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摘 要
随着微机械及微机电系统的发展,微零件需求量逐渐增加,微拉深成形技术以其高效率、低成本及可实现大批量生产等优点关注度逐渐升高,但微拉深成形属于微观尺度下塑性变形,其成形理论及生产经验不成熟,制约了微拉深成形技术的应用。微拉深工芝可成形各类腔体,多种因素影响其复杂的成形工艺,现有研巧成果多局限于回转体,而盒形件微拉深成形相关研巧较少。本文以盒形件为研究对象,采用数值模拟的方法对其微拉深成形进行分析,确定成形规律的影响因素,并以此为依据,设计出成形盒形件的微拉深模具。
针对微成形中特有的尺度效应现象,在对现有体现尺度效应的本构理论进行整理分析的基础上,对表面层模型进行修正,推导出适用于面也或体也立方晶格材料的本构关系。在此基础上,对微拉深成形试验进行有限元数值模拟,通过模拟结果与试验结果对比分析,验证该修正表面层模型的合理性。
将修正表面层模型应用到盒形件微拉深成形有限元分析中,以工件、模具及成形工艺等参数为变量因素进行对比分析。分析结果表明:益形件在微拉深成形中圆角与直边成形会相互影响,与传统拉深成形过程类似;板料材料晶粒尺度会影响微拉深力及工件成形厚度的变化,存在尺度效应;模具间隙、凸模圆角及模具零件加工质量均会影响微拉深力的变化趋势;冲压速度对微拉深力的影响较小。
研究盒形件微拉深的成形规律对其机理研究、工艺设计及模具设计具有一定的指导意义。
基于有限元分析结果,结合盒形件微拉深加工尺寸小、形状特殊等特点,对模具凸、凹模尺寸等参数进行优化计算,设计出一套微拉深模具。为避免手工送料与卸料对毛巧和工件的影响,设计出自动送料机构与弹性自动卸料机构。通过运动仿真证明模具结构合理、运动无干涉,可为同类型微模具设计提供参考。
关键词：微拉深;金形件;本构横型:有限元分斩:化横具设计
ABSTRACT
With the development of micro-mechanical and micro-electromechanical systems, thedem孤d of micro-parts increases gradually. The micro-deep drawing thchnology isconcerned because of its advantages of high efficiency, low cost and mass production.
However, as a plastic deformation method at micro scale, the forming theory andproduction cxperience of micro-deep drawing 站e stiU not mature enough, which restrictthe application of micro-deep drawing thchnology. Micro-deep drawing process canform all kinds of cavity and various factors affected its complex forming process.
However, moep of the epdsting researches focus on cylindrical parts but few researcheson rectangular boxes.In this paper,the micro-deep drawing of the micro squarebox-shaped pieces was investigated with the method of numerical simulation and theinfluence factors were concluded. According to tiie research results, a micro deepdrawing mold suitable for forming box-shaped pieces was designed,Aiming at the phenomenon of scale effect in microform, the existing constitutivetheory about scale effect was arranged and analyzed. Based on the modified surfacelayer model,the constitutive relationship of the material with the face-entered orbulk-centered cubic lattice was deduced. Then finite element numerical simulation ofthe micro-deep drawing process of cylindrical parts was carried out according th theCOnstitutive relationship. The experimental Ksuths were compared with the simulationresuhs in order th verify the validity of the proposed model.
The modified surface layer model was applied 1:0 the micro-deep drawing simulationof boX-Shaped parts. The parameters about workpieces, mold and forming process wereselected as variables in the analysis. The COntrast analysis results through finUe elementanalysis were as follows: The round shape and the straight edge forming process ofbox-shaped parts influenced each other. This phenomenon was similar th the traditionaldrawing process. The grain size of sheet metal material affected the micro drawing forceand the thickness of workpieces. The die clearance,punch radius and the processingquality of mould parts had impact on the micro drawing fbree. But the effect ofpunching speed on micro drawing foKC was little. The study of the forming law ofbox-shaped parts was important for the mechanism of micro-deep drawing,processdesign and mold design.
Based on finite element analysis results and combined with the micro-deep drawingcharacteristics, i.e. small size and special shape of box-shaped pieces, the sizes of punchand die mid other paameters were optimized. On this basis,a sep of micro-deep drawingmold was designed. In order 1:o avoid the influence of manual feeding process andxmloading process to workblanks and workpieces, an automatic feeding mechanism and过 flexible imloader were designed.th was proved that the mold had reasonable structureand moved without interference through motion simulation. The mold structure couldprovide reference for the design of micro molds with the same type.
