原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú) 立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不 包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的科研成果。對(duì)本文的研 究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明 的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名：昊i 盞日期：絲! 翌：竺：趔 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人完全了解山東大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué) 校保留或向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論 文被查閱和借閱；本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分 內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段 保存論文和匯編本學(xué)位論文。 ( 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 論文作者簽名： 曼溘 導(dǎo)師簽日 目錄 目錄 目錄i c o n t e n t s i 摘 要i a b s t r a c t 一i 第1 章 緒論一l 1 1 引言1 1 2微塑性成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀l 1 2 1 微體積成形的工藝研究2 1 2 2 微成形的尺寸效應(yīng)研究4 1 2 3 數(shù)值模擬技術(shù)在微成形中的應(yīng)用6 1 3 選題的意義及主要研究?jī)?nèi)容9 1 3 1 選題的意義一9 1 3 2 主要研究?jī)?nèi)容1 0 第2 章微細(xì)特征模壓成形工藝的實(shí)驗(yàn)研究1 1 2 1 引言1 1 2 2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)1 1 2 2 1 實(shí)驗(yàn)方法選擇1 1 2 2 2 實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)與制造1 2 2 2 3 坯料的制備與預(yù)處理1 3 2 3微細(xì)特征模壓成形實(shí)驗(yàn)研究l5 2 3 1 成形力對(duì)模壓成形高度的影響1 5 2 3 2 微特征尺寸對(duì)模壓成形高度的影響1 6 2 3 3 材料塑性條件對(duì)模壓成形高度的影響1 7 2 3 4 摩擦條件對(duì)模壓成形高度的影響18 2 3 5 坯料尺寸對(duì)模壓成形高度的影響1 9 2 4 本章小結(jié)2 l 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 第3 章剛塑性有限元基本理論及軟件系統(tǒng)2 3 3 1引言2 3 3 2塑性成形過(guò)程研究方法2 3 3 3剛塑性有限元基本理論2 5 3 3 1 剛( 粘) 塑性材料的基本假設(shè)2 5 3 3 2 塑性力學(xué)基本方程及邊值條件2 6 3 3 3 剛( 粘) 塑性材料的變分原理2 6 3 3 4 摩擦邊界條件2 8 3 3 5 動(dòng)態(tài)接觸邊界條件的處理2 9 3 3 6 網(wǎng)格重新劃分3 0 3 4 相關(guān)軟件介紹3 0 3 4 1 造型軟件3 0 3 4 2 數(shù)值模擬軟件31 3 5本章小結(jié)3 5 第4 章微細(xì)特征模壓成形規(guī)律數(shù)值模擬3 7 4 1 引言一3 7 4 2細(xì)柱微特征模壓成形數(shù)值模擬3 7 4 2 1 有限元模型的建立3 7 4 2 2 細(xì)柱微特征模壓成形模擬結(jié)果與分析3 9 4 3薄筋微特征模壓成形規(guī)律數(shù)值模擬4 5 4 3 1 有限元模型的建立4 5 4 3 2 薄筋微特征模壓成形模擬結(jié)果與分析4 5 4 4數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比5 2 4 5 本章小結(jié)5 3 第5 章微細(xì)特征模壓變形機(jī)理及提高成形性工藝措施5 5 5 1 引言一5 5 5 2 微細(xì)特征模壓變形機(jī)理5 5 5 3微細(xì)特征模壓成形提高工藝性措施研究6 3 目錄 5 3 1 有限元模型的重建立6 3 5 3 2 提高工藝性措施方案設(shè)計(jì)6 4 5 3 3 模擬結(jié)果分析6 5 5 4 本章小結(jié)6 7 第6 章結(jié)論與展望6 9 6 1 結(jié)論。6 9 6 2 展望7 0 參考文獻(xiàn)7 3 致謝7 7 1 1 1 山東大學(xué)碩十學(xué)位論文 i v c o n t e n t s c o n t e n t s c o n t e n t s ( c h i n e s e ) i c 0 l n t e n t s ( e n g l i s h ) i a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i u c h a p t e r li n t r o d u t i o n 1 1 1 f o r e w o r d s 1 1 2p r e s e n ts i t u a t i o no f m i c r op l a s t i cf o r m i n gt e c h n i q u e 1 1 2 1r e s e a r c ho f m i c r ob u l kf o r m i n gp r