（机械工程专业论文）微成形工艺关键技术研究.pdf

上海交通大学博士后研究工作报告 摘要 摘要 近年来，随着社会的不断进步和生活水平的日益提高，人们对于日常生活产品的 要求日趋微型化、智能化、多功能集成化等。因而随着电子工业及精密机械的飞速发 展，微型产品被广泛的应用于移动电话、手提电脑、微型导航系统、集成电路封装、 医疗器械和微型传感器等行业，据估计在未来的5 年中，由于微型化概念带来的微细 产品交易高达1 5 3 5 亿美元。 由于尺寸效应的存在，不能直接将宏观成形工艺的知识和技术引入到微成形工艺 中，同时，原有的本构方程也不适应于微成形工艺。本文通过不同特征尺寸的微细 1 j 6 2 黄铜棒料和微细a i s i3 0 4 不锈钢板的单向拉伸实验，研究材料晶粒尺寸和特征 尺寸对流动应力的影响。对于h 6 2 黄铜，退火温度越高，晶粒越大，所得试样的流动 应力越小，同时材料性能数据离散程度增大。对于a i s i3 0 4 不锈钢板，随着试样厚 度的减小，材料的流动应力也随之减小，表现出明显的尺度效应。 本构模型是数值模拟的基础。因此要建立精确的微成形过程的有限元模型，必须 建立精确的材料本构模型。本文以材料的单向拉伸实验为基础，基于s w i f t 模型，将 尺、j 。因子引入本构模型，建立了反应微成形过程材料流动规律的本构模型，取得了良 好的效果。 f l d 是衡量板料成形性能的重要工具。但是在微细板料冲压成形过程中，由于 板料厚度和成形特征是一个数量缴，从而不能将板料简化为壳单元。因此，传统的 f l d 不再适应于微冲压成形过程。本文基于厚度准则和等效应变准则，建立了评价 微细板料成形性能的准则。并将该准则和数值模拟相结合，优化p e m f c 燃料电池极 板的几何参数。模拟结果表明，相对冲头圆角半径r f 和流动槽相对宽度w h 是影响 极扳成形性能的主要因素。当w h 小于1 1 2 时，板料的成形性能小于1 ，这说明此时 板料的成形性非常差，非常可能出现破裂失效。 微挤压作为一种全新的塑性加工技术，具有成形性好，设计自由度大、成形精确、 成本低、生产率高等优点，因而在所有运用的微细零件中，通过微挤压工艺成形的零 件占很大的比例。本文在总结人量生产条件下冷挤压模具设计经验的基础上，参考传 上海交通大学博士后研究工作报告 捅要 统挤压模具的设计方法，根据微挤压的工艺特点，设计和加工出了总体结构简单，操 作方便，易于组装及拆卸的正、反两种微挤压模具。 根据自行设计的正反两种挤压模具尺寸和结构，建立了微挤压工艺的有限元模 型。根据微挤压的工艺特点，运用非线性动态分析l s d y n a 有限元软件对正反两种微 细挤压工艺进行了数值模拟。通过正反两种挤压工艺仿真、分析和对比，揭示了各工 艺参数对微细挤压工艺的影响及两种挤压工艺的特点。分析模拟结果可以得知，摩擦 对微挤压的影响远远大于宏观传统的挤压工艺，由此揭示了产生尺度效应的主要原因 是由于坯料和模具表面接触的面积与坯料自身的体积之比( 比表面积) 远远大于宏观 的挤压工艺。这些研究成果都将为微成形工艺与相应的模具设计提供了可靠的理论指 导。 关键词：微成形；尺度效应；本构模型：微冲压；微挤压；数值模拟 i i 上海交通大学博士后研究工作报告 a j ) s t l a c t r e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t ya n d t h ei n c r e a s i n go ft h ep e o p l e sl i f e ， t h ed a i l yl i f ep r o d u c t sa r eg e t t i n gs m a l l e r , i n t e l l e c t u a l i z e d ，a n di n t e g r a t e d t h em i c r o p a r t s a r ca p p l i e dt ot h em o b i l e s ，n o t e b o o k s ，m i c r on a v i g a t i n gs y s t e m s ，i n t e g r a t ec i r c u i t e n c a p s u l a t i o n ，m e d i c a li n s t r u m e n t sa n dm i c r os e n s o r s ，e ta 1 i ti ss a i dt h a ti nt h ef u t u r e5 y e a r , t h eb u s i n e s so fm i c r op a r t sc a n a c h i e v e $ 1 5 3 5b i l l i o n t h ek n o w - h o wo ft h er e g u l a rm a c r om e t a lf o r m i n gc a nn o tb ea p p l i e dd i r e c t l yi n t ot h e m i c r om e t a lf o r m i n gp r o c e s sb e c a u s eo