材料与设计
材
料与设计 Linfa Penga,Peng Hua, Xinmin Laia,Deqing Meib,Jun Nic
摘要:不同形式的传统成形过程,板件表面软穿孔过程只使用一个刚性模和另一个工具作为灵活的媒介,如天然合成橡胶。在这项研究中,一种微/内消旋软板打孔冲压工艺制作微通道是通过数值模拟进行研究和实验的。建立平面应变有限元分析(FEA)模型不同的通道几何(h = w),是为了分析与这一过程相关联的重要参数。晶粒尺寸的板金属和一些关键的工艺参数, 如软冲头的硬度和润滑条件都在本文详细的研究了。最后,计算结果在一定程度上是由实验验证。 1 介绍
随着电子和小型设备微型化的要求,对于微小零件有一个不断增长的需求。作为一个大规模生产制造技术,微/内消旋形成流程制造引起了研究人员的关注
[1-10]。微型软板冲孔形成主要过程是由于制造micro-sheet 部分低成本,小空间,能源消耗低。
然而, 传统的刚性模和冲压成型技术需要很多时间来设计流程和工具。此外, 精确装配的刚性模, 穿孔和其他附件也是非常复杂的,间隙工具可以避免起皱、破裂等缺陷。此外, 工具和过程的小型化使设计和制造更加困难。
与传统的工件形成刚性模的成形过程相比,软微/内消旋板成形过程有很多的优势。它只利用一个刚性模,和一个穿孔是软的天然合成橡胶等材料(见图1) 。因此设计刚性穿孔必须制造精确,对于软穿孔和刚性模也是精确装配的,因此,可以极大的减少时间和成本。
前研究人员在这个领域做了一些工作。大卫和埃米尔[11]提出了一个试验性研究,用橡胶生产金属板组件。他们通过使用100吨的双动液压机,调查流程和优化能力的过程参数,以确保没有缺陷产品。通过用一个商业有限元数值模拟包,Husnu [12]研究与FFP(柔性成形过程) 相关的重要参数。他们的调查显示了在过程
中有限元模拟的有效性,设计和暴露了橡胶的硬度和优势,空白的材料类型,接触摩擦,模具设计的关键参数在实际中需要调整操作。朱塞佩[13]也做了优化流程的模拟和实验,Thiruvarudchelvan [14]提出了几种成形过程,生产金属板烟灰缸和盘子。此外,在研究中,他还提出了关于这项技术的原理,如设计聚氨酯垫和实际原型设备。
然而,随着规模的减少,所谓的规模效应使传统的成型过程不能直接使用(1、2、7 - 8、15) 在微|内消旋成形领域。微成形技术的原理显示的并不清楚, 更不用说利用软冲孔微板的形成过程,这些关键工艺参数与工件的质量没有得到充分的研究。
本文的主要目的是建立一个有限元分析(FEA)模型来研究使用软板成形过程穿孔在微/内消旋的规模。Hyper-elastic 材料模型把软冲孔和刚性离散元素定义为刚性模。因此, 平面应变有限元分析模型建立了成型过程的模拟。晶粒尺寸的金属板和一些关键过程参数,如软冲孔的硬度和润滑条件,都在本文利用有限元分析模拟详细研究了。结果在一定程度上证实了形成实验。
李彭等人/材料和设计30(2009)783 – 790
图1 素内消旋板成形过程的工具
2 材料模型在有限元建模微穿孔板形成
有两种不同材料模型的有限元分析模型。一个是金属板的弹塑性模型, 另一个是hyper-elastic 模型来描述软冲孔的变形。为了获得准确的结果,要在材料模型精确输入数值模型。
2.1 晶粒尺寸影响材料应力-应变
SS304表用于本文的数值模拟实验。对于微/内消旋规模,工件的尺寸特性通常是在同一个级板的厚度金属。此外,只有几粒在金属板的部分。结果,部分晶粒的金属板在微成形过程中比在宏板成形过程中扮演一个更重要的角色,因为一些特殊区域的晶粒,例如接触区的刚性模,大部分发生变形。
准备单样本不同大小的颗粒(25 lm,60 lm和100 lm)。从平的冷轧薄板上线性剪切拉伸样品。图2显示了单轴拉伸试样,其测量长度是25毫米和未拉伸的样品长度60毫米,其过渡半径为7.5毫米,以减少应力集中和验证有限元分析模拟[15]。金属板不同颗粒大小显示不同的力学性能。当材料变形,内部的晶粒发生混乱,直到他们停止运动积累到边界。因此材料抗压力变得更加困难。一般来说, 混乱时大的颗粒比小颗粒容易进入。因此,大尺寸晶粒具有相对较低的流动应力抵抗力。表1显示了不锈钢的不同晶粒尺寸(25 lm,60 lm和100 lm)。
这些金属板材料不同颗粒大小的模型将输入数值模型探讨微型软冲孔过程。因此,晶粒尺寸影响数值分析和实验研究。
表1 SS304材料机械性能使用的形成过程
2.2 软冲孔Hyper-elastic 材料模型
