準(zhǔn)靜態(tài)加載與激光沖擊動(dòng)態(tài)加載金屬箔板微彎曲尺寸效應(yīng)研究.pdf

1、隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微制造已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)，出現(xiàn)了多種新型微成形工藝，但是隨著微零件的幾何尺寸的微小化，材料的流動(dòng)應(yīng)力與宏觀尺度下有著顯著的區(qū)別，其表現(xiàn)出的尺寸效應(yīng)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。
　　本文通過(guò)搭建激光沖擊動(dòng)態(tài)加載軟模微彎曲成形系統(tǒng)和試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)靜態(tài)加載軟模微彎曲成形系統(tǒng)，對(duì)比研究在高、低應(yīng)變速率的工藝條件下，銅箔晶粒尺寸(d)、銅箔厚度與晶粒尺寸的比值N(N=t/d)、模具特征尺寸(W)對(duì)微彎曲成形性能的影響。同時(shí)，基

2、于ANSYS隱式分析和LS-DYNA顯式分析，完成了試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)靜態(tài)加載和激光沖擊動(dòng)態(tài)加載微彎曲成形的數(shù)值模擬研究；并且，探討了晶粒尺寸對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)微彎曲成形性能的影響。本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：
　　(1)在成形深度、形變均勻性和顯微硬度三個(gè)方面，激光沖擊動(dòng)態(tài)加載和試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)靜態(tài)加載軟模微彎曲成形工藝均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的尺寸效應(yīng)。通過(guò)基恩士VHX-1000超景深三維顯微鏡對(duì)成形件成形深度進(jìn)行測(cè)量，研究表明：成形件的標(biāo)準(zhǔn)成形深度隨著N值的減小

3、，均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。通過(guò)Axio CSM700真彩色共聚焦顯微鏡對(duì)零件表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著晶粒尺寸的增大，成形件的表面粗糙度均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)成形件關(guān)鍵點(diǎn)減薄率的測(cè)量，研究發(fā)現(xiàn)：成形件的減薄率隨著晶粒尺寸的增大均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；并且，晶粒尺寸越大，其形變愈不均勻。采用HV-1000型顯微維氏硬度計(jì)對(duì)動(dòng)態(tài)加載前后的銅箔進(jìn)行顯微硬度測(cè)量，結(jié)果顯示：動(dòng)態(tài)加載前后的材料顯微硬度隨著N值的增大均呈現(xiàn)先減小

4、后增大的趨勢(shì)；激光沖擊動(dòng)態(tài)加載之后，材料的顯微硬度相對(duì)于原材有了明顯的提高；同時(shí)，材料的顯微硬度隨著塑性應(yīng)變的增大而增大，并且粗晶材料表現(xiàn)出更強(qiáng)的加工硬化行為。
　　(2)對(duì)于成形能力，在準(zhǔn)靜態(tài)加載下，材料的極限成形深度隨著晶粒尺寸的增大而降低；同時(shí)，隨著加載力的增大，不同晶粒尺寸下的工件均發(fā)生韌性斷裂破壞。而對(duì)于激光沖擊動(dòng)態(tài)加載，當(dāng)激光能量達(dá)到2J時(shí)，工件以高應(yīng)變率發(fā)生塑性形變，產(chǎn)生的晶粒細(xì)化、高位錯(cuò)密度、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等微觀組織結(jié)

5、構(gòu)的演化，將極大的提高材料的動(dòng)態(tài)成形能力，使得成形件能夠較好的貼合模具，并且未發(fā)生斷裂破壞，表現(xiàn)出更好的成形能力。
　　(3)通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)加載和激光沖擊動(dòng)態(tài)加載軟模微彎曲成形進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著模具特征尺寸的增大，工件成形深度逐漸增大。激光沖擊動(dòng)態(tài)加載軟模微彎曲成形件的關(guān)鍵點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變、等效塑性應(yīng)變率均隨著模具特征尺寸的增大而減小，與準(zhǔn)靜態(tài)加載表現(xiàn)出相反的規(guī)律。
　　(4)由于缺乏動(dòng)態(tài)加載下，銅箔晶內(nèi)晶界材料

6、的本構(gòu)模型，因此本文僅在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下，探討晶粒尺寸、晶界強(qiáng)化行為對(duì)軟模微成形行為的影響。本文通過(guò)Voronoi算法，分別構(gòu)建了四種晶粒尺寸下，銅箔晶內(nèi)晶界幾何模型；基于位錯(cuò)密度模型分別建立了紫銅晶內(nèi)晶界材料的本構(gòu)模型。數(shù)值模擬結(jié)果表明：當(dāng)N>1時(shí)，隨著晶粒尺寸的增大，工件成形深度、表面粗糙度逐漸增大。
　　本文的研究?jī)?nèi)容表明：在成形深度、形變均勻性以及顯微硬度方面，激光動(dòng)態(tài)加載微彎曲成形依然存在著與準(zhǔn)靜態(tài)微彎曲成形相似的尺寸效