o c e s s 2 1 2 2r e s e a r c ho f m i c r o f o r m i n gs i z ee f f e c t 4 1 2 3 a p p l i c a t i o no f n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nm i c r o f o r m i n g 6 1 3 s i g n i f i c a n c ea n dc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o n 9 1 3 1 s i g n i f i c a n c eo f t h ed i s s e r t a t i o n 一9 1 3 2c o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o n 1 0 c h a p t e r 2e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nc o i n i n gw i t hm i c r o - f e a t u r e 1 l 2 1 f o r e w o r d s ll 2 2 d e s i g no fe x p e r i m e n t a ls c h e m e 11 2 2 1c h o i c eo f e x p e r i m e n t a lm e t h o d s 11 2 2 2 d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fe x p e r i m e t a lm o l d 12 2 2 3 p r e p a r a t i o na n da n n e a l l i n go fs p e c i m e n 。13 2 3 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nc o i n i n gw i t hm i c r o f e a t u r e 15 2 3 1 f o m i n gf o r c e si m p a c to nc o i n i n gh e i g h t 15 2 3 2m i c r o - f e a t u r es i z e si m p a c to nc o i n i n gh e i g h t 1 6 2 3 3m a t e r i a lp l a s t i cc o n d i t i o n si m p a c to nc o i n i n gh e i g h t 17 2 3 4f r i c t i o nc o n d i t i o n si m p a c to nc o i n i n gh e i g h t 一18 2 3 5b l a n ks i z e si m p a c to nc o i n i n gh e i g h t 19 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 4 s u m m a r y 2 1 c h a p t e r 3 b a s i ct h e o r yo f r i g i dp l a s t i cf e ma n ds o f t w a r es y s t e m 2 3 ：；1 f o r e w o r d 2 3 ：；2r e s e a r c hm e t h o d si nm e t a lf o r m i n gp r o c e s s 2 3 3 3b a s i ct h e o r yo f r i g i dp l a s t i cf e m 2 5 3 3 1b a s i ca s s u m p t i o n so f r i g i d ( v i s c o ) 一p l a s t i cm a t e r i a l s 2 5 3 3 2f u n d a m e n t a le q u a t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o n so fp l a s t i cm e c h a n i c2 6 3 3 3v a r i a t i o np r i n c i p l eo f r i g i d ( v i s c o ) - p l a s t i cm a t e r i a l s 2 6 ：；3 4f r i c t i o nb o u n d a r yc o n d i t i o n s 2 8 3 3 5 d y n a m i cc o n t a c tb o u n d a r yc o n d i t i o n s 2 9 3 3 6g r i d s r e d i v i s i o n 3 0 3 4i n t r o d u t i o no f s o f t w a r es y s t e m 3 0 3 4 1 m o d e l i n gs o f t w a r e 3 0 3 4 2n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e 3l 3 5 s u m m a r y 3 5 c h a p t e r 4n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd e f o r m a t i o nl a wo nc o i n i n gw i t hm i c r o s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c 3 7 4 1 f o r e w o r d s 3 7 4 2n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fo nc o i n i n gw i t hm i c r o - c y l i n d e r 3 7 4 2 1 e s t a l ：i l i s h m e n to tf e mm o d e l 3 7 4 2 2n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i so fc o i n i n g 謝t l lm i c r o - c y l i n d e r 3 9 4 3n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f o nc o i n i n gw i t ht h i nb a r 4 5 4 3 1e s t a b l i s h m e n to tf e mm o d e l 4 5 4 3 2n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i so fc o i n i n gw i t ht h i nb a r 4 5 4 4 c o n t r a s to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s 5 2 4 5 s u m m a r y 5 3 c h a p t e r 5d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc o i n i n gw i t hm i c r o s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i ca n d n c o n t 日、t s m e s l l r e so fi m p r o v i n gc o i n i n gp r o c e s s f o r m a b i l i t y 5 5 5 1f o r e w o r d s 5 5 5 2 d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc o i n i n gw i t hm i c r o s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c 5 5 5 3r e s e a r c ho f m e s u r e so fi m p r o v i n gc o i n i n gp r o c e s s f o r m a b i l i t y 。6 3 5 3 1r e - e s t a b l i s h m e n to ff e mm o d e l 6 3 5 3 2 d e s i g no f i m p r o v i n gc o i n i n gp r o c e s s f o r m a b i l i t y 6 4 5 3 3n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 6 5 5 4 s u m m a r y 6 7 c h a p t e r 6 c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 6 9 6 1 c o n c l u s i o n 6 9 6 2 p r o s p e c t 7 0 r e f e r e n c e s 7 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 7 1 1 i 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 微細(xì)特征模壓成形實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬 摘要 隨著微系統(tǒng)技術(shù)( m s t ) 、微機(jī)電系統(tǒng)( m e m s ) 的產(chǎn)業(yè)化，微細(xì)加工技術(shù)成 為機(jī)械制造領(lǐng)域新的研究與應(yīng)用熱點(diǎn)。而微塑性成形技術(shù)以其高生產(chǎn)率、低材料 損失、產(chǎn)品力學(xué)性能優(yōu)秀和誤差小等特點(diǎn)在微細(xì)零件和具有微細(xì)特征構(gòu)造的零件 的加工領(lǐng)域中占很大比例。由于加工對(duì)象尺寸微小，微塑性成形技術(shù)存在不同于 宏觀成形的規(guī)律。本文采用實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究分析 微細(xì)特征模壓成形中的基本規(guī)律和內(nèi)在機(jī)理。 設(shè)計(jì)并加工帶有微孔和微槽的精密模壓模具。以塑性較好的純銅為試驗(yàn)材料， 對(duì)細(xì)柱和薄筋兩種典型的微細(xì)特征進(jìn)行模壓成形實(shí)驗(yàn)，將微細(xì)特征的成形高度作 為模壓成形難易程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得到不同成形力、試樣熱處理狀態(tài)、坯料尺寸、 微細(xì)特征尺寸以及摩擦條件等因素下微細(xì)特征模壓的成形規(guī)律。 通過(guò)純銅性能單向壓縮實(shí)驗(yàn)得到實(shí)驗(yàn)條件下的純銅流動(dòng)應(yīng)力曲線，建立有限 元模型，利用有限元分析軟件模擬微細(xì)特征模壓成形過(guò)程，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié) 出不同坯料尺寸、微細(xì)特征尺寸、摩擦條件以及凹模圓角半徑等因素下微細(xì)特征 模壓的成形規(guī)律。 結(jié)合有限元模擬結(jié)果，對(duì)影響微細(xì)特征模壓成形的坯料尺寸、微細(xì)特征尺寸、 摩擦條件以及圓角半徑等參數(shù)進(jìn)行分析。根據(jù)坯料局部變形方式的不同，引入變 形區(qū)域的概念；通過(guò)對(duì)變形區(qū)域材料的場(chǎng)量分析，揭示不同成形參數(shù)下微細(xì)特征 模壓變形的內(nèi)在機(jī)理；并以有效降低成形力為目標(biāo)，研究探討提高微細(xì)特征成形 性的工藝措施。