ft h es o c a l l e ds i z ee f f e c t s ，a n dt h eo r i g i n a l c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n sa r en o ta p p l i c a b l e t ot h em i c r of o r m i n gp r o c e s s t h r o u g ht h e u n i a x i a lt e n s i o ne x p e r i m e n t sw i t ht h eh 6 2b r a s sa n da i s i3 0 4s p e c i m e n sw i t hd i f f e r e n t f e a t u r es i z e s ，t h ee f f e c to ft h eg r a i ns i z ea n dt h ef e a t u r es i z eo nt h ef l o ws t r e s sa r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tf o r t h eh 6 2b r a s s ，t h eh i i g h e rt h ea n n e a lt e m p e r a t u r e ，t h eb i g g e rt h e g r a i ns i z e ，a n dt h es m a l l e rt h ef l o ws t r e s s ，a n dt h ee x p e r i m e n td a t ai sm o r ed i s c r e t e f o rt h e a i s i3 0 4 ，w i t ht h ed e c r e a s eo ft h et h i c k n e s s ，t h ef l o ws t r e s sd e c r e a s e ，t h i si st h es o c a l l e d s i z ee f f e c t s t h ec o n s t i t u t i v em o d e li st h eb a s i so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h em e t a lf o r m i n g p r o c e s s t os e tu pt h ep r e c i s ef e mm o d e l ，t h ep r e c i s ec o n s t i t u t i v em o d e ls h o u l db eb u i l d u pf i r s t l y o nt h eb a s i so ft h eu n i a x i a lt e n s i o ne x p e r i m e n ta n d t h es w i f tm o d e l ，t h ee x a c t c o n s t i t u t i v em o d e se s t a b l i s h e dw h i c hs h o w st h ee x a c ts i z ee f f e c t s t h ef o r m i n gl i m i td i a g r a m ( f l d ) i sav e r yi m p o r t a n tt o o lt oe v a l u a t et h ef o r m i n g a b i l i t yo ft h es h e e tm e t a l h o w e v e r , i nm i c r os c a l e ，t h et h i c k n e s so ft h es h e e ta n dt h e f e a t u r es i z eo ft h ep a r ta r ei nt h es a m es c a l e ，s ot h es h e e tm e t a lc a n n o tb es i m p l i f i e da st h e s h e l le l e m e n t s ，a n dt h e nt h et r a d i t i o n a lf l di sn o ta p p l i e dt ot h em i c r os h e e tm e t a lf o r m i n g p r o c e s sa n ym o r e o nt h eb a s i so ft h et h i c k n e s sc r i t e r i o na n dt h ee q u i v a l e n ts t r a i nc r i t e r i o n ， t h ec r i t e r i o nt oe v a l u a t et h ef o r m i n g c a p a b i l i t yo ft h es h e e tm e t a li sb