Key Words: Micro-deep Drawing; Rectangular boxes; Constitutive Model; FiniteElement Analysis; Design of Micro Molds
近年来,微型零件在微机电系统中的应用逐渐增多,微零件的质量要求也随之增加,极大推动了微细加工技术的发展。到目前为止,已经研制出成熟的微细加工技术,如德国的准LIGA技术、日本的超精密机械加工技术、深反应离子蚀刻、分子装配、高能束加工技术、微注塑成形技术、微粉末注射成形技术及微铸造技术等[1]。但这些微细加工技术存在加工成本高、效率低及无法进行大批量生产等缺陷,己经无法满足应用日渐普及的微型化产品的加工需求,能够解决以上问题的微成形技术将成为微制造中关键加工技术。纽伦堡大学Geiger教授认为微成形是指利用材料塑性变形来生产至少在两维方向上尺寸处于毫米量级下零件的技术。微成形是多学科交叉的边缘技术,具有其他技术不可替代的优势:生产效率高,适用于大批量生产;制造精度高,产品质量好;可加工材料种类广泛,且利用率高;加工成本低等。
由于微型零件尺寸太小,零件微塑性成形过程中存在尺度效应,传统塑性成形技术不能等比例缩小应用到微成形技术中。所谓尺度效应是指在微成形过程中,由于零件整体或局部尺寸的微小化,引起成形机理及材辑变形规律不同于宏观成形的现象以。目前尺度效应的存在严重阻碍微成形技术的发展,为推广微成形技术的应用范围,微成形机理的探索己成为国内外学者的研究热点。在金属微成形方面,微薄板成形中的微拉深成形工艺最复杂,在摩擦、各向异性、变形的不均匀性等方面,较其他工艺更为突出以。与其他微成形技术相比,微拉深工艺研究的制约因素比较多。
应用微拉深技术可以成形出各种形状的杯体、腔体,其成形工件结构类型大致分为筒形件、盒形件、碟形件及其他复杂结构的腔体。微拉深成形变形机理心处及工艺参数的设置因成形工件结构差异而不同,所应针对不同的工件结构做相应的研究,但现阶段的微拉深研究成果主要是针对筒形件微成形工艺;槪盒形件如微型封装、微型装置的外壳或包装等结构。盒形件微拉深成形的难点有两点:一是成形中存在尺度效应,宏观成形规律可能不适用于微拉深,需要对盒形件微拉深过程进行探索;二是盒形件比回转体结构复杂,并且尺寸小,加工中易变形,需要高质量的模具进行加工。
本文将对盒形件微拉深成形中的尺度效应进行研究,建立体现尺度效应的本构模型,利用有限元模巧微拉深过程,综合考虑仿真结果及微拉深加工特点设计盒形件微成形模具。本文将扩大有限元分析在微成形中的应用范围,对盒形件微拉深的机理研巧、工艺设计及模具设计具有一定的指导意义,有助于盒形件微拉深成形的发展及应用。
微拉深成形过程复杂,影响因素较多,并存在多种尺度效应。目前的微拉深成形研究主要针对筒形件,对于成形过程更加复杂的盒形件微拉深成形研充较少,盒形件微拉深模具设备的研巧也不完善。随着微拉深工艺在医疗、微电子通信和集成电路板等微型化领域潜在市场的发展,研巧盒形件彻拉深成形工艺并设计开发微型模具将意义深远。本文通过整理前人的工作经验,结合现有的研究条件,总结微成形中材料的本构模型,将采用有限元数值模拟的方法对T2材料的盒形件微拉深成形特点进行研究,并考虑微拉深中尺度效应设计微拉深模具,拟研究内容如下:
(1)整理分析微成形中的尺度效应及材料的本构模型,将可用于微拉深的紫铜T2材料作为研巧对象,以现有微观尺度本构模型为理论基础,建立修正表面层模型表示材料微观尺度下本构关系,采用此本构模型对微拉深成形试验进行有限元模挂,通过对比分析模拟结果与试验结果,验证其有效性。
(2)将修正的表面层模型应用到T2材料的盒形件微拉深成形有限元模拟中,分析研究工件材料的参数(不同晶粒尺度D,同一厚度T)成形工件的结构尺寸(微盒形件直边宽度公,高度好,简壁圆角R)、模具的化何尺寸(凸、凹模直边单边间隙U,凸模圆角rp和表面摩擦系数U)及微拉深速度V对微拉深成形力及成形质量的影响规律。
(3)基于有限元分析结果,再结合盒形件的结构特点,以宏观拉深模具为参考依据,对模具的凸凹模间隙、凸模尺寸、凹模尺寸等参数进行优化计算,设计一套盒形件微拉深成形模具,设置卸料机构保证其顺利出件;为避免送料过程中对毛逐表面质量及平整度的影响,结合模具动作设计一套应用于微模具的自动送料机构;最后仿真验证模具运动的合理性。
成形盒形件的微拉深模具设计：
毛还定位孔
微拉深凸模
上凸模保护套结构
下凸模保护套结构
凸模及保护套模具安装图
微拉深凹模
压料板安装方式
卸料机构
送料机构运动简图
推料板零件图
目录
第1章 绪论
1.1 课题背景及意义
1.2 微拉深成形国内外研巧现状
1.2.1 微拉深成形工艺的试验研究
1.2.2 微拉深成形数值模巧的研巧
1.2.3 微拉深模具设计研究现状
1.3 本文研究内容
第2章 微拉深成形本构模型的建立
2.1 研究材料的选择
2.2 微成形中尺度效应
2.3 微成形本构模型
2.3.1 应变梯度塑性理论
2.3.2 表面层模型及其修正本构模型
2.4 修正表面层模型的验证
2.5 本章小结
第3章 盒形件微拉深成形的有限元分析
3.1 ABAQUS软件介绍
3.2 盒形件微拉深成形的有限元分析
3.2.1 几何模型的建立
3.2.2 有限元计算方法
3.2.3 本构的实现及单元网格
3.2.4 接触模型
3.2.5 载荷与边界条件
3.3 盒形件微拉深成形模拟结果与分析
3.3.1 压边装置和压边力
3.3.2 盒形件微拉深过程中材料变形分析
3.3.3 工件材料及尺寸对微拉深成形的影响
3.3.4 模具结构尺寸对微拉深成形的影响
3.3.5 微拉深速度对微拉深成形的影响
3.3.6 分析结果与回转体工件成形规律的对比
3.4 本章小结
第4章 盒形件微拉深模具设计
4.1 微拉深模具设计基本要求
4.2 基于有限元分析结果的结构参数设计
4.2.1 毛巧参数及定位零件设计
4.2.2 凸模及凹模设计
4.2.3 压料零件设计
4.3 模具总体结构设计
4.3.1 模具类型及相关零件
4.3.2 卸料机构设计
4.3.3 送料机构设计
4.4 模具结构设计仿真分析
4.5 本章小结
结论
参考文献
致谢
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