（材料加工工程专业论文）基于细观塑性理论的微成形尺度效应研究.pdf

r e s e a r c ho fm i c r o f o r m i n gs c a l ee f f e c t b a s e do nm e s os c a l ep l a s t i c i t yt h e o r y ad i s s e r t a t i o n s u b m i t t e dt os h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y f o rp h d d e g r e e p h d c a n d i d a t e ：s h e ny u s u p e r v i s o r s ：p r o f r u a nx u e y u a c a d e m i c i a n a s s o c i a t ep r o f y uh u p i n g d e p a r t m e n to fp l a s t i c i t ye n g i n e e r i n g s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y s e p ，2 0 0 6 川 2 3 6 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 星 日中“r【， 名 7 签 一l 】 秘 绛 作 归 非 沙 仑，t 位 期 学 日 产 - ， l崖影鬟 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密函，在丑年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 指导教师签看 指导教师签名：几例 ， 醐_ 年厂脚 里 中钼 名 月 签 7 者 手 储 辑 姗 叫 论 ： 位 期 学 日 f 、l 、-i夕 气 | 基于细观塑性理论的微成形尺度效应研究 捅费 作为一种新兴多学科交叉的微型零件制造技术，微成形自出现以来就因其具有诸多优 点而受到广泛关注，并已用于部分微型零件的制造。然而，由于微小尺度下一系列尺度效 应现象的出现，导致了传统塑性成形理论和工艺、模具及设备等相关理论和知识不能直接 用于微成形领域，限制了微成形技术的发展与广泛应用。因此，对微成形中各种尺度效应 现象的深入理解与研究就成了微成形技术发展的关键。 本文在对微成形及各种尺度效应现象研究现状和发展趋势详细分析基础上，对微成形 中的尺度效应现象进行了以下几方面的研究： 基于多晶体流动应力位错塞积模型及表面层模型，建立了考虑晶粒位置影响的多晶体 流动应力模型，给出了连续变化的坯料流动应力分布表达式：提出了自由表面影响区域的 概念，并建立了自由表面影响区域与晶粒尺寸、坯料尺寸的关系；提出了尺度效应因了的 概念，并具体给出了圆截面坯料和板料的尺度效应因子表达式；建立了连续变化的坯料流 动应力与晶粒尺寸、坯料尺寸及形状的关系式。通过本文所建模型及表达式，实现了对流 动应力下降尺度效应的定量描述与预测，为微成形工艺中对此类尺度效应的控制提供了相 关理论依据。在此基础上，本文还对自由表面影响区域、流动应力下降尺度效应及坯料流 动应力与晶粒尺寸、坯料尺寸及形状的关系进行了讨论与预测，指出当坯料尺寸约为四个 晶粒直径时，坯料流动应力下降幅度最大，流动应力下降尺度效应现象最明显。 基于多晶体流动应力位错塞积模型及表面层模型，通过引入描述晶粒尺寸和取向的随 机变量，建立了考虑晶粒尺寸、取向及位置影响，具有随机波动特点的多晶体流动应力模 型；建立了包含上述随机因素的坯料流动应力表达式，并给出了坯料流动应力变异系数与 坯料平均流动应力、平均晶粒直径及分布、平均晶粒取向及分布、坯料尺寸及形状的关系 式。通过本文所建模型及表达式，实现了对流动应力波动尺度效应的定量描述与预测，为 微成形工艺中对此类尺度效应的控制提供了相关理论依据。在此基础上，本文还对流动应 力波动尺度效应及坯料流动应力变异系数与晶粒平均直径及分布、平均品粒取向及分布、 坯料尺寸及形状的关系进行了讨论。 通过不同晶粒尺寸微型铜圆柱体坯料镦粗实验，对材料非均匀流动尺度效应进行了研 究，发现微小尺度下材料早现出明显非均匀流动特点，且材料流动的非均匀性随晶粒尺寸 及应变量的增大而增大：通过不同晶粒尺寸及横截面尺寸试件拉伸实验，对塑性下降尺度 效应进行了研究，发现随着晶粒尺寸的增大及试件尺寸的减小，材料延伸率逐渐降低；随 着试件横截面晶粒个数的减少，材料延伸率的随机性逐渐增大。 