u i l du p f u r t h e r m o r e ， t h i sc r i t e r i o ni sc o m b i n e dw i t ht h ef e ms i m u l a t i o np r o c e s st oo p t i m i z et h eg e o m e t r i c p a r a m e t e r so ft h ep e m f cf u e lc e l lb i p o l a rp l a t e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e r e l a t i v ep u n c hr o u n dr a d i u sr ta n dt h er e l a t i v ef l o wc h a n n e lw i d t hw ha r et h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ef o r m i n gc a p a b i l i t yo ft h es t a m p e db i p o l a rp l a t e i i i 上海交通大学博上后研冤工作报告 a b s n a d s t r o n g l y w h e nt h ew hi ss m a l l e rt h a n1 1 2 t h ef o r m a b i l i t yo ft h es h e e tm e t a li ss m a l l e r t h a n1w h i c hm e a n st h a tt h ef o r m a b i u t yo ft h es h e e ti sr e a l l yb a d a n dt h eb l a n di sv e r ye a s y t oc r a c k t h em i c r oe x t r u s i o ni san e wk i n do ff o r m i n gp r o c e s sw h i l et h ef o r m a b i l i t yo ft h e b i l l e ti sq u i t eg o o d ，a n dt h ed e s i g nf r e e d o mi sv e r yg o o d m o r e o v e r , t h ep r o d u c t so ft h e m i c r oe x t r u s i o na r ev e r yp r e c i s e ，a n di t sc o s ti sc o m p a r a t i v e l yl o wa n dt h ep r o d u c i n g e f f i c i e n c yi sh i g h b e c a u s eo fs om a n ya d v a n t a g e ，t h e r e a r eal a r g ep o r t i o no ft h e m i c r o p a r t si sm a d eo fm i c r oe x t r u s i o n b a s e do nt h ee x p e r i e n c eo f t h et r a d i t i o n a le x t r u s i o n d i ed e s i g np l u st h es p e c i a lf e a t u r e so ft h em i c r oe x t r u s i o n ，t w ok i n d so fe x t r u s i o nd i e ，i e ， t h ef o r w a r de x t r u s i o na n db a c kf o r w a r de x t r u s i o n ，a r ed e s i g n e dw h o s ec o n s t r u c t i o na r e s i m p l e ，a n di t sv e r ye a s yt oo p e r a t et h e m o nt h eb a s i so ft h ed i m e n s i o na n dc o n s t r u c t i o no ft h et w ok i n d so fe x t r u s i o nd i e ，t h e f e mm o d e lo ft h em i c r oe x t r u s i o np r o c e s si sc o n s t r u c t e d c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h em i c r oe x t r u s i o n ，t h en o n - l i n e a rf e ms i m u l a t i o ni sc o n d u c t e dt oa n a l y s i st h ef o r