本文可為微體積成形及其他微成形工藝的實(shí)際生產(chǎn)提供參考。 關(guān)鍵詞微細(xì)成形；模壓；有限元模擬；成形規(guī)律；變形機(jī)理 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nc o i n i n gw i t hm i c r o f e a t u r ea n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ei n d u s t r i a l i z a t i o no fm i c r os y s t e mt e c h n o l o g y ( m s t ) a n dm i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) ，m i c r op r o c e s s i n gt e c h n o l o g yb e c o m e san e wr e s e a r c h a n da p p l i c a t i o nh o ts p o ti nt h ef i e l do fm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n g b e s i d e s ，d u et oi t s h i g hp r o d u c t i v i t y , l o wm a t e r i a ll o s s e s ，f i n ep r o d u c tq u a l i t ya n da c c u r a c y , t h em i c r o p l a s t i cf o r m i n gt e c h n o l o g yo c c u p i e sal a r g ep r o p o r t i o ni nt h i sa r e aw h e r em i c r op a r t s a n d p a r t sw i t hm i c r of e a t u r e sw e r ep r o c e s s e d h o w e v e r , b e c a u s et h es i z eo fs p e c i m e ni n p r o c e s s i n ga r ee x t r e m e l ys m a l l ，t h el a wi nm i c r op l a s t i cf o r m i n gt e c h n o l o g yi sd i f f e r e n t f r o mm a c r op l a s t i cf o r m i n g i nt h i st h e s i s ，t h eb a s i cl a wa n dm e c h a n i s mi nc o i n i n gw i t h m i c r o s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea c c o m p l i s h e db ye x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n f i r s t ，t h ep r e c i s i o nc o i n i n gm o l dw i t hm i c r o - h o l ea n dm i c r o - s l o tw e r ed e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e d a n d ，u s i n gp u r ec o p p e ra st h et e s tm a t e r i a l sb e c a u s eo fi t sb e t t e r p l a s t i c i t y , t h em i c r o c y l i n d e ra n dt h i n b a rw h i c ha r et w ot y p i c a lm i c r of e a t u r e sw e r e c o i n e di nt h ee x p e r i m e n t s t h e nt h eh e i g h to fm i c r o - f e a t u r ew a ss e l e c t e da s t h e e v a l u a t i o nc r i t e r i af o rt h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o r t h ei n f l u e n c e so ff o r m i n gl o a d ，h e a t t r e a t m e n tc o n d i t i o n ，s i z eo f s p e c i m e n ，s i z eo fm i c r of e a t u r ea n df r i c t i o nc o n d i t i o no nt h e h e i g h to f m i c r o - f e a t u r ew e r ec o n c l u d e d t h es t r e s s - s t r a i nc u r v eo fp u r ec o p p e ri so b t a i n e df r o mu n i a x i a lc o m p r e s s i o n e x p e r i m e n t o nt h e s eb a s i s ，t h ef e mm o d e lw a se s t a b l i s h e da n du s e di nt h ef i n i t e e l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r e t os i m u l a t et h e c o i n i n gp r o c e s sw