设计、制造了微型镦挤模具，用具有不同晶粒尺寸微型铜圆柱体坯料进行了微型镦挤 复合成形实验，对微成形工艺及模具设计进行了初步探索，给出了成形过程中材料流动及 凸模压力变化特点；比较不同晶粒尺寸坯料成形时的凸模压力发现晶粒尺寸对本研究中的 微型镦挤成形工艺各个阶段成形力变化特点没有明显影响。 基于率相芙晶体塑性本构关系及t a y l o r 多晶体模犁，以通用有限元软件m a r c 为平 台，开发了晶体塑性有限兀模拟程序，对晶体塑性自限冗理论用于微成形尺度效应模拟研 t 。 究的可行性进行了验证，并对尺度效应现象进行了模拟研究。研究发现，晶体塑性有限元 模拟结果能够较为真实地反映微小尺度材料受力和变形情况，可以在一定程度上解释和描 述尺度效应现象。 p 关键词：微成形：尺度效应：细观塑性理论；位错塞积；自由表面：数值模拟 i l ee f f e c t t h e o r y a san e w l ym u l t i - d i s c i p l i n a r yt e c h n o l o g yo fm i c r o p a r t sp r o d u c t i o n ，m i c r o f o r m i n ga t t r a c t s m a n ya t t e n t i o n sa si t sm e r i t ss i n c ei ta p p e a r s ，a n dh a sb e e nu s e di nt h ep r o d u c t i o no fs o m e m i c r o p a r t s h o w e v e r , d u et ot h ee m e r g e n c eo fs c a l ee f f e c t si nm i c r os c a l e ，t r a d i t i o n a lp l a s t i c f o r m i n gt h e o r i e sa n dr e l e v a n tt h e o r i e s ，k n o w l e d g eo fp r o c e s s ，d i ea sw e l la se q u i p m e n t ，c a nn o t b ed i r e c t l yu s e di nm i c r os c a l e ，t h ed e v e l o p m e n ta n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fm i c r o f o r m i n gi s r e s t r i c t e d t h e r e f o r e ，i n t e n s i v ec o m p r e h e n s i o na n dr e s e a r c ho ns c a l ee f f e c t so fm i c r o f o r m i n gi s t h ek e yp r o b l e mo fm i c r o f o r m i n gd e v e l o p m e n t b a s e do nd e t a i l e da n a l y s i sa b o u tc u r r e n ti n v e s t i g a t i o na n dd e v e l o p m e n to fm i c r o f o r m i n g a n di t ss c a l ee f f e c t s ，i nt h i sp a p e r ，s c a l ee f f e c t sw e r es t u d i e di nb e l o wa s p e c t s ： b a s e do nt h ed i s l o c a t i o np i l e u pm o d e lo fp o l y c r y s t a lf l o ws t r e s sa n dt h es u r f a c el a y e r m o d e l ，ap o l y c r y s t a lf l o ws t r e s sm o d e lw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no fg r a i np o s i t i o nw a