w a r d a n db a c kf o r w a r dm i c r oe x t r u s i o nw i t ht h ec o m m e r c i a lc o d eo fl s d y n a t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h ee f f e c t so fd i f f e r e n tt e c h n i c a lp a r a m e t e r so nt h e s et w op r o c e s s e s f u r t h e r m o r e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h ee f f e c to ft h ef r i c t i o no nt h em i c r oe x t r u s i o n i sm u c hh i g h e rt h a tt h ee f f e c to nt h er e g u l a re x t r u s i o np r o c e s s t h a ti sb e c a u s ei nt h em i c r o f o r m i n gp r o c e s s ，t h er a t i oo ft h ec o n t a c ts u r f a c ef o rf f i c t i o nt ot h ev o l u m eo ft h eb i l l e ti s m u c hh i 曲e rt h a nt h ec o n t a c ts u r f a c eo ft h er e g u l a re x t r u s i o np r o c e s s a l lt h er e s e a r c h r e s u l t so f f e rs o m ed e p e n d a b l eg u i d ef o rt h em i c r of o r m i n gp r o c e s sa n dt h ec o r r e s p o n d i n g d i ed e s i g n k e yw o r d s ：m i c r o f o r m i n g ；s i z ee f f e c t s ；c o n s t i t u t i v em o d e l ；m i c r o - e x t r u s i o n ； m i c r o s t a m p i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 上海交通大学博士后研究工作报告 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 微制造是指工件至少在两维尺寸上小于l m m 的工件的制造。微制造技术的发展来 源于产品微细化的要求，不仅是用户希望随身用的多功能电子器件小型化和功能集成 化，而且还来自技术的需要，例如医疗器械、传感器及电子器械的发展需要制造出微 小的零件。典型的微形零件有引线框、硬盘磁头、微弹簧、微细螺钉、齿轮等等，如 图1 1 所示。据统计，在过去的7 年中，微细产品的需求从1 5 0 亿上升n 3 5 0 亿。这些产 业的兴起极大地推动了微细加工技术( m i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y ) 的发展，先后 出现了超精密机械加工、深反应离子蚀刻、l i g a 及准i j i g a 技术、分子装配等技术。 ( a ) 典型的冷墩挤的微形零件 ( b ) 微形化零件，硬盘驱动，容量1 g ( i b m ) 上海交通大学博士后研究工作报告第一章绪论 ( c ) l e a d f r a m e ( s h i n k o ) 图卜1 典型的微形零件 f i g 1 1t y p i c a lm i c r o p a r t s 但是微型化产业所要求的大批量、高效率、高精度、高密集、短周期、低成本、 无污染、净成形等固有特点制约了上述微细加工技术的广泛应用。人们不得不把视线 转向传统的成形工艺( 冲裁、弯曲、拉延、拉深、超塑性挤压、起伏、压印等) ，因为 在宏观制造领域，成形工艺恰恰具备这些产业优点。因此面向微细制造的微成形技术 ( m i c r o f o r m i n gt e c h n o l o g y ) 在短短十年内得到了迅速发展。除了市场推动因素外， 其深厚的技术背景是微成形技术在短时间内得以较快发展的关键原因。因为，虽然微 成形工艺与传统成形工艺在成形机理上存在较大差异，其相关技术如模具、设备等的 要求进一步提高甚至达到苛刻的程度，但是已有百年历史的传统成形工艺所积累的成 熟的工艺数据和试验方法、成形力学的不断突破以及各种模拟手段的出现都为微成形 技术的研究奠定了厚实的基础；加之各种微细加工技术的发展使得微成形相关装备 ( 模具、设备、传输机构等) 的实现也成为可能。