介观尺度薄板高速精密冲裁的应用基础研究

发布时间：2018-10-17 11:49

【摘要】：微冲压成形技术(Micro-stamping Technology)已成为微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)零件规模化生产的关键技术之一,其产品微型特征尺寸至少在二维方向上处于亚毫米量级(介观尺度)。介观尺度微冲压成形技术正随着微机电系统的飞速发展和逐步进入实用化,逐渐成为塑性成形领域的研究热点。微冲裁作为微冲压成形的典型工艺之一,对后续冲压工艺流程及产品质量有着重要影响,而基于批量低成本的产业化需求,介观尺度薄板微冲裁在微型化的基础上又面临着高速化挑战,介观尺度薄板高速精密冲裁技术将成为微冲压成形领域亟待研究的重要课题。本文采用断裂力学、计算数学、材料学、人工智能、工程优化及预测等基础理论、数值模拟仿真与试验相结合的研究方法,从介观尺度材料性能、冲裁工艺数值模拟、高速冲裁机理和冲裁质量预测及控制等方面展开研究,为介观尺度薄板高速精密冲裁技术的应用奠定基础。本文完成的主要工作和取得的成果如下:(1)系统归纳总结了介观尺度微冲压成形及高速精密冲裁技术研究的现状和面临的问题,分析了介观尺度薄板高速精密冲裁技术的应用前景及其在应用中急需解决的关键问题,提出了相应的试验研究和理论分析相结合的解决方案。(2)采用单轴微拉伸试验,研究了介观尺度薄板在准静态条件下材料力学性能所表现出的尺寸效应,建立了耦合特征尺寸及晶粒尺寸的微细薄板本构方程。(3)借助SHTB(Split Hopkinson Tensile Bar,SHTB)试验,获取高应变率下材料的动态力学性能并构建了动态本构关系,基于位错运动理论对比分析了材料在不同应变率条件下的微观组织演化规律及宏观力学性能变化趋势。(4)基于表面层理论,将考虑尺寸效应的材料模型耦合到动态本构方程中,获得了介观尺度薄板高速精密冲裁的动态本构模型;基于DIC(Digital Image Correlation,DIC)方法的韧性断裂实验分析,预测薄板高速精密冲裁过程中的韧性损伤,并建立了耦合温度效应的薄板高速冲裁断裂准则;结合位错动力学理论和数值模拟技术实现了涉及耦合尺寸效应、应变硬化、应变率强化及热软化效应的介观尺度薄板高速精密冲裁的模拟仿真。(5)在不同速度冲裁实验的基础上,利用数值模拟技术研究了薄板精密冲裁过程中冲裁速度对最大冲裁力、冲裁断面的影响规律,以及薄板高速精密冲裁过程中冲裁断面的温度分布。根据冲裁实验所获得冲裁条料,分别利用SEM、TEM、EBSD、显微硬度计对冲裁断面形貌及其微观组织和性能进行了表征分析,研究结果表明在超高速冲裁时(SPM 1500、SPM 3000)冲裁断面局部区域因高速变形和绝热温升而发生了绝热剪切,并伴随有动态再结晶产生。(6)针对介观尺度薄板高速精密冲裁工艺优化中的复杂关系,提出一种基于SVM(Support Vector Machine,SVM)的机器学习方法。借助SVM回归分析,构建工艺参数与断面质量之间精确的多元非线性回归函数模型,并结合IPSO算法(Improved Particle Swarm Optimization,IPSO)来优化SVM的核函数参数,获得工艺参数与冲裁断面之间的定量关系,并预测冲裁断面质量,为介观尺度薄板高速精密冲裁工艺优化及其工程应用拓宽了思路。针对微型金属构件常采用的薄板高速精密冲裁技术,为了揭示材料在热力耦合强场作用下剧烈变形行为的科学实质,围绕力学本构这一关键科学问题,本论文开展了高应变率下材料动态力学响应测试及薄板高速冲裁实验研究。在充分获取实验结果分析与理论支持的基础上,提出基于IPSO-VSM算法的薄板高速冲裁断面质量预测模型,实现高速精密冲裁模拟及冲裁断面质量预测。本论文研究成果将为高速精密冲裁工艺优化与断面质量预测提供理论依据及技术支撑。
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【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG386.2

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