sb u i l t ，a n dt h e c o n t i n u o u se x p r e s s i o no fb i l l e tf l o ws t r e s sd i s t r i b u t i o nw a sa l s og i v e n ；t h ec o n c e p to ff r e e s u r f a c ei n f l u e n c ea r e aw a sb r o u g h t a n dt h er e l a t i o no ff r e es u r f a c ei n f l u e n c ea r e at od i m e n s i o n s o fg r a i na n db i l l e tw a sb u i l t ，t o o ；t h ec o n c e p to fs c a l ee f f e c tf a c t o rw a sp r o p o s e d ，a n di t ss p e c i f i c e x p r e s s i o no fc i r c u l a rs e c t i o nb ill e ta n ds h e e tw e r eg i v e n ；t h ec o n t i n u o u s l yv a r i a t i o n a lr e l a t i o n o fb i l l e tf l o ws t r e s st og r a i ns i z e ，b i l l e td i m e n s i o n sa n ds h a p ew a sb u i l t w i t ha b o v em o d e la n d e x p r e s s i o n sb u i l ti nt h i sp a p e r ，t h ed e c r e a s i n gf l o ws t r e s ss c a l ee f f e c tc a nb eq u a n t i f i c a t i o n a l l y d e s c r i b e da n dp r e d i c t e d a n dt h er e l e v a n tt h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h ec o n t r o lo ft h i ss c a l ee f f e c t i nm i c r o f o r m i n gw a sp r o v i d e d 。t o o b a s e do na b o v ew o r k s ，r e l a t i o n so ff r e es u r f a c ei n f l u e n c e a r e a ，d e c r e a s i n gf l o ws t r e s ss c a l ee f f e c ta sw e l lb i l l e tf l o ws t r e s st og r a i ns i z e ，b i l l e td i m e n s i o n s a n ds h a p ew e r ea l s od i s c u s s e da n dp r e d i c t e d ，a n db e l o wp r e d i c t i o nw a so b t a i n e d ：w h e nb i l l e t d i m e n s i o n sa r ea b o u tf o u rt i m e so fg r a i nd i a m e t e r , t h ed e c r e a s eo f b i l l e tf l o ws t r e s si sm a x i m a l ， n a m e l yt h ed e c r e a s i n gf l o ws t r e s ss c a l ee f f e c ti st h em o s te x p l i c i t b a s e do nd i s l o c a t i o np i l e - u pm o d e lo fp o l y c r y s t a lf l o ws t r e s sa n ds u r f a c el a y e rm o d e l ，b y i n t