i t hm i c r of e a t u r e c o m b i n i n gt h es i m u l a t i o n a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ed e f o r m i n gl a ww a sa l s o s u m m a r i z e du n d e rd i f f e r e n tf a c t o r ss u c ha ss i z eo fs p e c i m e n ，s i z eo fm i c r of e a t u r e f r i c t i o nc o n d i t i o na n dr a d i u so fd i e ! i i 山東大學(xué)碩十學(xué)位論文 b a s e do nt h ef i n i t ed e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ep a r a m e t e r sr e f e r r e da b o v ew h i c h h a v et h ei n f l u e n c eo nc o i n i n gw i t hm i c r o f e a t u r ew e r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h e d e f o r m i n gw a yo fs p e c i m e n ，t h ec o n c e p to fd e f o r m a t i o nr e g i o nw a si n t r o d u c e d b y a n a l y z i n gm a t e r i a l so ft h ef i e l do nt h ed e f o r m a t i o nr e g i o n ，t h em e c h a n i s mo ft h ec o i n i n g p r o c e s sw i t hm i c r o f e a t u r ew e r ed i s c l o s e du n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r s t or e d u c et h e f o r m i n gf o r c e ，t e c h n i q u e s t h a ta r e i m p r o v i n g t h ef o r m a b i l i t yo fc o i n i n gw i t h m i c r o f e a t u r ew e r es t u d i e d t h et h e s i sc o u l dp r o v i d et e c h n i c a lr e f e r e n c e sf o rt h e p r o c e s so fm i c r op l a s t i cf o r m i n ga n do t h e rm i c r o f o r m i n g k e y w o r d s ：m i c r o f o r m i n g ；c o i n i n gp r o c e s s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d e f o r m i n gl a w ； i v d e f o r m i n gm e c h a n i s m 第1 章緒論 1 1 引言 第1 章緒論 隨著電子工業(yè)及精密機(jī)械的飛速發(fā)展，產(chǎn)品微型化已成為工業(yè)界的發(fā)展趨勢(shì) 之一，特別是在通訊、電子、微系統(tǒng)技術(shù)( m s t ) 、微機(jī)電系統(tǒng)( m e m s ) 等領(lǐng)域。 除電子組件以外，各種插頭插槽、微細(xì)螺釘、主框架等微型組件也大量使用【l 川。 由此，以形狀尺寸微小或操作尺寸極小為特點(diǎn)的微細(xì)加工技術(shù)日益得到關(guān)注并取 得了迅速發(fā)展。在微型零件的微細(xì)加工制造技術(shù)中，利用金屬的塑性能力來(lái)進(jìn)行 微構(gòu)造與微細(xì)特征的成形占很大比例【5 j 。因此，面向微細(xì)制造的微細(xì)特征塑性成形 技術(shù)具有重要的研究意義和應(yīng)用前景。 模壓成形通常是閉式模鍛，其變形特點(diǎn)是僅局部區(qū)域的金屬發(fā)生變形，而不 產(chǎn)生大范圍的金屬體積流動(dòng)，幾何形狀的三維可示蹤性強(qiáng)【6 1 。由于變形存在微小結(jié) 構(gòu)，微細(xì)特征模壓和微擠壓、微鐓粗都屬于微塑性體積成形。本文利用實(shí)驗(yàn)研究 的方法對(duì)微細(xì)特征模壓成形進(jìn)行研究，并與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬相結(jié)合分析其成形規(guī) 律與變形機(jī)理，對(duì)研究更復(fù)雜的微擠壓以及微型腔填充成形工藝乃至其它微體積 成形工藝具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。 1 2微塑性成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀 微型化產(chǎn)品包括微零件( m i c r o - p a r t ) ，微結(jié)構(gòu)零件( m i c r o s t r u c t u r e dc o m p o n e n t s ) 和微精度零件( m i c r o - p r e c i s i o np a r t s ) _ 三類。微零件可理解為具有低于毫米級(jí)的內(nèi)部 特征形狀，而外形只有幾毫米的微小零件；微結(jié)構(gòu)零件的外形在幾毫米到幾厘米 之間，但在其一個(gè)或幾個(gè)面上嵌有微米級(jí)甚至納米級(jí)的微細(xì)結(jié)構(gòu)零件；微精度零 件一般指高精度零件，其外形及內(nèi)部特征具有微米級(jí)的幾何公差，尺寸精度小于 1 。