因此，面向微细制造的微成形技术研 上海交通大学博士后研究工作报告 第一苹绪论 究势在必行，且已成为研究领域和业界的新热点。 但是，相对于其他生产工艺，成形技术在微制造方面的应用还很少。这是因为现 在的微成形工艺都是在原有的成形工艺的基础上按比例缩小所得，但是由于所谓的尺 寸效应的存在使得传统的工艺不能完全的适应微成形工艺。由于尺寸效应的存在，材 料的流动行为、摩擦条件和成形精度都受到了影响。因此，为了更好的推动微成形技 术在微细制造中的应用，必须深入了解由尺寸效应引起的材料变形机理的变化。 1 2 微成形中的尺寸效应及微成形本构模型研究 1 2 1 微成形中的尺寸效应 到日前为止，对微成形中的尺度效应还没有一个明确完整的定义，这种状态也反 映了人们对该问题的认识程度。概括地讲，尺度效应就是指：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，但仍然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“。在具体的试验研究中，为了避免各种工况条件的影响，仍然采用基本 的材料性能测试试验。判断是否存在尺度效应的标准是：根据相似性原理，所有的样 件和工具尺寸都要乘以几何比例因子卫，时间的比例因子是1 ，工具的速度也按a 比例 变化，载荷按a 2 变化。在理想状态下，如果不存在尺度效应，同一材料的应力应变状 态是相同的，如果应力及载荷的大小或应变的分布与理想状态不同，则被认为是由于 尺度效应引起的。 在成彤工艺中，描述材料变形行为的参数是流动应力和变形曲线( 即应力应变变 化关系) ，因为这些参数直接影响到成形力、工具载荷、局部变形行为以及充模情况 等。将标准样件等比缩小，根据相似原理所进行的拉伸和镦粗试验表明：由于尺度效 应的影响，随着样件尺寸的减小，流动应力也呈现减小的趋势。在板料成形方面，采用 c u z n l 5 、c u n i l 8 z n 2 0 。1 、铜“1 、铝。1 等材料的拉伸试验表明：当板料厚度由2 i i 1 1 减小到 3 ：海交通大学博士后研究工作报告 第章绪论 0 1 7 r a m 时，流动应力减小t 3 0 。铜合金的胀形试验也表现出同样的趋势。在体积成形 方面，采用铜、c u z n l 5 、c u s n 6 ”，”的镦粗试验也表现出流动应力减小的趋势，如图卜2 所示。 图卜2 流动应力随试样尺寸的减小而降低 f i g 1 2 f l o ws t r e s sd e c r e a s e w i t ht h ed e c r e a s e m e n to ft h es a m p l ed i m e n s i o n 在这些试验中，不同样件的晶粒尺寸是相同的，因此可以肯定流动应力减小的现 象与晶粒结构的变化无关，主要是由尺寸微小化引起的。流动应力减小的现象可以用 表面层模型”。解释。表面层模型认为在小尺度情况下，材料变形已经不符合各向同性 连续体的变化规律，在小尺度情况下( 根据晶粒尺度与制件局部变形尺度的比率判 断) ，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，在变形过程中，内层位错运动剧烈而表面层影响较小，因此 表面层变形和硬化趋势也较小。这样，样件的整体流动应力将会降低，而且晶粒尺度 不变时，这种趋势随着制件尺度的减小而更趋明显，见图3 。表面层模型不仅可以解 释流动应力降低的现象，而且可以应用于有限元模拟微成形的分析过程。1 。一般而言， 流动应力的减小将导致成形力的降低，对弯曲工艺的调查证实了这一事实” 5 。然 4 上海交通大学博士后研究工作报告 第一章绪论 而，对于没有自由表面的冲裁及挤压等工艺，成形力不但没有减小，反而有增加的趋 势，这主要是由于摩擦的影响超过了流动应力的影响。 图卜3 表面层模型 f i g 13 s u r f a c em o d e l 为了定量研究表层晶粒对材料流动应力的影响，k a l s 。1 等人建立了一个解析模 型。：1 一( w o - 2 l ) ( s o - 2 l ) ，。是初始的板料宽度，岛是板料的初始厚度，l 是晶粒直 w 0 知 径。在特定的条件下，运用该模型可以近似计算微细板料成形所需的成形载荷。利用 该模型计算弯曲和拉伸时的成形力，和试验结果吻合较好。但是利用该模型计算冲裁 时的成形力，试验结果和计算结果相差很大。表层晶粒所占的比例越大，流动应力和 抗拉强度越小。也就是说，表层晶粒在整个板料变形中所发挥的作用越来越大。 在拉伸试验中另一个尺度效应引起的现象是：板料厚向异性指数减小，导致板料 厚度易于变薄，在拉延成形中成形极限降低。而且进入塑性变形阶段的均匀延伸率降 低，甚至断裂之前的细颈形变也会缩短”，但平面各向异性未见有明显变化”l 。在微 成形中。毛刺增多的现象也与尺度效应有关，这主要是由板料中品粒位向的随机性和 晶粒尺度与局部制品尺度的比率增大而引起的材料各向异性行为造成的。文献”的 试验表明：在弯曲成形中，尺度效应确实引起了流动应力和成形力的降低，但是当晶 粒尺度接近于板料厚度时( 这意味着在板料厚向只有单晶粒分布) ，成形力没有降低， 反而增大( 这与宏观成形力学中的晶粒增大成形力减小的规律相反) 。