r o d u c i n gr a n d o mv a r i a b l e sd e s c r i b i n gs i z ea n do r i e n t a t i o no fg r a i n ，p o l y c r y s t a lf l o ws t r e s s m o d e lw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a n d o mf l u c t u a t i o nw a sc o n s t r u c t e d ；t h eb i l l e tf l o ws t r e s s e x p r e s s i o nw i t ha b o v er a n d o mf a c t o r sw a sb u i l t ，a n dt h er e l a t i o no fb i l l e tf l o ws t r e s sv a r i a t i o n c o e f f i c i e n tt oa v e r a g eb i l l e tf l o ws t r e s s ，a v e r a g ed i a m e t e ra n dd i s t r i b u t i o no fg r a i n ，a v e r a g e o r i e n t a t i o na n dd i s t r i b u t i o no fg r a i n ，a sw e l la sd i m e n s i o n sa n ds h a p eo fb i l l e t ，w a sa l s og i v e n w i t ha b o v em o d e la n de x p r e s s i o n sb u i l ti nt h i sp a p e r ，t h ef l u c t u a n tf l o ws t r e s ss c a l ee f f e c tc a n i i i k e y w o r d s ：m i c r o f o r m i n g ；s c a l ee f f e c t ；m e s os c a l ep l a s t i c i t yt h e o r y ；d i s l o c a t i o n f r e es u r f a c e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 飞 p q 目录 第一章绪论i 1 1 微成形技术简介。l 1 1 1 微成形技术的定义l 1 1 2 微成形技术的特点与优点l 1 1 3 微成形技术研究现状2 1 1 4 微成形技术中需要解决的问题4 1 2 微成形尺度效应研究进展5 1 2 1 国外研究进展5 1 2 2 团内研究进展6 1 2 3 尺度效应研究现状分析7 1 3 课题研究意义及主要内容8 1 3 1 课题研究意义8 1 3 2 研究的主要内容8 1 4 ，j 、结1o 参考文献l o 第二章金属塑性变形物理本质1 4 2 1 晶体学基础l4 2 1 1 晶体结构与空间点阵1 4 2 1 2 晶胞和晶系。l4 2 1 3 晶面指数和晶向指数l5 2 1 4 面心立方金属的晶体结构1 6 2 2 单晶体塑性变形1 6 2 2 1 滑移变形1 6 2 2 21 立错17 2 3 多晶体塑性变形一2 0 2 3 1 晶界对多晶体塑性变形的影响2 0 2 3 2 晶粒大小对多晶体应力一应变曲线的影响一2 l 2 3 3 晶粒大小对多晶体流动应力的影响2l 2 4d 、结：1 2 参考文献2 3 第三章流动应力下降尺度效应理论研究一2 4 3 1 已有流动应力下降尺度效应模型分析2 4 3 1 1 表面层模型2 4 3 1 2 细观模型2 5 3 1 3 修正的表面层模型2 5 3 1 4 已有模型分析2 7 3 2 连续变化流动虚力模型的构造2 8 3 2 1 模型假设2 8 3 2 2 流动应力分层2 8 3 2 3 晶粒流动应力2 9 3 2 4 坯料横截面连续变化流动应力分布3 3 3 2 5 坯料流动应力3 5 v 3 3 实验验证3 6 3 4 流动应力分布及流动应力。卜降尺度效应的讨论与预测3 9 3 4 i 坯料尺、j 。