微成形中基尺寸效应的表面层模型建立.doc

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1、微成形中基于尺寸效应的表面层模型建立*基金项目：江西省2010年研究生创新专项资金资助（YC10A116）摘要：微产品成形分析和设计必须考虑到尺寸效应的影响。尺寸效应存在两种模型，一种是“晶粒尺寸”效应，另一种是“特征尺寸”效应。本文主要介绍国内外研究者针对这两种尺寸效应所做的各种成形工艺实验对试样成形和材料性能的影响，以及根据所出现的效应在有限元模拟中建立的表面层模型。研究结果表明，“晶粒尺寸”效应的影响主要体现在试样的应变分布，塑性变形以及变形的均匀性；“特征尺寸”效应对材料流动应力、变形摩擦力等方面表现出不同于宏观尺寸的现象；在有限元模拟中建立的表面层模型

2、的模拟结果很好的解释了这些现象。关键词微成形尺寸效应表面层模型Thecreationofthesurfacelayermodelbasedonthesizeeffectinmicro-formingAbstract:Forminganalysisanddesignofmicro-productsmusttakeintoaccountthesizeeffect.Sizeeffecthastwomodels,oneisthe"grainsize"effect,theotheristhe"featuresize"effect.Thispaperdescribesfor

3、bothdomesticandforeignresearchersmadeavarietyofsizeeffectexperimentsonthespecimenshapeformingprocessandmaterialproperties,andaccordingtotheeffecttoestablishsurfacelayermodelinfiniteelementsimulation.Theresultsshowedthat"grainsize"effectismainlyreflectedinthedistributionofthesamplestr

4、ain,plasticdeformationanddeformationuniformity;"featuresize"effectonthematerialflowstress,deformationfrictionaresodifferentfromthemacro-sizeperformance;thesurfacelayercreatedinthefiniteelementsimulationexplainthesephenomenawell.Keywordsmicro-formingsizeeffectSurfacelayermodel引言微电子领域产

5、品的总体趋势逐渐走向高度集成化、紧凑型、微型化。在20世纪90年代，微产品需求开始增长，出现了不同的生产方法，如激光加工、深反应离子蚀刻、分子装配技术等。但由于金属塑性成形工艺具有其他成形方法无法比拟的优点，如可大批量生产、高效率、高精度、周期短、力学性能好等，近年来，越来越受到世人的关注，微冲裁、微拉深、微挤压、微压印[1-4]等各种成形工艺被广泛的研究，但由于成形原理理论以及关键技术等方面与宏观成形存在差别，传统成形工艺无法直接运用到微成形当中去，在一定程度上限制了微塑性成形的发展，这主要体现在微型零件加工中出现了尺寸效应。本文就目前各国学者关于金属微塑性成

6、形中所表现的尺寸效应，以及基于尺寸效应而建立的表面层模型进行概述并进一步的探讨。1尺寸效应与宏观塑性成形相比，等比例缩小微成形制品的几何尺寸和相关的工艺参数，一些制品物理参数是保持不变的，比如材料的微观晶粒度及表面粗糙度等，但是大部分成形工艺参数已不再适用，因而引起材料的成形机理（流动应力等）和摩擦力的大小等表现出不同于传统成形过程的现象，这就是所谓的“尺寸效应”[5]。研究尺寸效应的试样分为两种类型，如图1所示，第一种类型是“晶粒尺寸”效应，这种类型中试样的尺寸保持为D不变，主要改变试样中晶粒的尺寸展开研究；第二种类型是“特征尺寸”效应，这一类型中试样的晶粒尺

7、寸d保持不变，而改变试样的特征尺寸来展开研究。图1两种尺寸效应类型的说明：“晶粒尺寸”效应和“特征尺寸”效应Fig.1Illustrationoftwotypesofscalingeffects:the“grainsizeeffect”andthe“feature/specimensizeeffect”1.1“晶粒尺寸”效应材料微观晶粒的大小对坯料的塑性变形产生显著影响，Engel等人在薄板的弯曲实验中观察到了这一现象。对板厚为0.5mm、晶粒尺寸分别为10μm和70μm的CuZn15板材在弯曲变形中应变的分布进行测量，结果如图2所示，当采用细晶粒板弯曲时外层为

8、拉伸变形、内层为压缩变形