两种类型； 光制作技术，如l i g a 技术、x 射线光刻、电子束光刻、激光加工技术和蚀刻 技术等；微机械加工技术，如微细电火花加工、微车削、磨削和铣削加工等一引。 模具材料除了传统金属材料镍等，还有陶瓷、硅、金刚石”3 j 等非金属材料。 4 设备方面 微塑性成形设备的研究还处于起步阶段，韩国学者j e o n g 4 4 1 开发出了一套 激光微成形系统，在真空状态下，通过激光加热到一定温度，使非晶态金属材 料处于超低温液体状态下，然后通过弯曲和扭转，可以实现出三维的微细零件 的加工。其垂直直线误差小于1 u m ，模具校准精度小于1 p m ，线形步进重复精 度0 1b t m 。利用光学纤维和碳化钨冲头，可以冲出直径10 0 1 上m 和5 0 9 i n 的微孔( 见 图1 2 a 1 。k u r i m o t o 45 也设计出一套微真空冲压系统，并且在这套系统上，采 用s i c 陶瓷纤维为材料的冲头，在厚度为15 “m 的铍铜箔成功地冲出直径为1 4 9 i n 的孔。s a o t o m e 开发了微型无模成形系统【37 和微型挤压系统【l 刨( 见图1 2 b ) 。微型挤压系统采用压电陶瓷致动器作为驱动部件，配备有真空室防止材料 的氧化，工作温度由比例积分微分( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d e r i v a t i v e ，p i d ) 控制 器调控。h y e u n s e o kc h o i e 46 为微型压机开发了微型定位系统。国内的王春举等 针对微细成形的特点研制了精密微细塑性成形系统一( 见图1 2 c ) 。 图1 2 微塑性成彤系统 ( a ) 微冲孔系统( b ) 微挤压系统( c ) 精密微塑性成形系统 5 数值模拟技术的应用 数值模拟技术在缩短产品开发周期和降低产品开发成本等方面发挥着重要 作用，已逐渐成为模具设计、结构优化和材料成形工艺研究的有效手段。并且 被引入到m e m s 系统设计和微塑性成形研究中，使得微塑性成形研究由早期的 试验研究转向了数值模拟研究。b h a r a t 等【4 副研究了将有限元方法应用于m e m s n a m s ( m i c r o n a n oe l e c t r o m e c h i n a c a ls y s t e m s ) 部件的优化设计，分析结果 表明有助于设计者优化微型结构。日本的k o y a m a 【4 引利用有限元模拟研究了凹 模和板料的表面粗糙度对微型拉深杯成形精度的影响。c a o 等1 5 采用再生质点 单元法模拟了黄铜( c u 7 0 z n 3 0 ) 微型销的挤压过程，结果与传统有限元模拟结 果及实验结果吻合较好。k u 5 1 】通过引入晶粒单元和晶界单元，采用有限元方法 研究了毫米量级的轴对称微小托架零件的加工。德国的h i r t t 5 2 领导的研究小组 对微拉深工艺中，成形件的平均温度和最大温度进行了模拟研究。法国的p p i c a r t 采用了应变梯度塑性理论，引入了内部长度参数，模拟薄板的材料本构行 为【5 3 1 。国内阮雪榆等采用率相关晶体塑性本构关系及弹塑性大变形增量有限元 方法，模拟不同尺寸微型铜圆柱体镦粗实验，结果表明，随着坯料尺寸的减小， 流动应力逐渐下降 引。 1 2 2 微塑性成形尺度效应研究进展 所谓的尺度效应( s i z ee f f e c t s ) 是指在工件尺寸微小化过程中，一些原本 在传统塑性加工中与尺寸大小无关的材料流动规律以及工艺参数等都表现出了 对零件尺寸的一定的敏感性和依赖性。当材料发生塑性变形其长度在微米或微 米以下量级时就会表现出很强的尺度效应，同时，在不同的加工方法中的表现 也不同。尺度效应主要表现为：工件尺寸对材料的流动应力的影响；材料 的各向异性表现突出，晶粒的大小对微塑性成形部件成形性的影响明显。对 成形过程中的接触摩擦的影响；成形过程中的温度效应。 1 流动应力波动尺度效应 m g e i g e r 等人【3 ，1 3 ，5 5 1 对金属在微塑性成形加工中尺度效应和材料应力应 变关系的影响规律进行了系统的研究。他们通过拉伸和镦粗实验发现，传统冷 加工中的一些理论已不能直接应用于微塑性成形领域。