的影响3 9 3 4 2 晶粒尺寸的影响4 l 3 4 3 坯料横截面形状的影响4 4 3 4 4 流动应力下降尺度效应预测4 5 3 5 、结4 6 参考文献一4 7 第四章流动应力波动尺度效应理论研究4 9 4 1 已有研究分析4 9 4 1 1 已有研究4 9 4 1 2 已有研究分析5 0 4 2 随机波动流动应力模型构造5 0 4 2 1 流动应力分层5 0 4 2 2 坯料流动应力及其波动幅度一5 5 4 3 实验验证6l 4 4 流动应力波动尺度效应讨论与预测一6 4 4 4 1 坯料尺j 的影响6 4 4 4 2 晶粒尺寸的影响6 6 4 4 3 晶粒尺寸分布及品粒取向分布的影响6 8 4 4 4 坯料横截面形状的影响6 8 4 5d 、结6 9 参考文献7 0 第五章尺度效应现象及微成形工艺实验研究一7 l 5 1 材料非均匀流动尺度效应实验研究7 2 5 1 1 实验一7 2 5 1 2 结果与讨论7 3 5 2 材料塑性下降尺度效应实验研究。7 5 5 2 1 拉伸试验7 6 5 2 2 实验结果与讨论7 6 5 3 微型镦挤复合成形实验研究8 0 5 3 1 微型镦挤复合成形实验8 l 5 3 2 实验结果8 3 5 4 ，j 、结8 4 参考文献8 5 第六章尺度效应现象数值模拟研究8 6 6 1 晶体塑性理论一8 6 6 1 1 晶体变形运动学8 6 6 1 2 率相关晶体弹塑性本构关系8 8 6 1 3 多晶体塑性变形模型。8 9 6 2 晶体塑性有限元的实现9 0 6 2 1 晶粒取向的描述及嫩标转换一9 0 6 2 2 切线系数法9 2 6 2 3 晶体塑性有限冗程序的实现9 3 6 3 尺度效应现象模拟9 4 6 3 1 模型构造9 4 6 3 2 模拟结果9 6 6 3 3 流动应力下降尺度效应模拟结果验证i 0 0 6 4 月、结1 0 l 参考文献1 0 2 第七章结论与展望1 0 3 攻读博士学位期问完成的论文1 0 5 翌| 【谢10 6 v i l q 上海交通大学博上学位论文 1 1 微成形技术简介 1 1 1 微成形技术的定义 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代以来，电子行业的高速发展及微机械( m i c r o m e c h a n i s m ) 技术的出现 与发展，使得微型零件需求最越来越大，技术要求越来越高l 。而传统微型零件生产技术 由于自身的局限性，不能满足实际要求。金属塑性成形技术具有非常适合于近净产品或净 产品的大批量生产、材料利用率高、生产效率高、产品力学性能优秀和误差小等特点，因 此，客观上要求以发展金属塑性成形方式来制造微型金属零件，从而在2 0 世纪9 0 年代出 现了将传统塑性加工工艺应用于大批量微型金属元件制造的微成形( m i c r o f o r m ) 技术。 作为一种全新的塑性成形技术，纽伦堡大学g e i g e r 教授对微成形做了如下定义：微成 形是指利用材料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1 2 1 。 典型的微成形工艺有微挤压、微钣金、微模锻、微冲裁等。微成形技术继承了传统塑性加 工技术的诸多优点，所生产的微型零件，如微型接插件、微型螺丝、接触弹簧、l c 插槽等 已应用于电子行业，并随着科技的发展，其应用范围正迅速扩展到微机械、精密仪器、生 物医学、航空航天和军事等领域。 与传统塑性成形技术相比，微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法指导下的多学科 交叉新技术。因此，微成形技术在成形理论、零件尺度及材料、模具构造、模具制造等方 面都明显区别于传统成形工艺，因此，传统的成形理论和技术不能简单地直接应用于微观 成形领域。 1 1 2 微成形技术的特点与优点 与传统塑性成形技术相比，微成形技术在诸多方面具有新特剧卜5 】：( 一) 尺度效应现 象的出现。在微成形过程中，材料的变形规律、流动应力、塑性指标等诸多方面均对坯料 尺寸十分敏感，呈现出诸多明显的尺度效应现象：随着坯料尺寸的减小，流动应力逐渐下 降；流动应力波动幅度逐渐增大；材料的塑性指标逐渐下降；成形中，材料呈现出明显非 均匀流动等。( 二) 本构关系与材料特征尺度相关1 6 , 7 】。微小尺度下材料本构关系与材料特 征尺度强烈耦合。( 三) 材料呈现出各向异性。坯料尺寸的减小导致晶粒个数减少，材料各 向异性明显，导致微成形过程中材料流动和模具受力不均匀，成形时坯料局部容易产生破 坏，成形件各部分力学性质不均匀，传统成形工艺和模具设计理论失效。