开题报告-SUS304不锈钢薄板微弯曲数值模拟与实验研究

1、.SUS304不锈钢薄板微弯曲数值模拟与实验研究摘要：随着微型化制造技术的快速发展，金属微塑性成形技术在微小零件生产制造过程中已变得越来越重要，并对加工工艺、加工设备、产品的成形精度提出了更高的要求。微塑性成形技术不但继承了传统塑性成形工艺的高生产率、低材料耗损、成品力学性能好、加工精度高等优点，还将传统塑性成形引入介观尺度，使其在微机电系统和微系统技术等领域均具有广泛的应用前景。与传统的塑性成形相比，微塑性成形由于金属板料尺寸的微小化，其成形过程中的力学特征和性能表现出明显的尺寸效应现象，材料的塑性行为发生变化，而传统塑性成形技术及理论均不包含材料的尺度量，导致其不再适用微塑性成形工艺。微弯

2、曲作为微塑性成形工艺的重要组成部分，其在整个微细加工制造业中的应用越来越广泛，因此研究介观尺度下金属板料的成形性能显得尤为重要。本课题以SUS304不锈钢薄板作为实验材料，分别对厚度为20m、50m、100m、200m、250m（采用3-5种热处理方式）的金属箔试样进行单向拉伸试验，获得金属箔的真实应力-应变关系，为微弯曲数值模拟研究提供材料性能参数；基于传统的塑形弯曲回弹理论与应变梯度塑性理论，建立微尺度下弯曲回弹预测模型；设计一套典型的V型微弯曲模具，基于JP-504超精密伺服冲压试验机平台，对SUS304不锈钢薄板进行微弯曲实验；数值模拟与实验研究相结合，研究晶粒尺寸、板料厚度以及相对厚

3、度对SUS304薄板弯曲回弹的影响规律，并结合相关理论分析各个因素对弯曲回弹影响的机理，为微塑性成形的工艺优化和模具设计提供参考。关键字：SUS304，尺度效应，微弯曲成形，弯曲回弹，数值模拟（1） 立项依据与研究内容1、项目的立项依据1.1研究意义近年来，随着微纳米技术的兴起，金属零件产品正朝着微型化发展，特别是在微电子产品、微系统技术以及微医疗器械等领域，促使这种以外形尺寸微小或运作尺寸微小为特点的新型微细加工技术的诞生。微细加工技术实现了产品功能集成化和体积微型化于一体，这大大满足了电子器械和医疗器械等领域对产品微型化的需求。微塑性成形技术作为微细加工技术的重要组成部分，不但继承了传统塑

4、性成形工艺的高生产率、低材料耗损、成品力学性能好、加工精度高等优点，还将传统塑性成形引入介观尺度，使其在微机电系统（Micro-Electro Mechanical System，MEMS）和微系统技术（Micro-System Technology，MST）等领域均具有广泛的应用前景11GEIGER M,MERKLEIN M,TOLAZZI M.Metalforming ensures innovation and future in EuropeC.Proceeding of the8th International Confer-ence on Technology of Plastic

5、ity.Verona,Italy,2005.。微弯曲成形作为微塑性成形的重要组成部分，其相关技术和理论的研究也日益受到国内外研究工作者的重视。由于微塑性成形受到尺寸效应的影响，致使传统的金属塑性成形规律已不再适用于微尺度塑性成形，目前还没有适用于微小尺度塑性成形的理论基础，使得微塑性成形的应用受到一定程度的限制，而对于金属板料微弯曲成形的弯曲回弹理论研究也相对较少。因此，本文对5种不同厚度的金属板料进行固溶处理，获得不同的晶粒尺寸；通过单拉试验获得金属薄板的真实应力-应变关系，为微弯曲成形过程数值模拟研究提供可靠的材料性能参数；基于传统的塑性弯曲理论，建立微塑性弯曲回弹预测模型，为实际生产应用

