（材料加工工程专业论文）微细特征模压成形实验研究及数值模拟.pdf

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f e a t u r e 1 l 2 1 f o r e w o r d s ll 2 2 d e s i g no fe x p e r i m e n t a ls c h e m e 11 2 2 1c h o i c eo f e x p e r i m e n t a lm e t h o d s 11 2 2 2 d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fe x p e r i m e t a lm o l d 12 2 2 3 p r e p a r a t i o na n da n n e a l l i n go fs p e c i m e n 。13 2 3 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nc o i n i n gw i t hm i c r o f e a t u r e 15 2 3 1 f o m i n gf o r c e si m p a c to nc o i n i n gh e i g h t 15 2 3 2m i c r o - f e a t u r es i z e si m p a c to nc o i n i n gh e i g h t 1 6 2 3 3m a t e r i a lp l a s t i cc o n d i t i o n si m p a c to nc o i n i n gh e i g h t 17 2 3 4f r i c t i o nc o n d i t i o n si m p a c to nc o i n i n gh e i g h t 一18 2 3 5b l a n ks i z e si m p a c to nc o i n i n gh e i g h t 19 山东大学硕士学位论文 2 4 s u m m a r y 2 1 c h a p t e r 3 b a s i ct h e o r yo f r i g i dp l a s t i cf e ma n ds o f t w a r es y s t e m 2 3 ：；1 f o r e w o r d 2 3 ：；2r e s e a r c hm e t h o d si nm e t a lf o r m i n gp r o c e s s 2 3 3 3b a s i ct h e o r yo f r i g i dp l a s t i cf e m 2 5 3 3 1b a s i ca s s u m p t i o n so f r i g i d ( v i s c o ) 一p l a s t i cm a t e r i a l s 2 5 3 3 2f u n d a m e n t a le q u a t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o n so fp l a s t i cm e c h a n i c2 6 3 3 3v a r i a t i o np r i n c i p l eo f r i g i d ( v i s c o ) - p l a s t i cm a t e r i a l s 2 6 ：；3 4f r i c t i o nb o u n d a r yc o n d i t i o n s 2 8 3 3 5 d y n a m i cc o n t a c tb o u n d a r yc o n d i t i o n s 2 9 3 3 6g r i d s r e d i v i s i o n 3 0 3 4i n t r o d u t i o no f s o f t w a r es y s t e m 3 0 3 4 1 m o d e l i n gs o f t w a r e 3 0 3 4 2n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e 3l 3 5 s u m m a r y 3 5 c h a p t e r 4n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd e f o r m a t i o nl a wo nc o i n i n gw i t hm i c r o s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c 3 7 4 1 f o r e w o r d s 3 7 4 2n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fo nc o i n i n gw i t hm i c r o - c y l i n d e r 3 7 4 2 1 e s t a l ：i l i s h m e n to tf e mm o d e l 3 7 4 2 2n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i so fc o i n i n g 谢t l lm i c r o - c y l i n d e r 3 9 4 3n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f o nc o i n i n gw i t ht h i nb a r 4 5 4 3 1e s t a b l i s h m e n to tf e mm o d e l 4 5 4 3 2n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i