微深杯成形过程仿真模拟及尺度效应研究

作     者：殷娇 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孔祥伟

授予年度：2014年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：微深杯成形 尺度效应 材料本构模型 摩擦实验 

摘      要：近些年,随着电子工业及精密机械发展,特别是微系统技术、微机电系统等领域的需求大大地推动了机械产品微型化进程,推动了微成形技术和微零件产品的发展。当加工系统整体微型化,加工对象的尺度降低到微尺度范围,材料性能和变形行为发生改变,传统宏观成形中成熟的理论和技术不能直接应用到微成形领域,这种由微小尺寸引起的微尺度效应成为微成形技术研究和发展的基础和重点。本文以铜箔材料微深杯成形工艺为研究对象,围绕微成形尺度效应展开分析。首先建立了铜箔材料的材料模型,基于表面层理论模型,将铜箔材料整体分为表面晶粒和内部晶粒两种晶粒,引入受晶粒尺寸及铜箔厚度影响表示晶粒与铜箔厚度关系参数η,建立包含关系参数的材料混合模型,与实验数据对比后,发现此模型有较高的准确性。其次利用建立的材料模型,对铜箔材料微深杯成形过程进行仿真模拟,将仿真模拟获得的深杯成形中的成形力值与实验值进行对比,验证了仿真模拟方法的可行性,发现材料尺度效应对铜箔深杯成形过程有很大的影响;在此基础上,分析研究了不同相对凸凹模圆角半径对微深杯成形过程中最大成形力和材料不同变形区域的应力应变的影响。发现凸模过渡区和变形区受凸凹模相对圆角半径影响非常明显,尤其是当板厚较小晶粒尺寸较大时,随着相对凸凹模圆角半径的增加,板厚变薄更加明显,甚至会出现局部应变值非常大的情况。最后提出对宏观T型摩擦实验进行修改作为微成形摩擦系数确定的实验方法,并通过仿真模拟获得不同摩擦条件下黄铜材料的摩擦校准曲线;通过分析材料性能及模具尺寸对于摩擦校准曲线的影响,确定±15%的材料性能偏差及±0.01mm的模具加工误差对于摩擦校准曲线的准确性没有影响,而±0.05mm的模具误差对于摩擦校准曲线准确性的影响很大,这一结论对实际应用具有一定的指导作用。本文采用理论研究与仿真模拟相结合的方式,对微深杯成形过程中的尺度效应进行了研究。建立了考虑材料尺寸效应的材料本构模型,并对微深杯成形过程及微成形摩擦实验方法进行仿真模拟与分析,为微成形技术的进一步的研究提供了参考。