6、的定量分析提供可能性。金属薄板微弯曲成形过程中，材料除了存在塑性变形还伴随着弹性变形，此外，塑性变形区内材料的塑性变形中还包含着弹性变形，弹性变形会在弯曲力矩卸载后会恢复至原来的形状，使板料弯曲角与弯曲半径发生改变，这就是回弹现象，回弹导致金属板料的成形精度受到影响。回弹在弯曲过程中不可避免的，它受到诸多因素影响，传统的塑性弯曲回弹因素包括材料的屈服强度、弹性模量、应变强化指数、材料本身的几何尺寸以及模具的几何参数（模具圆角半径，模具间隙，弯曲角）等。但对于微尺度下的金属薄板弯曲成形，其成形过程中存在明显的尺寸效应现象，而传统的塑性理论由于不含有尺寸量而不能描述这种尺寸效应现象，回弹量也表现出

7、明显的尺度效应，因此研究板料厚度以及晶粒尺寸对弯曲过程的回弹规律显得尤为重要。本课题对SUS304不锈钢薄板的微弯曲成形过程进行数值模拟，获得各工艺参数、板料厚度、晶粒尺寸、成形速度对制件回弹量以及弯曲力的影响规律，实现基于数值模拟的成形工艺优化。由于传统的金属塑性成形规律已不再适用于微尺度塑性成形，研究微塑性成形工艺设计的理论基础，探索金属微塑性成型技术特点，建立适合于微成形过程模拟的理论模型和模拟方法，实现基于数值模拟的成形工艺优化，对促进生产形状复杂的高强度微细零件，实现微型产品生产的经济型和产业化具有深远意义。1.2 同类研究工作国内外研究现状及待解决的问题1.2.1 国外研究现状传统

8、的塑性成形理论未将尺寸效应考虑在内，因此它不能直接用来分析微成形过程中的金属流动和模具设计等问题。近年来，国外一些研究工作者为解释材料在微尺度下的成形规律，发展了一批新的理论模型。位错滑移是晶体塑性变形的基本物理机理，微成形工艺中所表现出的两种不同的尺寸效应现象必定与金属晶体内的位错滑移密切相关。Geers等2 M.G.D. Geers, W.A.M. Brekelmans, P.J.M. Janssen, Size effects in miniaturized polycrystalline FCC samples: Strengthening versus weakening, Int

9、J Solids Struct 43(2006): 7304-7321. 2认为材料单个晶粒的晶粒位向、晶粒大小、材料厚度方向的晶粒个数以及边界约束条件等会对材料的尺寸效应产生影响，其中最关键的是晶粒位向。针对第一类“越小越弱”尺寸效应，U.Engel等3 U. Engel, R. Eckstein, Microforming - from basic research to its realization, J Mater Process Tech 125(2002): 35-44. 3提出了一个表面层模型，并基于该表面层模型提出了一个细观有限元模型来预测这种效应。当试样尺寸减小而其微观结构

10、保持不变时，试样表面的晶粒数目与试样内部的晶粒数目之比随之增加，由于试样表面上的晶粒所受的约束比试样内部的晶粒小，并且位错无法在试样表面塞积，从而使材料的加工硬化能力降低，导致材料流动应力下降，但该理论模型不能解释当厚度方向只有一个晶粒的情况。U.Engel44 U.Engel, M.Geiger. Simulation of Microforming Processes-An Advanced Approach Applying A Mesoscopic Model. ICIP. 2005. 在表面层模型的基础上建立了 Mesoscopic（中尺度）模型。材料的塑性变形主要受晶粒的尺寸和晶粒

11、的位置影响，在该模型中，材料被划分成单个晶粒并根据晶粒尺寸和位置的不同以及周围晶粒的不同从而具有各自的性能。Fleck 和 Hutchison5,5 N.A. Fleck, G.M. Muler, M.F. Ashby, J.W. Hutchinson, Strain gradient plasticity: theory and experiment, Acta Matall. 42(1994): 475-487. 6 N.A. Fleck, J.W. Hutchinson, Strain gradient plasticity, Adv Appl Mech 33(1997): 295-36