so fc o i n i n gw i t ht h i nb a r 4 5 4 4 c o n t r a s to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s 5 2 4 5 s u m m a r y 5 3 c h a p t e r 5d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc o i n i n gw i t hm i c r o s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i ca n d n c o n t 日、t s m e s l l r e so fi m p r o v i n gc o i n i n gp r o c e s s f o r m a b i l i t y 5 5 5 1f o r e w o r d s 5 5 5 2 d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc o i n i n gw i t hm i c r o s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c 5 5 5 3r e s e a r c ho f m e s u r e so fi m p r o v i n gc o i n i n gp r o c e s s f o r m a b i l i t y 。6 3 5 3 1r e - e s t a b l i s h m e n to ff e mm o d e l 6 3 5 3 2 d e s i g no f i m p r o v i n gc o i n i n gp r o c e s s f o r m a b i l i t y 6 4 5 3 3n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 6 5 5 4 s u m m a r y 6 7 c h a p t e r 6 c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 6 9 6 1 c o n c l u s i o n 6 9 6 2 p r o s p e c t 7 0 r e f e r e n c e s 7 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 7 1 1 i 山东大学硕士学位论文 摘要 微细特征模压成形实验研究及数值模拟 摘要 随着微系统技术( m s t ) 、微机电系统( m e m s ) 的产业化，微细加工技术成 为机械制造领域新的研究与应用热点。而微塑性成形技术以其高生产率、低材料 损失、产品力学性能优秀和误差小等特点在微细零件和具有微细特征构造的零件 的加工领域中占很大比例。由于加工对象尺寸微小，微塑性成形技术存在不同于 宏观成形的规律。本文采用实验研究和计算机数值模拟相结合的方法，研究分析 微细特征模压成形中的基本规律和内在机理。 设计并加工带有微孔和微槽的精密模压模具。以塑性较好的纯铜为试验材料， 对细柱和薄筋两种典型的微细特征进行模压成形实验，将微细特征的成形高度作 为模压成形难易程度的评价标准，得到不同成形力、试样热处理状态、坯料尺寸、 微细特征尺寸以及摩擦条件等因素下微细特征模压的成形规律。 通过纯铜性能单向压缩实验得到实验条件下的纯铜流动应力曲线，建立有限 元模型，利用有限元分析软件模拟微细特征模压成形过程，结合实验结果，总结 出不同坯料尺寸、微细特征尺寸、摩擦条件以及凹模圆角半径等因素下微细特征 模压的成形规律。 结合有限元模拟结果，对影响微细特征模压成形的坯料尺寸、微细特征尺寸、 摩擦条件以及圆角半径等参数进行分析。根据坯料局部变形方式的不同，引入变 形区域的概念；通过对变形区域材料的场量分析，揭示不同成形参数下微细特征 模压变形的内在机理；并以有效降低成形力为目标，研究探讨提高微细特征成形 性的工艺措施。本文可为微体积成形及其他微成形工艺的实际生产提供参考。 关键词微细成形；模压；有限元模拟；成形规律；变形机理 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nc o i n i n gw i t hm i c r o f e a t u r ea n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ei n d u s t r i a l i z a t i o no fm i c r os y s t e mt e c h n o l o g y ( m s t ) a n dm i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) ，m i c r op r o c e s s i n gt e c h n o l o g yb e c o m e san e wr e s e a r c h a n da p p l i c a t i o nh o ts p o ti nt h ef i e l do fm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n g b e s i d e s ，d u et oi t s h i g hp r o d u c t i v i t y , l o wm a t e r i a ll o s s e s ，f i n ep r o d u c tq u a l i t ya n da c c u r a c y , t h em i c r o p l a s t i cf o r m i n gt e c h n o l o g yo c c u p i e sal a r g ep r