( 四) 微成形产品 第节绪论 质量波动明显。微成形中由于坯料受力、变形等指标产生明显的随机波动，从而导致产品 质最也随之波动。( 五) 摩擦和润滑发生变化1 8 l 。微成形中摩擦力大幅度增加；传统摩擦学 相关理论和控制方法已不再适用；坯料尺寸的减小导致润滑剂分布不均，摩擦力分布严重 不均。( 六) 材料微结构对微成形工艺的影响明显增加。由于坯料尺、j 的微小，材料微结构 性质( 晶粒尺寸、显微组织、晶体结构等) 对微成形工艺的影响被放大，成形难度提高。( 七) 模具设计和制造发生变化。由于微成形模具结构十分细微，加上微成形工艺中尺度效应现 象等的影响，传统模具设计理论不能完全应用于微小尺度：传统模具材料己不能适应微型 化的要求；传统模具加工方法己不能满足精度要求。( 八) 微成形用坯料呈现新特点。由于 坯料尺寸及结构的微小，因而传统坯料加工方式已不再适用。同时，坯料尺寸的微小导致 坯料对缺陷及外部作h j 的敏感性增强。( 九) 成形设备与成形环境出现变化。微成形要求环 境洁净以避免灰尘等对工艺的影响，被加工材料要处于真空或在惰性气体保护环境下以避 免氧化。成形设备精度要求提高，传统驱动系统、传送系统不再可用。( 十) 相关数据的测 试方法和测试仪器在微小尺度下也变得特殊，传统的测试理论、方法和设备已经不再完全 适用。 相对于其它微型零件制造技术，微成形技术在诸多方面具有明显的优势：( 一) 生产效 率高，适于大批量生产。微成形技术是利用材料的塑性变形来实现微型零件的制造，可对 同样结构的微型零件通过模具进行高速制造，以满足对微型零件的大量需求。( 二) 加工精 度高。由于在微成形过程中材料与模具紧密接触，微成形零件尺寸精度、表面粗糙度等均 可以达到较高要求，适合于微小高精度零件的净生产或近净生产。( 三) 材料利用率高。微 成形技术通过材料塑性变形生产微型零件，材料损失很少。( 四) 产品力学性能优秀。微成 形中材料受外力变形，存在材料强化、组织细化、缺陷减少、流线分布合理等特点，使得 产品力学性能远高于其它加工方法所得零件。( 五) 可加工材料广泛。微成形技术可对大部 分金属进行加工。( 六) 可加工形状多样。微成形技术可以通过模具加工复杂三维微型零件。 ( 七) 低加工成本。微成形技术对加工仪器、设备、环境等要求相对较低，生产成本较低。 1 1 3 微成形技术研究现状 塑性微成形技术具有其他微型零件制造技术所不可比拟的优点和广阔的应用领域及前 景，这一技术出现以来，就受到世界各国的广泛关注，在这，领域投入大量的人力物力进 行研究，尤其是日本和德国已经取得了相当的研究成果。相比于国外，我国在这一领域起 步较晚，研究规模和水平等仍存在一定差距，但已受到普遍关注【9 j 。到目前为止，因内多 家单位正在积极开展相关研究 1 0 - 1 5 j 。尽管陶内外微成形技术相关研究领域目前还处于起步 阶段，但已成为了研究的热点。目前相关研究领域主要有理论、工艺、材料、模具、设备 等方面。 微成形理论方面的研究是微成形领域的研究重点，不少研究工作都是在这一方向开展 2 - i 上海交通人博。i ：学位论文 的。在摩擦相关理论研究方面，f r a n kv o l l e r t s e n 等通过微型拉深实验发现，微小尺度下的 摩擦系数远大于宏观尺度【1 6 l ，t i e s l e r 等通过微型环形压缩实验也得到了相同结论i l7 1 。 n i c o l a st i e s l e r l l 7 , 1 8 】研究了微型零件的冷挤压工艺中微型化效应对成形的影响并通过摩擦 试验和杆形件挤压工艺研究了零件表面质量、成形速度、润滑对微型效应的影响，t i e s l e r 和 e n g e l 1 9 1 用双杯挤压实验证实了这一结论。对于微成形中摩擦力增大的现象，e n g e l i l 9 i 提出 了一种“开放和封闭润滑坑”模型，也称作“动态和静态润滑坑”模型对其进行了解释。 z h u 等1 2 0 l 设计了一种新的用于拉深工艺的摩擦试验，研究了微小尺度拉深工艺中摩擦系 数的规律，并建立了相关数学模型。在微结构影响的研究方面，e p i c a r t l 2 i 】研究了板料微成 形过程中尺寸和织构对本构关系的影响，并基于h a l l p e t c h 效应提出了一种新的包含表面 晶粒比例尺度因素的模型。d j k i m l 2 2 1 构造了一种新的晶粒和晶界单元，并对现有宏观理 论进行修改后用于微型轧制有限元分析k i h y u nk i m 2 a l 通过研究简单压缩时纯铝晶粒交 形行为，提出一种新的网格尺寸小于晶粒尺寸的微粘塑性方法。