12、1. 6将Toupin-Mindin简化的偶应力理论推广到了塑性变形领域，与经典的J2形变理论结合，建立了唯象的应变梯度偶应力塑性理论，并采用位错理论对其细观机理进行了解释。该理论中引入了一个材料特征尺寸常数称为内禀尺寸l，并利用旋转梯度和传统应变重新定义了等效应变。P.Picart7 J.F.Michel, P.Picart. Modelling the constitutive behavior of thin metal sheet using strain gradient theory. Journal of Materials Processing Technology. 2002

13、,125-126:164169.7基于应变梯度塑性理论模拟了非常薄的板料中材料的本构行为，并引入了内禀长度参数。采用只与积分点纵坐标有关的插值矩阵计算在厚度方向上的每个积分点上的梯度，通过连续的迭代求解计算有效塑性应变，给出了两组弯曲的数值模拟的结果，结果表明采用新模型模拟得到的流动应力曲线与实验得到的流动应力曲线吻合很好。经过大量的实验研究表明，微弯曲成形存在着明显的不同于宏观弯曲成形规律的尺寸效应现象。Raulea8L.V.Raulea, A.M.Goijaerts, L.E.Govaert, F.P.T.Baaijens. Size effects in the processing o

14、f thin metal sheets. Journal of materials processing technology. 2001, (115): 4448. 9L.V.Raulea, L.E.Govaert, F.P.T.Baaijens. Grain and specimen size effects in processing metal sheets. Proceedings of the 6thICTP. 1999: 1924. 8,9对1mm厚的铝板进行了弯曲实验，发现当晶粒尺寸小于板料厚度时，随着晶粒尺寸的减小，屈服强度和抗拉强度增大。当板料厚度方向上只有一个晶粒时，屈服

15、强度随着晶粒尺寸的增大而增大。Kals1010 T.A.Kals, Ralf Eckstein. Miniaturization in sheet metal working. Journal of Processing Technology. 2000, (103): 95101. 等通过弯曲实验研究了 CuNi18Zn20薄板成形中的尺寸效应，他们发现当晶粒尺寸较小时，随着比例因子的减小，弯曲力减小；当晶粒尺寸较大时，并没有发生这种现象48-49。Gua11Springback behavior of brass in micro sheet formingJenn-Terng Gau,

16、Chris Principe, Miao Yu11等人设计了简易的三点弯曲模具，通过对退火处理的黄铜箔进行三点弯曲实验，以研究回弹量随T/D(板厚/平均晶粒尺寸)的变化规律。研究结果表明：板厚小于350m时，传统的塑性弯曲回弹理论不再适用于黄铜箔回弹规律，其回弹量是相对厚度的T/D的函数，且回弹量随着T/D的增大而减小，且当T/D>1时，屈服强度随T/D的减小而减小，T/D<1时，弯曲屈服强度和偏差随着T/D的减小而增大。德国的Geige12 M. Geiger, A. Mebner, U. Engel. Design of microforming process一fundame

17、ntals,Material data and friction behaviorC. The 9th International Cold Forging Congress, Solihull, UK, 1995:69-74不知道那个是对的12教授等人采用三点弯曲模具对金属箔进行弯曲变形试验，研究了尺寸效应现象。研究结果表明：金属箔板厚度与晶粒尺寸比是影响弯曲力的主要因素。当金属板厚度与晶粒尺寸相当时，弯曲力随着弯曲件尺寸的减小而增大，且回弹量随着几何因子的减小而增大；当金属板厚度明显大于晶粒尺寸时，微弯曲过程中的尺寸效应现象类似于微拉伸尺寸效应。M.H.Fu1313M.H. Fu, K.C

18、. Chan, W.B. Lee, L. K. Chan. Springback in the roller forming of integrated circuit leadframes. Journal of Materials Processing Technology. 1996, 3: 107111. 等设计了一悬臂式成形夹具，用来研究不同模具半径、模具角度和模具间隙下钢合金和铜合金的窄带材回弹行为，研究结果表明：随着模具半径、模具角度和模具间隙等的增大，回弹增大，各向异性将导致材料各方向上不同的回弹行为。Chan114Chan K C, Wang S H. The Grain S