o p o r t i o ni nt h i sa r e aw h e r em i c r op a r t s a n d p a r t sw i t hm i c r of e a t u r e sw e r ep r o c e s s e d h o w e v e r , b e c a u s et h es i z eo fs p e c i m e ni n p r o c e s s i n ga r ee x t r e m e l ys m a l l ，t h el a wi nm i c r op l a s t i cf o r m i n gt e c h n o l o g yi sd i f f e r e n t f r o mm a c r op l a s t i cf o r m i n g i nt h i st h e s i s ，t h eb a s i cl a wa n dm e c h a n i s mi nc o i n i n gw i t h m i c r o s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea c c o m p l i s h e db ye x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n f i r s t ，t h ep r e c i s i o nc o i n i n gm o l dw i t hm i c r o - h o l ea n dm i c r o - s l o tw e r ed e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e d a n d ，u s i n gp u r ec o p p e ra st h et e s tm a t e r i a l sb e c a u s eo fi t sb e t t e r p l a s t i c i t y , t h em i c r o c y l i n d e ra n dt h i n b a rw h i c ha r et w ot y p i c a lm i c r of e a t u r e sw e r e c o i n e di nt h ee x p e r i m e n t s t h e nt h eh e i g h to fm i c r o - f e a t u r ew a ss e l e c t e da s t h e e v a l u a t i o nc r i t e r i af o rt h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o r t h ei n f l u e n c e so ff o r m i n gl o a d ，h e a t t r e a t m e n tc o n d i t i o n ，s i z eo f s p e c i m e n ，s i z eo fm i c r of e a t u r ea n df r i c t i o nc o n d i t i o no nt h e h e i g h to f m i c r o - f e a t u r ew e r ec o n c l u d e d t h es t r e s s - s t r a i nc u r v eo fp u r ec o p p e ri so b t a i n e df r o mu n i a x i a lc o m p r e s s i o n e x p e r i m e n t o nt h e s eb a s i s ，t h ef e mm o d e lw a se s t a b l i s h e da n du s e di nt h ef i n i t e e l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r e t os i m u l a t et h e c o i n i n gp r o c e s sw i t hm i c r of e a t u r e c o m b i n i n gt h es i m u l a t i o n a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ed e f o r m i n gl a ww a sa l s o s u m m a r i z e du n d e rd i f f e r e n tf a c t o r ss u c ha ss i z eo fs p e c i m e n ，s i z eo fm i c r of e a t u r e f r i c t i o nc o n d i t i o na n dr a d i u so fd i e ! i i 山东大学硕十学位论文 b a s e do nt h ef i n i t ed e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ep a r a m e t e r sr e f e r r e da b o v ew h i c h h a v et h ei n f l u e n c eo nc o i n i n gw i t hm i c r o f e a t u r ew e r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h e d e f o r m i n gw a yo fs p e c i m e n ，t h ec o n c e p to fd e f o r m a t i o nr e g i o nw a