其原因还有待进 5 _ 卜海交通大学博士后研究工作报告 第一覃绪论 步研究，目前的定性解释为：局部变形时，如果晶粒尺度与局部制品尺度接近，晶 粒位移的变化主要取决于成形工具，其晶粒位向的滑移优先性相对削弱“。微成形中 微小尺度对摩擦的变化有显著的影响。圆环压缩试验”1 和双杯挤压试验“3 表明， 随着样件尺度的减小，成形过程中的摩擦增加。圆环压缩试验是在平行压板间轴向压 缩圆环，这是一种测定相对摩擦的方法。如果没有摩擦，则圆环的变形情况完全与圆 盘相同，此时圆环的内外径均增加，增加量正比于它们至圆环中心的距离：当有了一 定的摩擦时，外周界受到较大的约束；若摩擦足够大，则从能量的观点出发，产生向 心径向流动是有利的，故内径将减小。 与圆环压缩试验相比，双杯挤压试验中试件表面积、应变和压力都增大，试验效 果更为明显，而且与前挤压成形非常接近，因此其结果可以直接运用于具体工艺。图 卜4 为双杯试验装置，一个圆柱状试件放置在模具通腔中，在试件的上表面由动挤压 头旌压，下表面放置在与动挤压头同轴且大小和形状相同的静挤压头上，当动挤头向 下运动时，模腔中的材料发生变形流动形成上下两个高度为h 。、h d 的杯腔。在无摩擦 理想状态下，两个高度是相等的；摩擦越大，形成的杯高越小，因此上下杯高之比 枷d 对摩擦的影响较为敏感，可以作为测定摩擦大小的依据。通过d e f o r m 一2 d 软件的有 限元模拟可以确定平均摩擦系数雎。为了研究微成形中的摩擦变化规律，设计了双杯 微挤压试验，采用0 5 4 r a m 不同直径的样件，当施加润滑剂时，杯高比率或摩擦随着 样件尺寸减小而显著增大。值得一提的是，在每次试验中摩擦系数并不是恒定的，杯高 比率也是变化的，试验和模拟结果都证实了这一点。 上海交通大学博士后研究工作报告 第一章绪论 ( c )( d ) 图卜4 双杯挤压试验和f 叫模拟结果 f i g 1 4 e x t r u s i o ne x p e r i m e n tw i t h d o u b l ec u p sa n d t h e f e ms i m u l a t i o n ( a ) d e p e n d e n c eo fc u ph e i g h to nf r i c t i o n ： ( b ) 一( d ) f e mc a l c u l a t i o n ，d e v e l o p m e n to f t h ec u p s 运用开口或封闭润滑包模型可以解释微成形中摩擦行为的变化规律。开口或封闭 润滑包模型也称动态或静态润滑包模型，依据这一模型，当成形载荷施加到使用润滑 剂的制件表面时，由于制件和工具表面都是不光滑、凸凹不平的，两个表面上的凸起 互相接触并在压力作用下发生塑性变形，从而形成了大小不一的小腔体将润滑液封闭 在其中。但是在制件边缘处的表面由于变形的不均匀并不能形成封闭的腔体，称为开 口润滑包。在这些区域i 当载荷增大时，润滑液将溢出而不能支持和传递载荷力，两 表面被压平甚至粘焊，从而导致摩擦和成形力增大。相反，在边缘以内的表面，润滑 包封闭着大量的润滑液，当载荷增大时，润滑包内的压强也增大，可以传递载荷力， 从而使摩擦降低。将这一模型应用于双杯微挤压试验可以解释摩擦随着样件尺寸减小 而增大的现象。如图卜5 所示，在制件的两端存在两段明显的开口润滑包表面( 图中用 标注的区域，通过检测挤压后样件的表面粗糙度，可以发现两端表面被压平的区 域) 。当样件直径减小时，开口润滑包表面整个表面的比率增大，从而引起摩擦增加。 当在试验中使用固体润滑或不使用润滑剂时，制件尺寸的变化并没有引起摩擦的显著 变化。可见在这种情况下，润滑包模型不再适用。 上海交通大学博士后研究工作报告第一章绪论 图卜5 开口、封口润滑包示意图 f i g i - 5e f f e c to f m i n i a t u r i z a t i o no na r e a sw i t ho p e na n dd 0 3 e dl u b r i c a n tp o c k e t s ( l f d 1 2 2 微成形的力学本构模型 材料的本构模型是实现精确的数值模拟的基础。但是传统的本构模型没有考虑尺 度效应的影响，不能准确反映微细尺度下材料的流动规律。冈此，建立微细尺度下考 虑尺寸效应的材料模型就成为微成形研究的重点问题。 近年来已发展起来多种应变梯度塑性理论，较为典型的有c s ( c o n p l es t r e s s ) 应变 梯度塑性理论、s g ( s t r e t c h a n dr o t a t i o n g r a d i e n t s ) 应变梯度塑性理论和 m s g ( m e c h a 2 n i s m b a s e ds t r a i ng r a d i e n t ) 应变塑性理论。位错理论表明，材料的塑性硬 化来源于几何必须位错和统计储存位错，据此f l e c k 等【“，1 2 】发展了c s 应变梯度塑 性理论，它是经典的，2 形变或，2 流动理论的推广。在该理论中，为了考虑旋转梯度 的影响，引入了偶应力。f l e c k 等1 1 3 i 应用这种理沦成功地预测了细铜丝的扭转、薄梁弯 曲和颗粒增强金属基复合材料的尺度效应。