研究表明随着试件尺寸 的减小，材料流动应力、各向异性和延展性等参数都有所降低。e c k s t e i n 和e n g e l 等【1 4 】德国学者通过一系列几何相似的零件的拉伸和翻边实验，发现了材料的流 动应力随着零件尺寸的减小而减小的现象。对此现象，e n g e l t l 4 , 5 6 和k a l s 5 7 1 提 出一种所谓的表面层模型。 e n g e l 和g e i g e r 1 4 , 1 5 , 5 5 - 5 7 】等人认为在“表面层模型”中晶粒的取向、分布、大 小的综合作用是导致流动应力降低的主要原因。由于表面层晶粒所受到的约束 比内部晶粒相对较少，因此，表层晶粒的屈服应力较内层晶粒要小。如图1 3 所示，在晶粒尺寸基本保持不变的情况下，随着试件尺寸的减小，表面积与体 i r l te r i o rg r l i n e r 鲁i ns iz ea 图1 3 内部晶粒和表面晶粒的比例关系 积的比值增大，工件表面上的晶粒数目与工件内部的晶粒数目的比值也随之增 大，表面层晶粒在厚度方向上所占的比例就会增加，从而导致材料整体流动应 力的降低【58 1 。从晶体塑性成形理论出发也可解释该现象，由于在工件自由表面 上无法存储和传递位错，因此微塑性成形工件可存储的位错总数、晶粒与晶界 均相对减少，导致材料流动应力值略有下降，形成材料应力应变关系的尺度效 应，如图1 4 所示【14 1 。 _ l f ，v r m t m a l c 血1 1 5 幺夕z 。 剿 g r a m d z e l = 7 9 w - m p u n c h v1 o m m m n 盎 1 u b n c a t i o np t f e f b i l s c a l e 九九= l 图1 - 4 流动应力曲线图 在微弯曲实验中，k a l s 5 9 1 和r a u l e a 6 0 1 两位学者发现了一个异常的现象；美国学 者j e n n t e r n gg a u 6 1 】等人采用不同的板料厚度t 、晶粒尺寸d 并以两者比值t d 为主要工艺参数进行弯曲实验也发现了同样的现象。如果按照上述理论，最大相 对弯曲力和材料的屈服强度应该随着试件尺寸减小而减小，然而j e n n t e r n gg a u 等人发现当t d 1 时，最大相对弯曲力和材料的屈服强度随着t d 值的减小 而减小，但当t d _ i 时，最大相对弯曲力和材料的屈服强度随着t d 值减小而 出现增大现象，如图1 5 所示 6 1 1 。当在板厚方向上仅仅只有一个晶粒或不到一 个晶粒存在的情况下，相对弯曲力会随着晶粒尺寸的增加而增加。这种现象与 传统的塑性加工理论是不相符的，根据h a l l p e t c h 关系，流动应力随着晶粒尺 寸的增大而减小。g e i g e r 3 】等人通过视塑性方法对实验现象进行了解释：在多 晶体材料中，当板厚较大时，厚度方向上的晶粒数量很大，晶粒取向趋于均匀 分布，因此塑性变形区域上的应变一般来说也是较均匀的；随着板厚逐渐减小， 当在板厚方向上只有很少的晶粒存在时，那么仅仅只有那些处于有利取向的晶 粒发生塑性变形。随着板厚进一步减小，板厚与晶粒尺寸在同一数量级时，那 么在工具外力的作用下，板厚方向上每一个晶粒都会发生塑性变形，而不会因 为晶粒自由取向的利与不利而选择性地发生塑性变形，这样就会导致板料的相 对最大弯曲力和屈服应力又会上升，如图l 一4 所示。 6 t d l c r h i c k n e s d a v e r e g eg r a i nd i a m e t e f ) 图1 5 弯曲实验中板材屈服强度与参数t d 的关系 法国学者j f m i c h e l 和p p i c a r t 6 2 j 通过拉伸和液压胀形试验对厚度在 0 1 m m 到0 5 m m 的c u z n 3 6 板的尺寸效应进行了研究，并提出了考虑材料尺 寸效应的连续行为模型。试验结果表明在拉伸试验中，保持坯料的厚度不变， 材料的流动应力曲线随试样的横截面积变化很小；保持宽厚比一定，改变坯料 的厚度，随着坯料厚度的减小，流动应力增加，但是当厚度由0 2 r a m 减少到 0 i m m 时，流动应力减小。