si n t r o d u c e d b y a n a l y z i n gm a t e r i a l so ft h ef i e l do nt h ed e f o r m a t i o nr e g i o n ，t h em e c h a n i s mo ft h ec o i n i n g p r o c e s sw i t hm i c r o f e a t u r ew e r ed i s c l o s e du n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r s t or e d u c et h e f o r m i n gf o r c e ，t e c h n i q u e s t h a ta r e i m p r o v i n g t h ef o r m a b i l i t yo fc o i n i n gw i t h m i c r o f e a t u r ew e r es t u d i e d t h et h e s i sc o u l dp r o v i d et e c h n i c a lr e f e r e n c e sf o rt h e p r o c e s so fm i c r op l a s t i cf o r m i n ga n do t h e rm i c r o f o r m i n g k e y w o r d s ：m i c r o f o r m i n g ；c o i n i n gp r o c e s s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d e f o r m i n gl a w ； i v d e f o r m i n gm e c h a n i s m 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着电子工业及精密机械的飞速发展，产品微型化已成为工业界的发展趋势 之一，特别是在通讯、电子、微系统技术( m s t ) 、微机电系统( m e m s ) 等领域。 除电子组件以外，各种插头插槽、微细螺钉、主框架等微型组件也大量使用【l 川。 由此，以形状尺寸微小或操作尺寸极小为特点的微细加工技术日益得到关注并取 得了迅速发展。在微型零件的微细加工制造技术中，利用金属的塑性能力来进行 微构造与微细特征的成形占很大比例【5 j 。因此，面向微细制造的微细特征塑性成形 技术具有重要的研究意义和应用前景。 模压成形通常是闭式模锻，其变形特点是仅局部区域的金属发生变形，而不 产生大范围的金属体积流动，几何形状的三维可示踪性强【6 1 。由于变形存在微小结 构，微细特征模压和微挤压、微镦粗都属于微塑性体积成形。本文利用实验研究 的方法对微细特征模压成形进行研究，并与计算机数值模拟相结合分析其成形规 律与变形机理，对研究更复杂的微挤压以及微型腔填充成形工艺乃至其它微体积 成形工艺具有重要的指导意义和实用价值。 1 2微塑性成形技术的研究现状 微型化产品包括微零件( m i c r o - p a r t ) ，微结构零件( m i c r o s t r u c t u r e dc o m p o n e n t s ) 和微精度零件( m i c r o - p r e c i s i o np a r t s ) _ 三类。微零件可理解为具有低于毫米级的内部 特征形状，而外形只有几毫米的微小零件；微结构零件的外形在几毫米到几厘米 之间，但在其一个或几个面上嵌有微米级甚至纳米级的微细结构零件；微精度零 件一般指高精度零件，其外形及内部特征具有微米级的几何公差，尺寸精度小于 1 。微成形技术主要适用于成形微零件和微结构零件。作为一种新的塑性加工技 术，微成形是指利用材料的塑性变形来生产至少在两维方向上尺寸处于毫米量级 以下零件的技术。典型的微成形工艺有微挤压、微冲压、微模锻工艺等。这一技 山东大学硕士学位论文 术继承了传统塑性加工技术的高生产率、最小或零材料损失、最终产品力学性能 优异和误差小的特点，使得这一工艺适合于近净产品或净产品的大批量生产。利 用这一技术生产的微小尺度的零件如连接件、接触弹簧、导线框等大量应用于微 电子、医疗、微机械等行业当中【7 。9 1 。 1 2 1 微体积成形的工艺研究 在微体积成形方面，主要进行微连接器、弹簧、螺钉、顶杆、齿轮、阀体、 泵和叶片等微型器件的精密成形研究，涉及到的工艺有微挤压、微锻造、微铸造 等。其中螺钉最小尺寸可以达到m 0 8i t l l n ，微成形坯料( 线材) 最小直径为o 3m n l ， 模压成形的微结构件沟槽最小宽度可以达到2 0 0n l n 。常见的微型件如图1 1 所示 1 1 0 1 1 1 o 图1 - 1 常见微型件 y s a o t o m e 教授领导的研究小组利用自行研制的微型模具装置系统地研究了 微型齿轮的微成形技术【1 2 】，节圆直径最小可以达到2 0 0g m ，并将微成形的模数为 o 1m i l l 、分度圆直径分别为1 0i i l l l l 和2 0m l t l 、齿数为l o 和2 0 个的微型齿轮，用 直径为0 4 m m 的轴作为齿轮轴，组装成减速比为1 1 2 8 的微型减速装置。如图1 2 所示。 2 第1 章绪论 图l - 2 微型减速装置 美国c o l o r a d o 大学的d u n n 教授等人利用微锻造和微铸造组合技术完成了齿 轮、叶片等微型构件的成形和组装【1 3 1 。 日本学者y o s h i d a 对手表上微型零件( 图1 3 ) 的多工位成形工艺进行了有限 元分析和实验研究【1 4 1 ，并将常规的锻造工艺由三步改为四步( 图1 - 4 ) ，采用锥形 冲头增加内部金属的变形速率，有效提高了零件的成形质量，如图1 5 。 0 8 7 图1 3 微型零件的儿何形状和尺寸图l _ 4 改进后的一i ：艺过程 ( a ) c o n v e n t i o n a l b ) 0 = 1 8 0 。