19、hape Dependence of Springback of Integrated Circuit Leadframes. Material Science and Engineering. 1999, A270: 323329. 4提出了一平面应力的松弛约束模型，其中考虑了晶体组织和晶粒形状等因素，结果发现尽管模型预测的趋势和没有考虑晶粒形状的情况下的回弹趋势一致，但是晶粒形状对回弹值有较大的影响，松弛约束模型预测的回弹角小于全约束模型，而且前者和实验吻合得更好，研究还发现，环向和径向应力越小，回弹角越小。Chan15 Chan K C, Wang S H. Theoretical An

20、alysis of Springback in Bending of Integrated Circuit Leadframes. Journal of Materials Processing Technology. 1999, 91: 111115. 15还提出了考虑各向异性影响的应变强化平面应力弯曲模型，以此预测窄带材成形行为和回弹行为，尽管结果有些偏差，尤其是在弯曲角很小时，一般来说，微弯曲成形的零件材料大多处于弹塑硬化状态，各向异性的影响比宏观成形更为显著，如沿着轧制方向弯曲的回弹要比沿与轧制方向垂直的方向弯曲的回弹大，因此要修正该模型，还需考虑摩擦和各向异性的影响。1.2.2 国内

21、研究现状由于国内在微成形技术方面的研究起步较晚，不管是在微型产品的加工制造还是微塑性成形的理论研究均落后于国际水平，目前还主要处于理论研究和实验研究阶段，但已日益受到国内研究学者的重视。在微塑性成形理论模型方面，考虑微成形过程的成形特点，清华大学的曾攀教授研究了超导带材微成形工艺的多晶体塑性耦合行为表征和计算建模，并提出和研究了宏域微成形原理16-1816 赵迎红, 雷丽萍, 曾攀, 微塑性成形技术及其力学行为特征, 塑性工程学报(2005): 1-6+16. 17 曾攀, 石刚, 娄路亮, 精确成形制造中的高梯度特征与数值模拟的发展趋势, 中国机械工程(2003). 18 曾攀, 卢永进,

22、雷丽萍, 赵迎红, 方刚, 宏域微成形与铋系超导带材的加工, 锻压技术(2007): 125-128+135. 。上海交通大学的董湘怀19 马宁，董湘怀.微细塑性成形计算机模拟技术研究.华中科技大学学报.2005, 4(33): 7375.19在分析了应变梯度塑性理论的发展及其应用的基础上，利用ABAQUS/Standard的用户材料子程序UMAT编写程序，并运用编写的程序模拟了薄悬臂梁的微弯曲情况，与实验结果比较分析，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，在卸去载荷后发现梁越薄，回弹越大，且符合实验结果。李河宗等人220李河宗,董湘怀,申昱.采用应变梯度硬化模型预测黄铜薄

23、板微弯曲弯矩.上海交通大学学报(2011):1668-16720在应变梯度理论的基础上，采用经典塑性理论和几种不同的应变梯度塑性理论对微弯曲弯矩进行了预测，并与黄铜箔弯曲实验结果对比。结果表明：修正的Nix-Gao模型的预测结果更接近于实验结果,并且得出了合理的内禀尺寸表达式；该内禀尺寸与材料的剪切模量、初始屈服强度、柏氏矢量和板料厚度方向上的孪晶数有关。中科院力学所的王自强等2121 冯秀艳, 郭香华, 方岱宁, 王自强, 微薄梁三点弯曲的尺度效应研究, 力学学报 39(2007): 479-485. 对微成形领域应变梯度塑性理论进行了研究。应用Fleck和Hutchinson的偶应力理论,