j l e o p o l d 2 4 l 将微粘塑性和 有限元方法结合，构造出新的依赖于尺度的混合方法，并利用这一理论对稳态和非稳态金 属成形进行了分析。s g e i l 3 d o r f e r 等1 2 列基于金属物理理论构造了数值细观模型模拟了微小 尺度平砧镦粗及相关工艺参数。j i a nc a o 2 6 1 等利用无网格法r k e m 进行了微型销正挤压成 形的模拟。微小尺度成形机理研究方面，s a o t o m e 研究了微型拉深工艺，通过实验测量了 0 1 m m 厚的薄钢板的极限拉深比l d r ，并发现相对冲头直径( 冲头直径与板厚之比) 显著 影响l d r l 2 7 1 。 目前，国内微成形理论方面也有部分研究成果。张凯锋等l lo j 对超塑性材料锌合金和铝 合金进行了超塑性微成形规律研究。郭斌等【l l j 通过试验对纯铝和l y l 2 铝合金微塑性成形 性能进行了评价。董湘怀等【2 8 j 对板料在单向拉伸和自由弯曲过程中所发生的第1 类尺度效 应进行了研究，应用表面层的概念建立了分析模型。此外，还有一些国内学者在微成形理 论方面进行了研究1 2 啦引j 。 微成形工艺领域的研究主要集中于找出各种可能的微成形工艺及相关工艺参数。r n e u g e b a u e r 【3 2 1 研究了微型零件的高精度压印工艺。h 1 k e 等3 3 3 5 1 研究了压印工艺中微型几 何形状表面金属的流动以及具体工艺，给出了流动的特点和控制方法。d o e g e l 3 6 j 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。y s a i t o 等人对导线框用铜合金的 宽展轧制工艺进行了研究。h p a l a n i s w a m y 3 8 1 研究了利用轧制工艺生产微型零件的技术。 i a o k i 3 9 1 等人研究了利用纵向剪切圆形细线材来制造微型零件的工艺。s a o t o m e 4 0 1 和 t a n a k a 等进行了微型无模成形研究。k u r i m o t o 4 2 】等进行了在薄板上冲微型孔的研究。 e r h a r d t l 4 3 l 采用加热模具的方法研究了微成形中板料的成形性。v o l l e n s e n 1 6 l 利用气体和激光 进行了微型钣金成形工艺研究。o l o w i n s k y l 4 4 1 研究了激光微弯曲工艺。mg e i g e r 和t i e s l e r , m e s s n e r d , i s 】研究了微挤压工艺。l s a m ua o k i 和t o s h i n o r it a k a h a s h i 开发了微型挤压和 切断复合工艺【4 5 1 。t a e w a nk u 等1 4 6 1 分析和设计了微型矩形杯的拉深成形工艺。近几年国 内也有不少学者展开了微成形工艺方面的研究。郭斌等进行了微型三角件和微型齿轮的微 3 第辛绢论 塑性成形技术研究1 4 7 1 。张凯锋等进行了超塑性微成形技术的研列0 1 。董湘怀等进行了薄板 电磁微成形的研究1 4 引。 微成形模具的研究主要集中于模具的结构设计、制造及检测方面。e d o e g e 等人研究 了微型压印工艺中模其的动态行为【4 9 1 。h o l g e rb e c k e r 等人在聚合物微型热挤雎研究中使用 硅作为模具材料5 0 j 。e r h a r d t l 5 。j 设计了微型深拉工艺中利用激光辅助局部加热的模具以增加 板料成形性能。国内在微成形模具方面也进行了一些研究。宫德海通过u v l i g a 技术设 计制作了微型齿轮注塑模具【3 0 l 。狄士春等研究了微细电火花线切割加工微小齿轮模具的 方法。 微成形材料的研究主要集中于非晶态合金的超颦性方面。y a s u n o r is a o t o m e 等人利用 新型非晶态合金作为材料在材料的超冷液态进行了材料微成形性能及超塑性微成形技术的 研究【5 3 。5 7 1 。j e o n g 等1 5 8 j 通过对薄膜金属玻璃材料研究发现，这类材料是一种理想的微细塑 性成形材料。国内微成形材料相关的研究还开展较少。张凯锋等【1 0 , 5 9 1 采用模压的方法对超 塑性材料z n a1 2 2 、2 0 9 1 a l - l i 和1 4 2 0 a i l i 合金的超塑性微成形性能进行了研究。 