( c ) 8 = 1 7 旷d ) 0 = 15 0 。( e ) 0 = 1 2 0 0 哆 图1 5 改进后锥形角度对表面质量的影响 m g e i g e r 教授对微型构件的冷锻工艺进行了研究，重点研究了微小化对挤压 件精度的影响，研究结果表明微型挤压件的晶粒尺寸不仅影响挤压件的形状和尺 寸精度，而且对挤压件的机械性能也有重要的影响。此外，各国学者还利用轧制、 3 山东大学硕+ 学位论文 精压和局部锻造等体积成形方法精密成形各种微型器件【1 5 1 。 国内方面，哈尔滨工业大学的郭斌教授和单德彬教授【1 5 , 1 6 等设计并制造了一 套集计算机、微压力传感器、微位移传感器和热电偶等各种测量和控制技术一体 化的精密微塑性成形系统，并用5 a 0 2 铝合金等温精密成形出微齿轮。如图1 - 6 ，图 1 7 ，图1 8 所示。 图1 6 微成形的成形设备 图1 - 7 微型齿轮的s e m 照片图图1 8 微型齿轮的横向截面流线 1 2 2 微成形的尺寸效应研究 尺寸效应是指在微成形过程中，由于制品整体或局部尺寸的微小化引起的成 形机理及材料变形规律表现出不同于传统成形过程的现象。究其原因，目前的理 解是，与宏观成形相比，微成形制品的几何尺寸和相关的工艺参数可以按比例缩 小，但仍有一些参数是保持不变的，如材料微观晶粒度及表面粗糙度等。所以不 4 第1 章绪论 能将微成形过程简单理解为宏观成形过程的等比微型化，而且在具体的微成形过 程中材料的成形性能、变形规律以及摩擦等确实表现出特殊的变化【1 7 1 。 日本的s a s a w a tm a h a b u n p h a c h a i 在研究微成形的过程中，引进了比值，即试 样尺寸( 直径或厚度) 与晶粒尺寸之间的比值【1 8 】。通过对不同材料的试样拉伸等 实验的应力应变曲线的分析( 图1 9 ) ，得出结论：晶粒尺寸无论对于微型件和宏 观件的塑性都有影响，但只有当在1 0 - - 1 5 的时候，尺寸效应才会影响到金属成 形，同样的趋势也表现在镦粗实验中。值得注意的是，当小于一定比值时，金 属表现出更多的是单晶的性质，所以流动应力反而上升( 图1 1 0 ) 。 ； 黑 - 差 c 鲫 首鼬 警枷 f | i i ； o n - b d 图1 - 9 尺寸效应和晶粒大小对流动应力的影耐1 8 】 0 4 1 )o 6 0o - 7 9 t h 一蚰l t 水哪t 州 工材删 园蚺渤州捌 甲妇s i z e - i4 i a - 2 j i _ 器怒怒 0 = 黼 s l m n r m i ：o 曩m 2 图i 1 0 不同实验中对材料流动应力的影响【1 8 】 捌 曲t i r i t c i 正蕾 a m l ： d - 7 0 _ i l 捌t 南瞄 b 。0 2 且置_ 5 舶黝撇撇辫雠啪o 瑚鼬蝴砌啪蛳渤锄s呈 b 一霪5毒。暑。吝正 d亨善孽i暑；墨 啪瑚湖湖啪期抛栅o a 窗各邑亡t5e 俘却： 剐，怎黧杆脚参热蕊 山东大学硕十学位论文 国内方面，哈尔滨工业大学的郭斌教授和单德彬等人针对微型镦粗件的流动 性进行了研刭1 9 】。图1 1 1 是平均晶粒尺寸大小上分别为1 0 岬、4 5 岬和6 5 岬， 应变速率为0 0 0 2s 1 ，试样尺寸大小分别为伽8 1 x 1 6 2m m 和痧1 5 4 x 1 6 2m m 的 纯铜圆柱形试样在室温下镦粗压缩时的真应力应变曲线。在室温变形过程中，试 样的变形遵循h a l l p c t c h 公式，即随着试样晶粒尺寸的增大，试样的流动应力呈现 出减小的趋势，表现出一定的尺寸效应。 斑受o a ) 垂d 1 l x l 6 2 姗 图i - ii 晶粒尺寸对流动应力的影响【1 9 】 1 2 3 数值模拟技术在微成形中的应用 微成形数值模拟是微体积成形工艺设计的有效辅助手段，通过微成形工艺过 程的模拟可以减少实验摸索的次数，节约工艺设计的时间与成本。特别对于成形 模具等主要微成形工具的设计，需要大量的资金与精力的投入，通过精确的数值 模拟可以遇见工艺中的问题，为工艺设计和工艺优化提供必理论依据。由于微细 成形的特殊性，相应的数值模拟建模方法有有差异，在这一方面很多学者进行了 开创性的研究。目前，针对微成形的数值模拟技术的研究主要有基于实验数据的 微成形数值模拟、表面层理论和晶粒晶界理论。 由于微成形的成形原理方面的理论还不够成熟，国内外很过学者利用传统的 有限元理论，在获取实验数据的基础上对微成形的成形工艺进行研究。 韩国学者k u 和h w a n g 等通过数值模拟和实验研究了尺度在毫米以下的拉深 成形工艺【2 0 】。基于s p e c ( 深冲用冷轧碳素钢薄板钢) 的塑性变形数据，运用相似 设计方法来设计微盒形件的成形工艺，并采用8 节点的实体单元来模拟成形工艺 6 第1 章绪论 过程。 根据实验要求，模拟设定凸模下压4 i n l i l ，成形力在2 0 0 - 4 0 0 n 之间，如图1 1 2 所示。通过模拟可以看出，零件变薄最严重处出现在成形力为2 6 0n 的底角区域。 模拟结果与实验结果相当吻合，如图1 1 3 所示。 谯：o 慢1 9 谯l 廿- 1 7 图1 1 2 不同成形力下_ 1 ：件所得到最火厚度【2 0 】 a ) 应变分布图 h k 岫 z m 7 ， o i 粕喀- o l x - o t h 船堋l - l l ，l ，e m k l i a 1 ，o 童i l f 2 6 0 i - - ，o 0 0 1 1 4 1 目d a n 4 1 _ d - ii h l t l e , - o ii k _ 2 t ，7 p 1 4 1 u i - _ _ 瑚 b ) 厚度分布图 图1 - 1 3 成形力为2 6 0n 时的模拟结果【2 0 1 忡“_ _ 1 h - 0 | 毛u - o l 2 j 毒- o lo i ，m j z m ，h h 月 m - 0 1 2 l z o l 搿o o l u x o l u - 口l u