24、结合平面应变弯曲模型,建立了薄梁处于弹性状态和弹塑性状态的控制方程,应用Runge-Kutta法进行数值求解,并将计算得到的载荷-挠度曲线以及无量纲化弯矩-表面应变曲线和实验结果进行了比较。结果表明：应用偶应力理论预测的结果和实验结果符合良好。哈尔滨工业大学的郭斌教授222王春举,汪鑫伟,郭斌,等,C2680黄铜箔微弯曲回弹规律研究J.材料科学与工艺,2009,17(1):5-7.2等对超塑性材料的塑性微成形变形规律进行了研究。设计了一套三点弯曲模具，对C2680黄铜箔进行了三点弯曲正交试验。研究表明：坯料厚度、弯曲半径、相对厚度对回弹量的大小有影响，其中坯料厚度对回弹的影响程度最大。南京航空

25、航天大学的童国权教授223 赵亚西, 童国权, 李凡国, 尺寸效应对黄铜镦粗微成形影响规律的研究, 电加工与模具(2006): 44-46+49. 3对微型H62黄铜圆柱进行了室温压缩实验，结果表明：由于尺寸效应影响，随着板料尺寸减小，材料的流动应力表现出明显的减小趋势。1.2.3 待解决问题1） 微弯曲过程中存在着明显的尺度效应现象，由于基于连续介质的传统塑性成形理论中不包含材料的特征尺寸量，其无法描述金属塑性微弯曲过程中所表现的尺寸效应现象。因此，基于传统的金属塑性理论，建立微塑性弯曲回弹预测模型，为实际生产应用的定量分析提供可能性。2） 金属箔在冲压成型过程中会出现回弹现象，回弹问题的存

26、在会影响微件的成形质量。因此，研究不同晶粒尺寸、不同板料厚度、不同弯曲半径弯曲角以及成形速度对金属箔回弹量和弯曲力的影响规律，实现准确预测制件的回弹量，以便有效控制、补偿回弹量以及进行模具设计。1.3 参考文献1 Geiger M, Merklein M, TolazziM. Metal forming ensures innovation and future in EuropeC.Proceeding of the8th International Conference on Technology of Plasticity.Verona,Italy,2005.2 M.G.D. Geers

27、, W.A.M. Brekelmans, P.J.M. Janssen. Size effects in miniaturized polycrystalline FCC samples: Strengthening versus weakening, Int J Solids Struct 43(2006): 7304-7321. 3 U. Engel, R. Eckstein, Microforming from basic research to its realization, J Mater Process Tech 125(2002): 35-44. 4 U.Engel, M.Ge

28、iger. Simulation of Microforming Processes-An Advanced Approach Applying A Mesoscopic Model. ICIP. 2005. 5 N.A. Fleck, G.M. Muler, M.F. Ashby, J.W. Hutchinson, Strain gradient plasticity: theory and experiment, Acta Matall. 42(1994): 475-487. 6 N.A. Fleck, J.W. Hutchinson, Strain gradient plasticity

29、, Adv Appl Mech 33(1997): 295-361. 7 J.F.Michel, P.Picart. Modelling the constitutive behavior of thin metal sheet using strain gradient theory. Journal of Materials Processing Technology. 2002,125-126:164169.8 L.V.Raulea, A.M.Goijaerts, L.E.Govaert, F.P.T.Baaijens. Size effects in the processing of

30、 thin metal sheets. Journal of materials processing technology. 2001, (115): 4448.9 L.V.Raulea, L.E.Govaert, F.P.T.Baaijens. Grain and specimen size effects in processing metal sheets. Proceedings of the 6thICTP. 1999: 1924.10 T.A.Kals, Ralf Eckstein. Miniaturization in sheet metal working. Journal

31、of Processing Technology. 2000, (103): 95101. 11 Jenn-Terng Gau, Chris Principe, Miao Yu.Springback behavior of brass in micro sheet forming 12 M. Geiger, A. Mebner, U. Engel. Design of microforming process-fundamentals,Material data and friction behaviorC. The 9th International Cold Forging Congres