微成形设备的研究还处于起步阶段。s a o t o m e 研制了微型无模成形系统和微型反挤压 系统【5 6 1 。s c h e p p 6 0 1 提出了一种新的微成形机械的概念。为了提高微型定位系统的精度， h y e u n s e o kc h o i 等1 6 l j 提出了新的误差预测模型，并为微型雎机开发了微型定位系统。l 词内 王春举等针对微成形的特点研制了精密微塑性成形系统，设计了宏动微动相结合的驱动系 统l l l l 。 1 1 4 微成形技术中需要解决的问题 从上述微成形技术各方面的研究现状来看，目前微成形各领域，特别是微成形理论方 面还存在一些问题亟待解决： 已有微成形理论方面的研究多为针对具体现象的研究，存在一定局限性，且结论与实 验还有一定差距。同时，目前还没有一个严密、完整的微成形理论体系来从总体和根本上 解决微成形中的尺度效应等现象。因此，有必要基于微观理论建立新的微成形理论及模型 来解决微成形中的问题，指导微成形技术的应用。 微成形工艺研究方面，微成形f l l 工艺参数的确定还只能依靠实验或经验数据来估计， 或参照传统宏观成形丁艺，利用相似性原理来估计。然而，这种估计所得_ t 艺参数与实际 仍存在一定差距，且方法较繁琐，效率较低。冈此，简单、高效地制定成形工艺，确定成 形参数就成为了这一领域的一个关键问题。 微成形模具设计、制造方面，目前的微型模具设计大多是仿照传统模具设计，并没有 专门微型模具设计理论；微型模具加工方法成本高、效率低，且在加工复杂型腔、控制表 面粗糙度等方面还不能令人满意；传统模具材料在微小尺度下存在可加t 性及加丁精度等 问题。因此，微成形模具设计理论、加工方法、模具材料选择关系到微成形技术能甭真正 4 上海交通人学博上学竹论文 应用于实际生产，是又一关键问题。 微成形用材料的研究涉及材料制备的相关学科。月前这类材料的制备技术还不成熟。 因此，如何去方便地制备这类材料，是当前的一个难点 此外，如何高效方便地测试微成形过程中的各种物理量，建立相关理论，开发相关专 用测试设备等也是目前微成形技术领域的一个难题。 综上所述，微成形领域还存在诸多问题需要解决。究其原因，最主要的是由于尺度效 应现象的出现导致传统成形理论不能很好地用于微小尺度，限制了微成形技术在实际生产 中的应用。因此，目前首要解决的问题就是对微成形中尺度效应现象进行深入研究，建立 微成形相关理论体系以解决上述问题，推动微成形技术走向实用化。 1 2 微成形尺度效应研究进展 由前所述，造成微成形技术不能很好地应用于生产的一个重要原因就是随着坯料尺寸 的减小，材料的变形规律、流动应力、塑性指标等诸多方面呈现出与坯料尺寸相关的尺度 效应现象，从而导致传统成形工艺和理论的失效，影响到了微成形工艺与模具的设计，限 制了微成形技术的发展与应用。因此，对微成形技术中尺度效应现象的研究就成为了这一 领域的重点，许多研究工作都是围绕尺度效应现象展开的。 1 2 1 国外研究进展 关于微成形中所表现出来的各种尺度效应现象，1 9 9 6 年以来，德国g e i g e r 等进行了 系统的研究工作，并取得了一些成果。m g e i g e r 等1 2j 通过对不同尺寸微型圆柱体坯料进行 镦粗实验发现，材料的流动应力随坯料尺寸的减小而减小。对于这类尺度效应现象， m g e i g e r 等通过所构造的表面层模型进行了解释1 4j ：相对于内部晶粒来讲，当坯料尺寸减 小时，处于表面层的晶粒比例增大。从金属物理理论可知，相比内部晶粒，自由表面的晶 粒由于需要满足的变形协调条件较少，因而流动应力较低，相当于单晶体的流动应力。因 此，整体流动应力可以看作是表面晶粒流动应力与内部晶粒流动应力的加权平均，其权因 子为相应的表面晶粒面积分数和内部晶粒面积分数。随着坯料尺寸的减小，表面晶粒比例 增大，流动应力逐渐下降。 另外，他们还发现，在晶粒尺寸保持不变条件下，随着坯料几何尺寸的缩小，流动应 力的波动性和材料流动非均匀性逐渐增大。对于这类尺度效应现象，g e i g e r 和e n g e l 等认 为i l n1 8 j ，这主要是由于坯料尺寸减小，变形区内的晶粒个数减少，各个晶粒的尺寸、形状、 取向、位置等的随机变化对坯料整体流动应力和变形的影响增大，从而导致材料流动非均 匀性增大，坯料流动应力呈现出较大随机波动现象。 t a k a l s 等【6 2 】通过对不同材料的板料进行微小尺度下拉伸和弯曲等成形工艺，发现随 着坯料尺寸的减小和晶粒尺寸的增大，材料的流动应力和延伸率逐渐下降，且不同材料