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1、 I摘 要 随着微型化趋势的发展微细零件产品的加工在整个加工制造业中的地位越来越重要从移动电话到计算机技术从微型数码设备到医药卫生等各个方面微细零件具有广阔的应用空间同时应用传统的加工技术来加工这些微细零件也成为可能但是 由于微细零件的尺寸非常小 在加工过程中材料会表现出不同于宏观加工的特性到目前为止对微细塑性成形技术的研究还没有形成系统的理论体系因此本文通过实验和有限元模拟的方法对微细成形进行了比较分析找出微细成形技术的特点 本文系统地介绍了微细塑性成形方法以及目前较常用的应变梯度塑性理论研究发现当不均匀塑性变形尺度在微米量级时材料就将表现出强烈的尺度效应S i z e e f f e c
2、t s为了预测材料在微米或亚微米层次的尺度效应现象近年来提出和发展了的塑性应变梯度理论即在传统弹塑性理论的框架下考虑应变梯度的影响尽管目前理论还不成熟但是随着研究的不断深入这些理论将会逐步完善 本文对薄铜板进行了单向拉伸和拉深实验 测得了薄铜板的力学性能参数 同时用实验的方法研究了板料尺度效应在晶粒尺寸一定的情况下随着板厚的逐渐减小其屈服强度将会随之减小在考虑表面层晶粒的影响下利用分层的方法用传统的塑性理论对这种尺度效应进行了理论分析 并推导出考虑表面层晶粒影响的薄板屈服应力的计算公式利用这个公式计算得出结果和实验结果相比较从比较结果来看用这种模型来解释这类尺度效应是合理的此外本文还通过实验和
3、有限元模拟的方法对薄铜板进行了拉深实验通过拉深结果可以看出随着板厚的变薄材料的成形性就会降低材料更容易失稳 此外论文还对微细电磁成形进行了分析对强脉冲磁场作用下平板拉深过程进行了模拟仿真和实验研究建立了平板拉深的载荷计算模型利用 ANSYS 软件模拟了成形线圈内电流以及平板在电磁力作用下的动力响应过程 关键词 微型化 微细塑性成形 尺度效应 拉伸实验 电磁成形 IIAbstract The production of miniature parts is becoming more and more important due to the trend of miniaturization,
4、which is increasingly determining the development of product ranging from mobile phones, computers and micro digital camera to medical products and so on. The application of conventional manufacturing processes for the production of such micro-parts is possible, but there are some problems that resu
5、lt from the small dimensions. During micro-forming materials will behave some characters that are different from normal size processing. Up to now, the systematical research for micro-forming have not come into being. This paper gives a review of the problems associated with miniaturization, and fin
6、ds the characteristic of micro forming through experiments and finite element analysis. This paper systematically introduces some methods of micro-forming and a universal theory about strain gradient plasticity at present. Research show that metallic materials will display strong size effects when t
7、he characteristic length associated with plastic deformation is on the order of microns scale or submicron scale. In order to forecast the size effect in micro forming, strain gradient plasticity has been developed to the micron or submicron regime in recent years, which consider the effect of the i
8、ntrinsic material length under framework the classical elastic-plastic theory. Though those theories are not so perfect, they will be more practicality with the research being more and more advanced. This paper studied simple tension and microdeep drawing of very thin sheet pure copper and get the m
9、echanical property parameter of shin sheet pure copper. Though experiment method I have studied size effect which when the grain size is same, with the decrease in thickness the yield stress will also decrease gradually. Considering the effect of surface grain, I analyzed theoretically the sort of s
10、ize effect with classical plastic theory and deduce the calculational formula of yield stress for thin sheet copper under the considering the effect of surface grain size. Compared the result that was educed from the formula with experiment result. It is reasonable to explain the sort of size effect
11、 with the surface layer model from the result of compare. Moreover, I have studied the thin sheet copper drawing though experiment and finite element analysis. From the experiment result we can conclude that the formability of the material would be worse and would be easy to be destabilizing. Furthe
12、rmore, this paper also analyzed the micro-electromagnetic forming and the IIIprocess of plate drawing under intensive pulse electromagnetic field is simulated and experimented. Established the calculation model of plate drawing load and simulated the current in working coil and the process of plate
13、dynamic response to magnetic force with the software ANSYS. Keywords: Miniaturization Microforming Size effect Tension experiment Electromagnetic forming ANSYS 1 1 绪 论 1.1 引言 近年来随着微/纳米技术的逐步兴起以及电子产品中微型化趋势的不断发展以本身形状尺寸微小或者操作尺寸微小的微机械技术已成为人们在认识微观领域和改造客观世界的一种高新技术1特别是随着社会的不断进步和人们生活水平的日益提高人们对于日常生活产品的要求日趋智能化
14、微型化多功能集成化等这就使得在设计和制造产品的过程当中充分考虑到以上功能的要求最近有人预测尺度在500nm 至 500 微米之间的金属成形研究正受到工业需求的驱动2特别是在电子产品工业中微型化趋势的日益明显目前开发出了一系列微型电子产品如微型电机微助听器微硬盘微型数码照相机等在生物医学方面微细技术的应用也越来越得到广泛的应用例如人造心脏人造眼球的出现等同时微机电系统MEMS技术的逐渐兴起也给微细加工技术提供了一个大力发展的机会 1.2 课题来源目的和意义 本课题来源于国家自然科学基金项目微细塑性成形方法及计算机模拟技术研究项目编号为 5 0 2 7 5 0 5 9 的第一阶段工作本课题主要是对
15、微细塑性成形的实验方法及有限元模拟进行研究采用理论分析计算机模拟和实验分析相结合的方法以微视塑性法为重点 对简单微细零件在塑性加工过程所表现的一些不同于宏观加工的性能进行分析和比较 并着重研究材料在微细尺寸下所表现出的尺寸效应以及应变梯度效应同时采用电磁成形的方法对薄板电磁拉深成形进行尝试找到一种合适的微细加工工艺 随着微电子集成技术和微机电技术的迅速发展 以形状尺寸微小或者操作尺寸极小为特点的微细加工技术逐步得到广泛的应用自八十年代末以来机电产品的微型化得到了很大的发展在计算机日趋微型化以及微机电产品小型化的带动下微细加工已经成为机械加工技术中不可缺少的一种重要加工技术 并且将发挥越来越重要
16、的作用34近些年来逐步发展起来的具有特殊用途的微机电系统( Micro- Electro Mechanical System) 正是以微细加工技术为基础的一种新型技术它正逐渐被用于航2 空航天精密仪器生物医疗军事等各个方面5 微细加工Micro- fabrication起源于半导体制造工艺是上一世纪随着人们对微观世界的深入研究以及随着计算机电路集成技术发展而逐步形成和发展起来的一种新型加工技术它是集成电路I C 工业的基础是半导体研究和生产的必要手段6它原指加工尺度约在微米级范围的一种加工方式在微机械研究领域中它是微米级加工( Micro-fabrication) 亚微米级加工( Sub-micro fabrication) 乃至纳米级微细加工( Nano-fabrication) 的通称1微系统Micro-System的尺度一般定义在 1毫米以下实际上目前把尺寸在微米至厘米范围的加工都归属于微细加工的领域迄今为止微细加工技术是从两个领域延伸发展起来的 一个是由传统机械加工和电加工的小型化和微型化发展而来的其加工的