微成形技術(shù)主要適用于成形微零件和微結(jié)構(gòu)零件。作為一種新的塑性加工技 術(shù)，微成形是指利用材料的塑性變形來(lái)生產(chǎn)至少在兩維方向上尺寸處于毫米量級(jí) 以下零件的技術(shù)。典型的微成形工藝有微擠壓、微沖壓、微模鍛工藝等。這一技 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 術(shù)繼承了傳統(tǒng)塑性加工技術(shù)的高生產(chǎn)率、最小或零材料損失、最終產(chǎn)品力學(xué)性能 優(yōu)異和誤差小的特點(diǎn)，使得這一工藝適合于近凈產(chǎn)品或凈產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)。利 用這一技術(shù)生產(chǎn)的微小尺度的零件如連接件、接觸彈簧、導(dǎo)線框等大量應(yīng)用于微 電子、醫(yī)療、微機(jī)械等行業(yè)當(dāng)中【7 。9 1 。 1 2 1 微體積成形的工藝研究 在微體積成形方面，主要進(jìn)行微連接器、彈簧、螺釘、頂桿、齒輪、閥體、 泵和葉片等微型器件的精密成形研究，涉及到的工藝有微擠壓、微鍛造、微鑄造 等。其中螺釘最小尺寸可以達(dá)到m 0 8i t l l n ，微成形坯料( 線材) 最小直徑為o 3m n l ， 模壓成形的微結(jié)構(gòu)件溝槽最小寬度可以達(dá)到2 0 0n l n 。常見(jiàn)的微型件如圖1 1 所示 1 1 0 1 1 1 o 圖1 - 1 常見(jiàn)微型件 y s a o t o m e 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用自行研制的微型模具裝置系統(tǒng)地研究了 微型齒輪的微成形技術(shù)【1 2 】，節(jié)圓直徑最小可以達(dá)到2 0 0g m ，并將微成形的模數(shù)為 o 1m i l l 、分度圓直徑分別為1 0i i l l l l 和2 0m l t l 、齒數(shù)為l o 和2 0 個(gè)的微型齒輪，用 直徑為0 4 m m 的軸作為齒輪軸，組裝成減速比為1 1 2 8 的微型減速裝置。如圖1 2 所示。 2 第1 章緒論 圖l - 2 微型減速裝置 美國(guó)c o l o r a d o 大學(xué)的d u n n 教授等人利用微鍛造和微鑄造組合技術(shù)完成了齒 輪、葉片等微型構(gòu)件的成形和組裝【1 3 1 。 日本學(xué)者y o s h i d a 對(duì)手表上微型零件( 圖1 3 ) 的多工位成形工藝進(jìn)行了有限 元分析和實(shí)驗(yàn)研究【1 4 1 ，并將常規(guī)的鍛造工藝由三步改為四步( 圖1 - 4 ) ，采用錐形 沖頭增加內(nèi)部金屬的變形速率，有效提高了零件的成形質(zhì)量，如圖1 5 。 0 8 7 圖1 3 微型零件的兒何形狀和尺寸圖l _ 4 改進(jìn)后的一i ：藝過(guò)程 ( a ) c o n v e n t i o n a l b ) 0 = 1 8 0 。( c ) 8 = 1 7 曠d ) 0 = 15 0 。( e ) 0 = 1 2 0 0 哆 圖1 5 改進(jìn)后錐形角度對(duì)表面質(zhì)量的影響 m g e i g e r 教授對(duì)微型構(gòu)件的冷鍛工藝進(jìn)行了研究，重點(diǎn)研究了微小化對(duì)擠壓 件精度的影響，研究結(jié)果表明微型擠壓件的晶粒尺寸不僅影響擠壓件的形狀和尺 寸精度，而且對(duì)擠壓件的機(jī)械性能也有重要的影響。此外，各國(guó)學(xué)者還利用軋制、 3 山東大學(xué)碩+ 學(xué)位論文 精壓和局部鍛造等體積成形方法精密成形各種微型器件【1 5 1 。 國(guó)內(nèi)方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的郭斌教授和單德彬教授【1 5 , 1 6 等設(shè)計(jì)并制造了一 套集計(jì)算機(jī)、微壓力傳感器、微位移傳感器和熱電偶等各種測(cè)量和控制技術(shù)一體 化的精密微塑性成形系統(tǒng)，并用5 a 0 2 鋁合金等溫精密成形出微齒輪。如圖1 - 6 ，圖 1 7 ，圖1 8 所示。 圖1 6 微成形的成形設(shè)備 圖1 - 7 微型齒輪的s e m 照片圖圖1 8 微型齒輪的橫向截面流線 1 2 2 微成形的尺寸效應(yīng)研究 尺寸效應(yīng)是指在微成形過(guò)程中，由于制品整體或局部尺寸的微小化引起的成 形機(jī)理及材料變形規(guī)律表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)成形過(guò)程的現(xiàn)象。究其原因，目前的理 解是，與宏觀成形相比，微成形制品的幾何尺寸和相關(guān)的工藝參數(shù)可以按比例縮 小，但仍有一些參數(shù)是保持不變的，如材料微觀晶粒度及表面粗糙度等。所以不 4 第1 章緒論 能將微成形過(guò)程簡(jiǎn)單理解為宏觀成形過(guò)程的等比微型化，而且在具體的微成形過(guò) 程中材料的成形性能、變形規(guī)律以及摩擦等確實(shí)表現(xiàn)出特殊的變化【1 7 1 。 日本的s a s a w a tm a h a b u n p h a c h a i 在研究微成形的過(guò)程中，引進(jìn)了比值，即試 樣尺寸( 直徑或厚度) 與晶粒尺寸之間的比值【1 8 】。通過(guò)對(duì)不同材料的試樣拉伸等 實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線的分析( 圖1 9 ) ，得出結(jié)論：晶粒尺寸無(wú)論對(duì)于微型件和宏 觀件的塑性都有影響，但只有當(dāng)在1 0 - - 1 5 的時(shí)候，尺寸效應(yīng)才會(huì)影響到金屬成 形，同樣的趨勢(shì)也表現(xiàn)在鐓粗實(shí)驗(yàn)中。