微塑性成形机理及精密微塑性体积成形装置研究

摘要

微机电系统和微系统技术的迅速发展，对微型零件的制造技术提出了更高要求，这给精密微塑性成形技术的发展带来契机。该成形技术是以塑性变形方式制造微型零件的工艺方法，非常适合于微型零件的低成本批量制造，但由于成形件尺寸或特征尺寸为亚毫米级或微米量级，出现了明显的尺寸效应，与传统的塑性加工工艺不同，其成形机理和材料变形流动规律发生了改变，微塑性成形技术是一个崭新的研究领域。
　　本文建立了基于晶体塑性学理论的多晶体模型，揭示了材料微塑性成形机理，使用压电陶瓷微驱动器研制了精密微塑性体积成形专用设备，开展了微塑性成形尺寸效应的实验研究，并以微型齿轮作为典型零件系统地研究了微型零件的微塑性成形工艺，解决了制约微塑性成形工艺的关键技术。
　　从材料的多晶体结构角度，基于晶体塑性变形理论建立了多晶体模型。根据位错塞积程度和晶粒变形受约束程度的差异将变形体分作两部分：位于自由表面的单晶体区和变形体内部的多晶体区。位于变形体自由表面的晶粒变形采用晶体塑性学理论来分析，而内部材料采用宏观塑性变形理论分析。使用建立的多晶体模型对微型圆柱试样的镦粗变形过程进行了数值分析，研究了试样尺寸、晶粒初始取向分布等对试样流动应力和表面形貌的影响规律。结果表明，试样的流动应力随试样尺寸的减小而减小，出现了明显的尺寸效应现象；试样的变形不均匀性是由试样晶粒的各向异性引起的，导致了变形试样表面凹凸不平。
　　采用压电陶瓷作为微驱动器，研制了串联式结构的精密微塑性体积成形装置。设计了位置调节机构用于压电陶瓷位置调节，同时还可以满足某些成形工艺中对较大位移量的需要。使用基于PID控制的压电陶瓷电源，针对微塑性成形设计了成形工艺控制器。对研制的精密微塑性体积成形装置进行了测试和分析，结果表明该装置能够满足微塑性体积成形研究的需要。
　　使用微镦粗实验方法进行实验研究，分析试样尺寸、晶粒尺寸、变形程度和变形温度等参数对材料流动应力的影响规律，并从材料的多晶体结构角度对流动应力尺寸效应产生的机理进行了分析。采用金相方法，分析晶粒尺寸和变形程度对塑性变形不均匀性的影响规律，并从晶粒的各向异性角度研究其产生的机理。
　　模具型腔的尺度也会对微成形工艺带来尺寸效应。本文采用模压成形工艺，研究了模具型腔尺寸（b）、晶粒尺寸（L）以及它们的比值 L/b对充填性能的影响规律。结果表明，比值L/b是影响材料微充填性能的主要因素。
　　在以上研究的基础上，开展了微型齿轮的微塑性成形工艺研究。使用研制的浮动式模具装置，研究了微型齿轮的微塑性成形过程，分析了冲头速度、载荷和温度等工艺参数对微塑性成形工艺的影响规律，并从坯料的受力状态以及材料的多晶体结构角度对坯料的充填规律进行了分析。研究了微型齿轮纵截面和横截面的流线分布规律，并对齿轮的表面粗糙度和横截面上的纳米硬度进行测量。结果表明，成形的微型齿轮有良好的表面质量和综合性能。

目录

微塑性成形机理及精密微塑性体积成形装置研究

RESEARCH ON MICROFORMING MECHANISM AND PRECISION MICRO BULK FORMING APPARATUS

摘要

Abstract

Contents

绪论

1.1 课题来源及选题意义

1.2 微细加工技术的发展现状

1.3 微塑性成形基础问题研究

1.3.1 尺寸效应

1.3.2 微塑性成形不均匀性

1.4 微塑性成形工艺研究现状

1.4.1 体积微塑性成形

1.4.2 薄板微塑性成形

1.4.3 新材料的应用

1.5 微塑性成形过程数值分析

1.5.1 基于材料本征的数值模拟

1.5.2 基于唯象理论的数值模拟

1.5.3 基于晶体塑性理论的数值模拟

1.6 微塑性成形设备与装置

1.6.1 微塑性成形设备

1.6.2 微型零件的微操作技术

1.6.3 微型模具的加工技术

1.7 本文的主要研究内容

第2章 基于晶体塑性理论的多晶体模型

2.1 引言

2.2 多晶体模型理论基础

2.2.1 位错和晶体塑性变形

2.2.2 多晶体塑性变形理论

2.3 多晶体模型构造

2.3.1 微塑性成形特点分析

2.3.2 多晶体模型

2.4 晶体塑性理论和细观本构关系

2.4.1 变形梯度

2.4.2 晶体塑性变形几何学与运动学

2.4.3 单晶体本构关系

2.4.4 率相关剪切应变率计算

2.4.5 剪切应变增量列式

2.5 本章小结

第3章 基于多晶体模型的微塑性成形有限元模拟

3.1 引言

3.2 ABAQUS软件概述

3.3 UMAT子程序开发

3.3.1 UMAT接口原理

3.3.2 局部坐标和整体坐标间矩阵转换关系

3.3.3 应力更新流程

3.3.4 UMAT子程序测试

3.4 多晶体有限元模型构造

3.4.1 变形条件的基本假设

3.4.2 有限元模型

3.4.3 材料性能参数的确定

3.5 模拟结果与分析

3.5.1 试样几何参数的影响

3.5.2 晶粒参数的影响

3.6 本章小结

第4章 精密微塑性体积成形装置研制

4.1 引言

4.2 常见微位移机构特点分析

4.3 压电陶瓷致动器

4.3.1 压电陶瓷工作原理

4.3.2 压电陶瓷输出特性分析

4.4 微塑性体积成形装置结构设计

4.5 微塑性体积成形装置控制器设计

4.5.1 压电陶瓷的驱动电源

4.5.2 成形工艺控制器

4.6 微塑性体积成形装置测试与分析

4.7 本章小结

第5章 微塑性体积成形尺寸效应实验研究

5.1 引言

5.2 微镦粗变形中的尺寸效应研究

5.2.1 实验方案设计

5.2.2 试样尺寸的影响

5.2.3 晶粒尺寸的影响

5.2.4 变形程度的影响

5.2.5 变形温度的影响

5.3 变形试样的表面形貌和微观组织

5.3.1 表面形貌分析

5.3.2 微观组织分析

5.4 模压成形中的尺寸效应研究

5.4.1 实验方案设计

5.4.2 晶粒尺寸的影响

5.4.3 模具型腔尺寸的影响

5.4.4 晶粒尺寸和模具槽宽之比的影响

5.5 本章小结

第6章 微型齿轮精密微塑性成形工艺研究

6.1 引言

6.2 微型齿轮成形模具装置

6.2.1 微塑性成形实验方案设计

6.2.2 浮动式模具装置设计

6.3 微型齿轮成形工艺实验研究

6.3.1 实验方案与评价方法

6.3.2 微型齿轮成形过程分析

6.3.3 工艺参数对微型齿轮成形的影响规律

6.4 微型坯料变形规律分析

6.5 微型齿轮成形质量分析

6.5.1 微型齿轮力学性能

6.5.2 微型齿轮表面质量

6.5.3 微型齿轮微观组织

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历