32、s, Solihull, UK, 1995:69-7413 M.H. Fu, K.C. Chan, W.B. Lee, L. K. Chan. Springback in the roller forming integrated circuit leadframes. Journal of Materials Processing Technology. 1996, 3: 107111. 14 Chan K C, Wang S H. The Grain Shape Dependence of Springback of Integrated Circuit Leadframes. Mater

33、ial Science and Engineering. 1999, A270: 323329. 15 Chan K C, Wang S H. Theoretical Analysis of Springback in Bending of Integrated Circuit Leadframes. Journal of Materials Processing Technology. 1999, 91: 111115. 16 赵迎红, 雷丽萍, 曾攀, 微塑性成形技术及其力学行为特征, 塑性工程学报(2005): 1-6+16. 17 曾攀, 石刚, 娄路亮, 精确成形制造中的高梯度特征与

34、数值模拟的发展趋势, 中国机械工程(2003). 18 曾攀, 卢永进, 雷丽萍, 赵迎红, 方刚, 宏域微成形与铋系超导带材的加工, 锻压技术(2007): 125-128+135. 19 马宁, 董湘怀.微细塑性成形计算机模拟技术研究.华中科技大学学报.2005, 4(33): 7375.20 李河宗,董湘怀,申昱.采用应变梯度硬化模型预测黄铜薄板微弯曲弯矩.上海交通大学学报(2011):1668-167221 冯秀艳, 郭香华, 方岱宁, 王自强.微薄梁三点弯曲的尺度效应研究, 力学学报 39(2007): 479-48522 王春举,汪鑫伟,郭斌等.C2680黄铜箔微弯曲回弹规律研究J

35、.材料科学与工艺,2009,17(1):5-7.23 赵亚西, 童国权, 李凡国. 尺寸效应对黄铜镦粗微成形影响规律的研究, 电加工与模具(2006): 44-46+49. 2、 项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题2.1 项目的研究内容1） 对不同厚度的金属箔进行固溶处理，获得一定晶粒尺寸的金属箔对厚度为20m、50m、100m、200m、250m进行不同温度固溶处理，然后对所得到的金属箔试样进行单向拉伸试验，获得金属箔的真实应力-应变关系，为微弯曲数值模拟研究提供材料性能参数。2） 基于传统的塑形弯曲回弹理论与应变梯度塑性理论，建立微尺度下弯曲回弹预测模型由于微塑性成形受到尺寸效

36、应的影响，致使传统的金属塑性成形规律已不再适用于微尺度塑性成形，因此需建立考虑尺度效应的微弯曲回弹预测模型。3） 设计V弯曲模具，对不同厚度、不同晶粒尺寸的金属箔进行微弯曲试验设计一套典型的V型微弯曲模具（三副不同弯曲角、弯曲半径），并基于JP-504超精密伺服冲压试验机平台，对SUS304不锈钢薄板进行微弯曲实验。4） 研究不同影响因素对金属箔回弹量以及弯曲力的影响规律采用数值模拟与实验研究相结合的方法研究金属箔弯曲成形过程，研究不同晶粒尺寸、不同板料厚度、不同弯曲半径弯曲角以及成形速度对金属箔回弹量和弯曲力的影响规律。2.2 项目的研究目标微塑性成形技术作为塑性加工领域的新课题，其具有成本低、效率高、周期短且成形件强度高等优点，因此在微小零件批量生产方面具有广阔的应用前景。微弯曲成形作为微塑性成形的重要组成部分在实际生产中应用非常广泛。因此，通过V型微弯曲模具，对金属箔弯曲成形过程的回弹进行研究，研究不同工艺参数、材料参数对微弯曲件回弹量的影响规律，以便实现准确预测制件的回弹量，有效控制、补偿回弹量以及进行模具设计。2.3 项目拟解决的关键问题1） 通过单拉试验，获得金属薄板的材料性能参数，构建微弯曲理想弹塑性线性强化应力应变关系分析模型。2） 设计和制造V型微弯曲模具，并安装能测量微弯曲弯曲力的传感器，研究坯料厚度、晶粒尺寸和弯曲半径对SUS304不锈