值得注意的是，當(dāng)小于一定比值時(shí)，金 屬表現(xiàn)出更多的是單晶的性質(zhì)，所以流動(dòng)應(yīng)力反而上升( 圖1 1 0 ) 。 ； 黑 - 差 c 鯽 首鼬 警枷 f | i i ； o n - b d 圖1 - 9 尺寸效應(yīng)和晶粒大小對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影耐1 8 】 0 4 1 )o 6 0o - 7 9 t h 一蚰l t 水哪t 州 工材刪 園蚺渤州捌 甲婦s i z e - i4 i a - 2 j i _ 器怒怒 0 = 黼 s l m n r m i ：o 曩m 2 圖i 1 0 不同實(shí)驗(yàn)中對(duì)材料流動(dòng)應(yīng)力的影響【1 8 】 捌 曲t i r i t c i 正蕾 a m l ： d - 7 0 _ i l 捌t 南瞄 b 。0 2 且置_ 5 舶黝撇撇辮讎啪o 瑚鼬蝴砌啪螄渤鋤s呈 b 一霪5毒。暑。吝正 d亨善孽i暑；墨 啪瑚湖湖啪期拋柵o a 窗各邑亡t5e 俘卻： 剮，怎黧桿腳參熱蕊 山東大學(xué)碩十學(xué)位論文 國(guó)內(nèi)方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的郭斌教授和單德彬等人針對(duì)微型鐓粗件的流動(dòng) 性進(jìn)行了研剄1 9 】。圖1 1 1 是平均晶粒尺寸大小上分別為1 0 岬、4 5 岬和6 5 岬， 應(yīng)變速率為0 0 0 2s 1 ，試樣尺寸大小分別為伽8 1 x 1 6 2m m 和痧1 5 4 x 1 6 2m m 的 純銅圓柱形試樣在室溫下鐓粗壓縮時(shí)的真應(yīng)力應(yīng)變曲線。在室溫變形過(guò)程中，試 樣的變形遵循h(huán) a l l p c t c h 公式，即隨著試樣晶粒尺寸的增大，試樣的流動(dòng)應(yīng)力呈現(xiàn) 出減小的趨勢(shì)，表現(xiàn)出一定的尺寸效應(yīng)。 斑受o a ) 垂d 1 l x l 6 2 姍 圖i - ii 晶粒尺寸對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響【1 9 】 1 2 3 數(shù)值模擬技術(shù)在微成形中的應(yīng)用 微成形數(shù)值模擬是微體積成形工藝設(shè)計(jì)的有效輔助手段，通過(guò)微成形工藝過(guò) 程的模擬可以減少實(shí)驗(yàn)摸索的次數(shù)，節(jié)約工藝設(shè)計(jì)的時(shí)間與成本。特別對(duì)于成形 模具等主要微成形工具的設(shè)計(jì)，需要大量的資金與精力的投入，通過(guò)精確的數(shù)值 模擬可以遇見(jiàn)工藝中的問(wèn)題，為工藝設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化提供必理論依據(jù)。由于微細(xì) 成形的特殊性，相應(yīng)的數(shù)值模擬建模方法有有差異，在這一方面很多學(xué)者進(jìn)行了 開(kāi)創(chuàng)性的研究。目前，針對(duì)微成形的數(shù)值模擬技術(shù)的研究主要有基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的 微成形數(shù)值模擬、表面層理論和晶粒晶界理論。 由于微成形的成形原理方面的理論還不夠成熟，國(guó)內(nèi)外很過(guò)學(xué)者利用傳統(tǒng)的 有限元理論，在獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)微成形的成形工藝進(jìn)行研究。 韓國(guó)學(xué)者k u 和h w a n g 等通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了尺度在毫米以下的拉深 成形工藝【2 0 】?；趕 p e c ( 深沖用冷軋?zhí)妓劁摫“邃? 的塑性變形數(shù)據(jù)，運(yùn)用相似 設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)微盒形件的成形工藝，并采用8 節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元來(lái)模擬成形工藝 6 第1 章緒論 過(guò)程。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，模擬設(shè)定凸模下壓4 i n l i l ，成形力在2 0 0 - 4 0 0 n 之間，如圖1 1 2 所示。通過(guò)模擬可以看出，零件變薄最嚴(yán)重處出現(xiàn)在成形力為2 6 0n 的底角區(qū)域。 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)吻合，如圖1 1 3 所示。 譙：o 慢1 9 譙l 廿- 1 7 圖1 1 2 不同成形力下_ 1 ：件所得到最火厚度【2 0 】 a ) 應(yīng)變分布圖 h k 岫 z m 7 ， o i 粕喀- o l x - o t h 船堋l - l l ，l ，e m k l i a 1 ，o 童i l f 2 6 0 i - - ，o 0 0 1 1 4 1 目d a n 4 1 _ d - ii h l t l e , - o ii k _ 2 t ，7 p 1 4 1 u i - _ _ 瑚 b ) 厚度分布圖 圖1 - 1 3 成形力為2 6 0n 時(shí)的模擬結(jié)果【2 0 1 忡“_ _ 1 h - 0 | 毛u - o l 2 j 毒- o lo i ，m j z m ，h h 月 m - 0 1 2 l z o l 搿o o l u x o l u - 口l u