熱輔助微型件沖切中的若干力學(xué)問題及數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大厚徑比微型件正大量應(yīng)用于工業(yè)和民用產(chǎn)品之中，批量生產(chǎn)要求采用效率較高的沖切技術(shù)加工這類零件。在室溫下沖切加工這類零件時(shí)的高沖切力常使模具破壞或加速其失效，而通常采用的蝕刻和電化學(xué)等非沖切加工技術(shù)則存在效率相對較低、制造成本較高或加工過程可能污染環(huán)境等缺點(diǎn)。作為大厚徑比微型件批量沖切加工的富有前景的方法之一，熱輔助微型件沖切技術(shù)近年來引起了人們強(qiáng)烈的關(guān)注。本文在分析國內(nèi)外有關(guān)研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，對熱輔助微型件沖切的若干基

2、本問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)、理論與數(shù)值模擬研究。主要工作和結(jié)論如下：
　　 (1)以LY12鋁合金為研究對象進(jìn)行了溫升率對金屬材料力學(xué)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：中等溫升率產(chǎn)生的局部熱失配及局部殘余應(yīng)力場可引起材料強(qiáng)化，而高溫升率引起的嚴(yán)重局部熱失配及局部殘余應(yīng)力與外加熱—力載荷的耦合作用可加速材料微缺陷的形核與擴(kuò)展，加劇材料的損傷與性能劣化。對試件斷面的SEM圖分析表明：不同溫升率下試件斷口的金相組織具有明顯的差異，從而表現(xiàn)出不同

3、的宏觀力學(xué)性能。低溫升率下材料再結(jié)晶比例較高，呈現(xiàn)出韌性斷裂特征，而高溫升率時(shí)試件斷面平整，缺陷較多，具有脆性斷裂特征。
　　 (2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，基于熱力學(xué)相容的簡單機(jī)械模型，建立了一個(gè)計(jì)及溫度、溫升率、應(yīng)變率和損傷的大變形彈塑性本構(gòu)模型，該模型充分考慮了溫度對材料參數(shù)的影響，并在材料的損傷和強(qiáng)化函數(shù)中計(jì)及應(yīng)變、應(yīng)變率、溫升率和再結(jié)晶的影響。鑒于由微分型本構(gòu)方程直接改為增量形式，會導(dǎo)致較大的計(jì)算誤差，因此發(fā)展了相應(yīng)的數(shù)值算法，

4、并據(jù)此算法推導(dǎo)了該本構(gòu)方程的增量型表達(dá)式及其有限元列式。再結(jié)晶可消除材料微結(jié)構(gòu)的畸變和相應(yīng)的應(yīng)變強(qiáng)化，將基于包含溫升率的變溫Johnso-Mehl方程計(jì)算的再結(jié)晶轉(zhuǎn)變體積分?jǐn)?shù)引入強(qiáng)化函數(shù)，以此考慮溫升率及再結(jié)晶對材料強(qiáng)化的影響。
　　 (3)根據(jù)有限元軟件ABAQUS的子程序接口原理，利用Fortran語言基于本文模型編制了用戶自定義材料子程序。并利用UMAT材料子程序，首先模擬了一種低碳鋼試件在室溫下的瞬態(tài)熱力耦合墩粗過程，與

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較表明，模型能較好地描述該試件的熱力耦合大變形過程。然后又分別模擬了以三種溫升率加熱LY12鋁合金試件至450℃后的拉伸試驗(yàn)過程，建立的本構(gòu)模型較好地描述了該材料經(jīng)歷不同溫升率歷史后的力學(xué)性能差異。
　　 (4)以304不銹鋼、銅和LY12铞合金沖件為研究對象，選取碳化鎢硬質(zhì)合金和普通碳素工具鋼兩種模具材料，進(jìn)行了六組沖件—模具材料組合下電輔助加熱微型件沖切的熱電耦合模擬。結(jié)果表明，電加熱可在較短時(shí)間內(nèi)在工件的沖切區(qū)

6、形成合適的沖切溫度，顯著降低材料的破壞強(qiáng)度，從而可有效降低沖切力。對比同一種沖件分別和以上兩種模具材料組合的模擬結(jié)果可以看出，如果模具材料的導(dǎo)電性能和傳熱性能均優(yōu)于沖件材料，可避免模具中過多的熱量沉積。
　　 (5)利用ABAQUS和基于本文模型的用戶自定義材料子程序，模擬了激光輔助加熱FeNi42、電輔助加熱304不銹鋼和LY12鋁合金微型件的沖切過程。模擬結(jié)果表明，對沖件進(jìn)行的輔助加熱顯著降低了其材料強(qiáng)度，在較高溫度下沖切時(shí)