微/介观尺度下薄板成形建模分析与实验研究

论文摘要

近年来,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。这些要求加速了电子工业及精密机械的飞速发展,微型产品被越来越广泛地应用于移动电话、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。据估计在过去的几年中,由于微型化概念带来的微细产品交易已经高达几十亿美元。产品微细化趋势做对微细加工技术提出了新的要求。微细成形工艺是一种重要的微细加工工艺,适合低成本、大批量的工业生产。但是由于加工尺度的减小,导致微细成形工艺中出现了有别于传统宏观加工的尺度效应现象,这使得传统宏观成形加工中成熟的工艺理论和技术不能直接应用于微细成形工艺工领域中,严重制约了微细制造产业的发展。本文以微细薄板冲压成形工艺为研究对象,围绕微细成形工艺中存在的尺度效应问题展开分析和研究,引入尺度效应影响因子,建立适合微细成形工艺分析的微细材料本构模型和微细摩擦模型;利用实验分析和有限元仿真相结合的方法,探索微细薄板材料软模成形工艺规律,研究了成形工艺中摩擦的尺度效应现象。本文的研究成果主要集中在以下几个方面:1)微细成形工艺中材料尺度效应研究及本构模型首先分析了微细成形工艺中材料表现出尺度效应的原因,借鉴材料表面层模型,把组成材料的晶粒分成表面层晶粒和内部晶粒,结合材料在晶内和晶界变形理论,引入描述材料尺度效应参数,提出了用于描述微细材料变形的材料应力应变混合模型;并通过不同尺度铜圆柱压缩实验和铝薄板材料实验数据验证了该材料模型的准确性。文中还通过不同尺度的不锈钢薄板材料组合单向拉伸实验,研究了不锈钢薄板材料微细加工尺度下的性能,并建立相应的材料本构模型。2)微细成形工艺中摩擦建模与分析微细成形工艺中除了材料尺度效应现象外,也存在摩擦尺度效应。利用开口和闭口润滑模型,定性地揭示了微细成形中摩擦尺度效应产生的原因;基于Wanheim/Bay摩擦模型,通过引入尺度系数λ,建立了微细成形中的摩擦尺度效应模型;利用该模型,分析摩擦界面的实际接触面积随接触面尺度变化的规律,建立了摩擦接触表面法向力与摩擦实际接触面积之间的关系,分析了加工尺度变化对摩擦模型的影响规律;为了利用有限元方法分析微细成形工艺中的摩擦尺度效应,提出了等效摩擦模型,并结合有限元分析软件,对微细圆环压缩工艺进行了仿真模拟,通过数值模拟揭示了微成形工艺中微摩擦对工艺的影响。3)微细薄板软模成形工艺数值仿真建模与成形工艺分析以软模薄板微细冲压成形工艺为研究对象,采用超弹性模型（Mooney-Rivlin）为软模材料的模型,建立了微细薄板软模成形的仿真分析模型。讨论了仿真模型中的材料、单元、接触和载荷与边界条件的定义,提出了微细薄板软模成形的仿真建模方法。建立了三种不同深径比（ h /w）的仿真模型,在此基础上对软模成形的工艺参数:材料因素、软模硬度和摩擦条件分别做了详细的讨论,分析了工艺参数对成形工艺的影响,揭示了不同深径比（ h /w）和模具过渡圆角对成形性能的影响规律。4)微细薄板软模成形工艺与微细摩擦的实验研究文中设计了不同几何结构参数、粗糙度的槽形刚性模具,并分别在不同压力（20KN、60KN和100KN）的作用下,对软模成形工艺进行了具体的实验研究。验证了本文建立仿真模型的准确性;为了研究微细成形中的摩擦尺度效应,设计了三种不同宽度的薄板实验试样（ w1 = 10mm, w2 = 2.83mm和w3 = 0.8mm）,通过实验研究了薄板微细成形中存在的微摩擦尺度效应,并利用实验与仿真分析对比的方法,对成形工艺中不同尺度、粗糙度的接触表面的等效摩擦系数进行了计算,总结了摩擦接触表面粗糙度、接触面法向力和接触表面尺度对等效摩擦系数的影响规律。本文围绕微细成形工艺中两种尺度效应现象,对微细成形中材料尺度效应及本构建模、微细成形中摩擦尺度效应及摩擦模型建模、微细薄板软模成形工艺仿真建模、成形工艺分析以及成形工艺实验等四个方面的内容展开了研究。本文的研究将为微细成形工艺与理论方面进一步的研究提供一些参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 微细成形的研究现状综述
• 1.2.1 微细成形的尺度效应
• 1.2.2 微细成形工艺研究
• 1.2.3 微细成形数值仿真研究
• 1.3 研究现状总结
• 1.4 本文研究目标、研究内容
• 1.4.1 本文研究主要目标
• 1.4.2 本文研究主要内容
• 第二章 微细成形工艺中材料本构建模与分析
• 2.1 引言
• 2.2 微细加工中的尺度效应
• 2.3 尺度效应对材料流动应力的分析
• 2.3.1 传统多晶体材料本构模型
• 2.3.2 微细成形中的材料晶粒边界模型
• 2.3.3 微细成形中的材料表面层模型
• 2.3.4 微细成形中材料流动应力的混合本构模型
• 2.4 微细SUS304 不锈钢薄板流动应力实验与分析
• 2.4.1 实验试样设计及制备
• 2.4.2 薄板特征尺度对材料性能的影响
• 2.5 微细成形材料模型的运用
• 2.5.1 微细挤压工艺中的尺度效应分析
• 2.5.2 微细冲压工艺中的尺度效应分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 微细成形工艺中摩擦建模与分析
• 3.1 引言
• 3.2 微细成形中的摩擦尺度效应
• 3.3 基于开闭模型的微细摩擦建模
• 3.3.1 传统成形工艺中摩擦模型
• 3.3.2 微细成形摩擦的开闭模型
• 3.3.3 微细摩擦建模
• 3.3.4 微细摩擦模型的讨论
• 3.4 圆环压缩数值模拟结果与分析
• 3.4.1 微摩擦对圆环压缩成形的分析建模
• 3.4.2 分析结果讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 微细薄板软模成形仿真建模与分析
• 4.1 引言
• 4.2 软模成形技术概述
• 4.3 聚氨酯软模超弹性材料本构
• 4.3.1 模超弹性材料本构模型
• 4.3.2 软模超弹性本构模型理论
• 4.3.3 Mooney-Rivlin 超弹性本构参数确定
• 4.4 微细薄板软模成形过程数值仿真建模
• 4.4.1 材料模型输入
• 4.4.2 单元类型
• 4.4.3 接触模型选择
• 4.4.4 载荷与边界条件的定义
• 4.5 仿真结果分析与讨论
• 4.5.1 微细薄板软模成形工艺讨论
• 4.5.2 微细薄板软模成形工艺参数研究
• 4.6 本章小结
• 第五章 微细薄板软模成形实验与微细摩擦尺度效应研究
• 5.1 引言
• 5.2 薄板软模成形实验
• 5.3 成形工艺实验结果分析
• 5.4 微细摩擦尺度效应实验研究
• 5.4.1 实验方案
• 5.4.2 实验试样
• 5.4.3 实验结果与讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要工作总结与结论
• 6.2 本文研究的创新点
• 6.3 今后研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文