熱輔助微型件沖切中的若干力學問題及數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著科學技術的進步，大厚徑比微型件正大量應用于工業(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加工這類零件。在室溫下沖切加工這類零件時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等非沖切加工技術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。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近年來引起了人們強烈的關注。本文在分析國內外有關研究現(xiàn)狀基礎上，對熱輔助微型件沖切的若干基

2、本問題進行了實驗、理論與數(shù)值模擬研究。主要工作和結論如下：
　　 (1)以LY12鋁合金為研究對象進行了溫升率對金屬材料力學性能影響的實驗研究。試驗結果表明：中等溫升率產(chǎn)生的局部熱失配及局部殘余應力場可引起材料強化，而高溫升率引起的嚴重局部熱失配及局部殘余應力與外加熱—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、的宏觀力學性能。低溫升率下材料再結晶比例較高，呈現(xiàn)出韌性斷裂特征，而高溫升率時試件斷面平整，缺陷較多，具有脆性斷裂特征。
　　 (2)根據(jù)實驗結論，基于熱力學相容的簡單機械模型，建立了一個計及溫度、溫升率、應變率和損傷的大變形彈塑性本構模型，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化函數(shù)中計及應變、應變率、溫升率和再結晶的影響。鑒于由微分型本構方程直接改為增量形式，會導致較大的計算誤差，因此發(fā)展了相應的數(shù)值算法，

4、并據(jù)此算法推導了該本構方程的增量型表達式及其有限元列式。再結晶可消除材料微結構的畸變和相應的應變強化，將基于包含溫升率的變溫Johnso-Mehl方程計算的再結晶轉變體積分數(shù)引入強化函數(shù)，以此考慮溫升率及再結晶對材料強化的影響。
　　 (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、實驗結果的比較表明，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℃后的拉伸試驗過程，建立的本構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，選取碳化鎢硬質合金和普通碳素工具鋼兩種模具材料，進行了六組沖件—模具材料組合下電輔助加熱微型件沖切的熱電耦合模擬。結果表明，電加熱可在較短時間內在工件的沖切區(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果可以看出，如果模具材料的導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。模擬結果表明，對沖件進行的輔助加熱顯著降低了其材料強度，在較高溫度下沖切時