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微体积成形工艺的数值建模及尺寸效应研究

郑伟  
【摘要】: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。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的特点引起了国内外学者和生产商的广泛关注。但是由于尺寸效应的存在,成熟的宏观成形理论不能直接应用于指导微塑性成形工艺,从而制约了微塑性成形产业的发展。 本文以微体积成形工艺为研究对象,对由于尺寸微小化而引起的材料和摩擦方面的尺度效应问题进行研究,引入尺寸参数,建立适合微体积成形的材料模型和摩擦模型;设计并开展纯铜微镦粗实验和柱式微特征模压实验,对由尺寸微小化而引起的尺度效应进行分析;利用所建立的模型对柱式微特征模压过程进行数值模拟,并结合实验结果对微特征模压过程的成形机理以及成形中的尺寸效应问题进行系统的研究。主要研究成果如下: 通过位错塞积理论、表面层理论和金属晶体塑性变形原理解释了材料产生尺寸效应的内在机理;引入尺度参数,建立了考虑晶界强化和表面层理论的复合材料模型,并通过实验数据验证该材料模型的准确性。同时本文还根据晶粒形状和取向分布,将分析体划分为晶粒区域和晶界区域,建立了考虑晶界强化和表面层理论的区域化模型,利用此模型对微镦粗过程进行数值模拟,模拟结果与实验结果的对比验证了该区域化模型的合理性。 分析微塑性成形中干摩擦行为的特点,推导出基于Wanheim/Bay摩擦模型的常剪切摩擦模型和库伦摩擦模型,两种模型均适用于无润滑或固体润滑条件下的微塑性成形的摩擦模型,并结合实验数据验证该材料模型的合理性:利用基于Wanheim/Bay摩擦模型的库伦摩擦模型和考虑晶界强化和表面层理论的区域化模型借助于有限元模拟手段对无润滑条件下微镦粗过程中由晶粒分布、试样尺寸和变形量引起的摩擦方面的尺寸效应问题进行研究。 设计纯铜微镦粗实验,对成形过程中由于平均晶粒尺寸和试样尺寸变化引起的材料方面的尺寸效应问题进行分析。同时本文还利用考虑晶界强化和表面层理论的复合材料模型结合不同尺度试样的镦粗实验数据对纯铜本构关系进行求解。 设计了详细的方案,系统地对柱式微特征模压工艺进行了实验研究。总结了摩擦条件,坯料尺寸、成形载荷等工艺参数对微特征的成形性的影响。对柱式微特征模压过程中由微孔直径、晶粒分布和晶粒取向造成的尺寸效应进行了详细分析。 分析了闭式微塑性成形的特点,并利用修正的Hall-Petch公式推导出适合闭式微塑性成形的材料本构模型;通过算例分析验证了在闭式微塑性成形过程中选择基于实验数据的材料模型和常剪切摩擦模型的可行性,并借助数值模拟手段讨论了试样厚度、摩擦条件和微孔直径三个重要的工艺参数对微特征的成形性的影响。根据微特征成形的特点,建立了考虑表面层晶粒取向和晶界强化的区域化模型,对柱式微特征成形过程进行数值模拟;并结合实验现象对微特征成形中出现的由平均晶粒尺寸和微孔尺寸变化引起的尺寸效应问题进行系统地分析。


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