但在无旋转及旋转梯度变为低阶时，这一 模型不再适用，因此h e c k 等1 1 3 j 提出了另一套理论s g 应变梯度塑性理论，在这个 理论中，除了考虑旋转梯度外，还考虑了拉伸梯度。应用该理论可以精确地体现裂纹 尖端场的应变梯度效应。虽然f l e c k 等把位错理论作为他们提出应变塑性理论的动机， 但实际上只是将高阶等效应力与等效应变取代经典塑性本构关系的等效应力和应变， 仍然是在宏观可以测量的单轴应力应变关系的基础上建立的，也就是说没有真正考虑 材料的微观结构。g a o 等i “l 提出了一种多尺度、分层次的理论框架一m s g 应变塑性 理论，来实现塑性理论和位错理论的结合，在微观尺度胞元的水平上建立塑性理论， 高阶应力作为应变梯度的热力学共轭量出现，故保证此理论满足连续介质的热力学限 制。m i c h e l 等对c u z n 3 6 试样进行单向拉伸和液压胀性试验，分析尺寸效应对流动应 力的影响。将尺度效应引入材料的本构方程，建立了材料模型。该模型由两部分组成， 一部分是不受尺寸效应影响的部分，该部分就是传统的s w i f t ，h o l l o m o n ，p r a g e r 或者 v o c e 模型，另一部分是尺寸效应部分，该部分是一个受尺寸影响的函数，系数可以 通过将试验数值代入方程中求得。 综上所述，虽然各国学者针对微成形过程中的尺寸效应展开了大量的研究，但是 并没有形成完整的理论体系，将尺寸效应引入本构方程从而实现微成形过程准确的数 值模拟的研究也未见有报道。 1 3 微细成形数值模拟研究 微细成形数值模拟是微细工艺设计的有效辅助手段，通过微细工艺过程的模拟可 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：i 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。 2 0 0 1 年韩国t a e w a nk u 和s a n g - m o o nh w a n g 等，通过数值模拟和实验研究了尺 寸在毫米以下的拉深成形工艺。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过程。文中分析了零件回弹和材料开裂等失效现 象，并把数值模拟的结果和实验的结果做了详细的比较。 2 0 0 1 ，k i m ，h e u n g k y u ；o h ，s o o i k ：利用率相关刚塑性有限元分析了尺度为两m m 的多晶聚合材料的变形过程。分析过程中，利用等参的四节点平面应变单元，对每个 晶粒都划分网格，把晶粒内部的变形通过有限元的计算表达出来，模拟晶粒的变形， 拉伸，压缩与旋转。2 0 0 2 年zw k u ，d j k i m 对于微细零件的弯曲工艺过程，文中引 入晶粒单元和晶界两种单元来分析。用晶粒单元来分析单个晶粒的变形，而用晶界单 元来模拟晶界的运动。 2 0 0 2 年法国的j 一fm i c h e l 和p p i c a r t ，把应变梯度理论引入微薄板冲压的研究。把 上海交通大学博士后研究_ 作报告 第一章绪论 应变梯度项引入v o n m i s e s 屈服准则，建立了一个板料微成形的n o l o c a l 材料模型。该 模型以壳单元为微成形分析单元，在分析中只是简单考虑了沿壳法向方向上的应变梯 度的影响。 2 0 0 4 年西北大学的j i a nc a o ，利用r k e m 的有限元计算方法，来模拟微挤压工艺 过程。r k e m 的方法是种无网格计算方法，适用于单元严重畸变的工艺过程模拟。 文中的研究还发现，传统的摩擦模型不适合微成形数值模拟分析。 可见，由于基础理论的不完善，在微成形研究方面还缺少有效的材料模型。微成 形工艺过程中，微观摩擦机理与宏观摩擦有较大的差异，微摩擦模型缺少有效的数学 模型描述。缺少一套系统完整的适合于微细成形工艺过程分析的数值模拟方法。 1 4 微成形工艺研究 金属成形工艺和金属微细成形工艺都可以分为3 类：体积成形、板料成形和表面 成形。相对来说，微体积成形的研究已经开展的很多，应用也比较广泛。挤压是典型 的微体积成形工艺。文献【：1 5 l 介绍了按照相似性原理进行的前挤压试验。结果表明， 随着制件尺寸的微小化，挤出压力明显增大f 挤出压力与挤压成形率有关) 。如上所述， 这主要是由于挤压微小制件摩擦增大的结果。有限元模拟也得出同样的结论。为了研 究复杂制件的微挤压成形工艺，专门设计了前杆后杯的复合挤压试验。结果显示，对 于细晶粒( 晶粒平均直径4 um ) 样件，杯高与杆长的比率随着制件尺寸的微小化而增 大。文献 1 6 采用微挤压工艺研究了微挤压过程的摩擦机理。另一个较为成功的微 体积成形工艺是超塑性成形，超塑性成形特别适合于微小零部件的加工，尤其是 m e m s 系统部件。文献【1 7 】采用a i 7 8 z n 进行超塑性挤压，研制出模数为1 0um 、节 距圆直径1 0 0 ur f l 的微型齿轮轴。在真空或氩气环境中，采用直径为0 ，1 5 m m 的毛坯， 将其放入温度为5 2 0 k 的模腔中，通过一个线性激发器施j j l l 2 0 0 m p a 的压力挤出。 