由流动应力曲线可知流动应力减小了将近1 5 0 m p a 。 在液压胀形试验中发现了同样的规律。他们采用考虑了对材料参数进行物理约 束的优化的l e v e n b e r g m a r q u a r d t 方法，通过权重罚函数引入比例因子建立了 一个考虑材料尺寸因子的新的流动应力曲线模型，通过新模型获得了不同板厚 的流动曲线。 2 材料的各向异性突出 材料微型化后，其相对晶粒大小增大，在厚度方向上晶粒数减少，晶粒的 各向异性及晶粒界间的影响表现得相当明显，在成形中材料变形不均匀。同时 板厚方向性系数也随着尺寸的微小化而有所降低，这意味着厚度方向上变形比 较容易，板厚容易减小，导致材料的成形极限降低。董湘怀【6 3 j 等人通过薄板微 胀形实验研究了薄板的成形性能规律，实验材料分别选用不同厚度的铝和铜等， 实验结果表明，不同厚度的金属板的胀形深度不同，随着板厚的降低，铜板及 铝板变形后的最大应变及极限胀形高度有增高的趋势，如图1 6 所示。在普通 胀形实验中，材料厚度的影响是最主要的。由于材料厚度减小，破裂极限也降 低，胀形高度也降低，而对于薄板胀形，由于材料的各向异性突出，材料的延 伸率随厚度的减小出现波动，从而导致薄板极限胀形高度的变化。 t h i c k n e s s 图1 6 微胀形极限成形高度与板厚的关系r a m 7 阮雪榆 6 4 1 等人通过微型圆铜柱镦粗研究了微塑性成形过程中材料非均匀 流动的特点，结果表明，微小尺度下材料呈现出明显的非均匀流动，且这一非 均匀流动随晶粒尺寸和变形量的增大而剧烈。同时他们又进行了进一步的镦挤 研究，发现随着晶粒尺寸的增大，凸模单位压力逐渐减小，晶粒尺寸的变化对 于微型镦挤成形工艺各个阶段成形力变化特点没有明显的影响。 3 接触摩擦尺度效应 摩擦问题是微塑性成形工艺中的关键问题之一，它对模具的寿命、金属的 流动及最终的工件加工精度有很大的影响，其影响的程度和规律都不同于传统 塑性加工，有微塑性成形的个性特征。t i e s l e r 和m e s s n e r f l 8 】用环形压缩实验方 法对微细塑性成形中的摩擦现象进行了研究，研究结果表明，随着试件尺寸减 小，试件和工具之间的摩擦系数反而会增加。t i e s l e r 和e n g e le 6 5 6 6 用双杯挤压 实验证实这一结论。对于这种现象的解释，e n g e le 1 4 1 提出了一种“开放和封闭润 滑坑( o p e na n dc l o s e dl u b r i c a t i o np o c k e t s ，o l p ，c l p ) ”模型进行解释，如图1 7 所示。他指出，在挤压过程中存在润滑情况下，摩擦系数跟工件与工具接触表 面之间的封闭润滑坑在整个表面所占比例有关。当零件的尺寸减小时，接触面 之间的封闭润滑坑所占比例就会减小，如图1 8 所示，由此导致工件与工具接 触面上的摩擦系数增大。而且进一步实验表明，在挤压过程中当不存在润滑时， 上面所提出的模型就会失效，摩擦系数不会随着尺寸的减小而增大，这也充分 证明了这种模型的合理性。 图1 7 开放和封闭润滑坑模型图1 8 微型化过程中开放与封闭润滑的比例 ue n g e l l 7 5 6 1 等人根据尺度效应的本质特征建立了粘着摩擦模型，通过以下公 式对摩擦系数进行估算，揭示了摩擦系数的波动性。 叩= 台卜鲁i m ， 式中，k 一一与表面粗糙度相关的几何系数； 暇。一一模具表面与工件表面的粘着能； k 一一成形工件材料的体积模量； h 一一成形工件材料的表面硬度。 4 温度效应 在微塑性成形工艺中，试件及模具的温度场分布情况将直接影响到模具的 强度及其使用寿命和试件的金属流动及尺寸精度。由于微塑性成形的工艺特点 及其高成形速度将引起模具温度的升高，因此对温度场的准确预测是微塑性成 形工艺成功的关键。同时有研究表明f 6 7 】对微塑性成形过程中的温度的合理控制 可在一定程度上使得材料流动均匀化；但目前对这方面还缺乏系统研究。 1 2 3 微塑性成形的特点和面临的关键问题 微塑性成形技术是2 0 世纪8 0 年代兴起的多学科交叉的微细加工新技术， 与传统的金属塑性成形技术相比，有其自身的特点。 第一，微塑性成形工艺不能简单地看作传统