在板料成形方面，冲裁是生产微小零件的主要工艺之一，特别是在电子产业领域。 文献【1 】的研究表明，在微冲裁中，冲裁断面的比例分布没有太大变化，但断面精度、 毛刺现象与尺度效应、凸凹模间隙明显有关。文献【3 】对微冲裁成形中尺度效应的研 究发现，冲裁力并没有随着制品尺寸的减小而减小。而且，当板料厚度较小时，冲裁 1 0 上海交通大学博士后研究工作报告 第一覃绪论 力和剪切力还有轻微的增大，这主要是由于冲裁过程中不存在自由表面，表面层模型 已不再适用。针对不同的材料和晶粒度所作的研究在这一点上的结论是一致的。微弯 曲主要用于成形簧片、挂钩、连接头、线条等微小零件，这些产品的特点是产品外形 尺寸与板料厚度相近，这意味着宏观工艺中平面应变假设不再成立。关于尺度效应与 弯曲力的关系【引，如上所述，当晶粒尺度远小于局部尺度时，随着制件尺寸的微型化， 弯曲力减小：但当晶粒尺度与局部尺度接近时，弯曲力则增大，且随着制件尺寸的微 型化，回弹增大，当板料厚度极薄时这种趋势稍有改变。 图1 - 6 宏观拉伸成形和微深拉深工艺 f i g 1 6 m a c r od e e pd r a w i n ga n dm i c r od e e pd r a w i n g 在薄板成形中，应用拉深工艺可以成形各种形状的杯体、腔体。但最复杂的工艺 也是拉深成形，在摩擦、各向异性、变形的不均匀性等方面，较之其他工艺更为突出， 因此有关这方面的研究和报道也较少。2 0 0 4 年，德国f v o l l e r t s e n ，z h u ，h 利用相似 原理对宏观拉伸成形和微深拉深工艺进行了比较研究( 如图6 所示) 。通过比实验较， 发现在同样的润滑条件下，由于摩擦机理的差异，微成形摩擦系数比宏观成形时的摩 擦系数要大；通过比例实验，发现相同材料的极限拉深率在微细成形时要小于宏观成 形。 文献【1 9 】通过专用装置对薄板( 板厚t 为0 0 5 1 0 r a m ，冲头直径d p 为0 5 4 0 m m l 拉深的研究表明，拉深极限与冲头相对直径d p 肛有关，相似原理可以适用于相 对直径d 以高于4 0 的情况，而且冲头相对直径d 矾低于2 0 的拉深机理与高于4 0 的拉深 机理明显不同。文献1 2 0 发展了微拉深的热成形工艺，结果显示拉深力降低t 2 0 ， 而延伸率增加了1 0 。较之其他成形方法，微拉深研究的制约因素较多，特别表现在 传感器及相关检测技术上。 挤压是微成形中较为典型的工艺。文献 2 5 ，2 6 介绍了按照相似性原理进行的前 挤压试验，在试验中，采用挤出1 2 1 直径为0 5 4 m m 及不同的挤压速度、微结构、表 面粗糙度和润滑剂。结果表明，随着制件尺寸的微小化，挤出压力明显增大( 挤出压 力与挤压成形率有关) 。如上所述，这主要是由于挤压微小制件摩擦增大的结果。有 限元模拟也得出同样的结论。为了研究复杂制件的微挤压成形工艺，专门设计了前杆 后杯的复合挤压试验。结果显示，对于细晶粒( 晶粒平均直径舡m ) 样件，杯高与杆长 的比率随着制件尺寸的微小化而增大。原因与双杯挤压类似：随着制件尺寸的微小化 引起摩擦的增加，从而导致材料更多地向挤压头运动的反方向上流动，杯高增大。在 同一试验中，采用热处理粗化晶粒( 晶粒直径1 2 0 z m ) 后的样件，结果表明，在挤出直 径为2 4 m m 时，粗晶粒样件与细晶粒样件的杯高与杆长比率的变化趋势相同，但当 挤出直径为0 5 m m 时粗晶粒样件的杯高不再变化。这主要是由于粗晶粒直径大于杯壁 的厚度，降低了材料的延展性，导致材料更多地向挤压头运动方向上流动。其机理与 微弯曲类似。这一研究结果表明，材料微观结构在微成形中具有重要的影响。文献 3 进一步研究了晶粒度与耳值、加工硬化的影响，结果与宏观挤压差异较大。 另一个较为成功的微成形工艺是超塑性成形。超塑性成形可以在低压条件下获得 形状复杂的制件，而且由于超塑性状态下材料具有良好的微成形性能，特别适合于微 小零部件的d n t ，尤其是m e m s 系统部件。文献 2 7 采用a 1 7 8 z n 进行超塑性挤压，研 制出模数为1 0 z m 、节距圆直径1 0 叽m 的微型齿轮轴。在真空或氩气环境中，采用直 径为0 5 m m 的毛坯，将其放入温度为5 2 0 k 的模腔中，通过一个线性激发器施j ：1 2 0 0 m p a 的压力挤出。研究表明，微轴表面精度与挤压速度及挤压力有关，挤压速度及挤压力 越大，微轴表面精度越低。这可能是由于应变率增大引起晶粒边界产生空洞缺陷所致。 文献 2 8 ，2 9 将超塑性技术与微挤压相结合，对z n a 1 2 2 、2 0 9 1 a 1 - l i 和1 4 2 0 a 1 一l i 合金 的超塑微挤压性能进行了研究，通过实验分析了润滑条件、压力、保压时间、温度等 参数对成形的影响，并提出微成形性能的评价方法，对不同孔径及不同槽宽的成形及 影响因素也进行了分析。 一 冲裁是生产微小零件的主要工艺之一，特别是在电子产业领域，因此目前相关的 研究主要集中在电子产品方面。文献 3 对微冲裁成形中尺度效应的研究发现，冲裁 力并没有随着制品尺寸的减小而