软冲头是一种灵活的橡胶材料,具有非线性应力-应变特征相对大变形。通常假设是近可能在变形和hyper-elastic 模型(Mooney-Rivlin)用于描述其行为[13]。
Mooney-Rivlin 模型添加一个术语, 它取决于对Cauchy-Green 张量不变量。这种形式将更准确的符合实验数据。它使用一个应变能函数W ,应变分量的导数确定相应的应力分量。的形式Mooney-Rivlin 应变能潜力:
W 是单位参考体积应变能;I1,I2和I3是应变不变量。k 是体积弹性模量和I3 = 1不可压缩材料的行为。通常两个Mooney-Rivlin 参数(C10andC01)是用于描述hyper-elastic 橡胶变形。这些参数可以通过实验确定。
两种不同硬度橡胶软冲头(55 - 70)中使用有限元分析建模研究缩微过程,列出软材料的力学性能表2[15]中。在后来的实验中,采用70的橡胶硬度。压缩实验和执行反应力测量相比,它表明,软材料模型在表2有效。
a 素描的标本 b 样品的照片
图2 拉伸试样的几何尺寸
表2 软材料的力学性能
3 微板成型过程的数值模型
对于那些应用程序与高定量的面积小卷组件,如微加热器换热器、微反应器和燃料电池双板,表面积对体积的要求获得高的性能。一般来说,这些结构包含微观的连续凹槽由微板冲压制造的过程。
本文数值模拟和实验完成为了演示微型沟槽的形成过程的可行性软冲头。图3显示了草图的形状和几何微观维度表形成过程。从图3看出,它是明确的看到每个微型沟槽对称下独立加载在形成过程中。因此,一个微型沟槽已经提取建立有限元分析模型,来模拟微观槽形成过程(图3 b)。关键模拟数值尺寸如下: 槽:年代跨度= 5.0毫米
微型画的角度= 15
上部刚性模:半径R = 0.3毫米
低刚性模:半径r = 0.2毫米
宽度值:w
深度值:h
在这项研究中,形成不同纵横比的过程(高度, 宽度) 的0.5和0.75倍(如图3所示) 探讨有限元模拟。
Hyper-elastic 材料模型定义为软冲头和弹朔性材料模型定义为0.1毫米厚度不锈钢定义各种颗粒的尺寸。应变有限元分析模型建立了利用有限元代码,有限元分析/标准,如图4所示。节点双线性平面应变混合元素减少集成和控制用于软穿孔的模型双线性平面应变使用元素不锈钢板和刚性模被定义为离散刚体。工件之间不同摩擦系数严格的定义软冲头模和金属板。对称边界条件是根据实际的约束条件定义的。
4 模型的结果和讨论
一般来说,可分为板料成形过程两个不同的步骤:步骤一是板材表面弹性恢复。其表面是否可以部分形成的问题,成形性:问题在于弹性恢复是变形工件的形状是否可以保持原样。在这项研究中,成形性是主要被关心的问题,不被认为是弹性恢复。
图4显示了成形过程(长宽比h = w¼0:5)的步骤。从模拟结果可以清楚地看到,微型沟槽成形过程包含三个不同阶段:首先是软冲头自变形的阶段;第二个是金属板的表面的变形,软重头到达刚性模的底部;最后阶段是金属的填充,直到刚性模符合要求。它还可以发现刚性模缺陷形成过程是由于应力集中产生的裂缝。在目前的研究中,研究厚度变薄是用来评估期间板裂缝的风险形成的过程。
图3 微/内消旋板成形工艺制造微型沟槽特性
图4 微型沟槽利用软工具形成的三个阶段
图5 Von-Mises 应力分布表使用软工具形成的不同的硬度:(A)由软支撑工具硬度70(h / w = 0.5);(b)形成的软工具肖氏硬度50(h / w = 0.5);(c)由软支撑工具硬度70(h / w = 0.75)和(d)形成的软工具的肖氏硬度50(h / w = 0.75)
一般来说,一些关键参数扮演了一个重要的因素在整个成形过程中,由几何模具和工件的材料决定。在传统的工件成形的过程中,压边圈形状和应力的是其主要因素,可以在许多文献中被发现。但在目前的软穿孔板冲压过程中,软冲头和润滑的硬度是工具和板件之间最关心的工艺参数和详细的研究。
4.1 软冲头硬度的影响
两种橡胶用于支撑的硬度为55和70(表2) 采用有限元模拟研究影响穿孔的硬度。定义库仑摩擦系数两个接口为(0.1)。图5显示了V on-Mises 压力分布与0.1毫米钢板25 lm 的变形后的晶粒尺寸,同时发现形成工件的应力分布也在相同的应力集中区域。
数值和实验结果表明,该变形超出了1.3毫米的距离非常小(图6) 。这个研究结束后,我们最担心的是断裂地区在1.3毫米的距离内。因此,对1.3毫米长度一半的工件进行了分析。
图6显示了不同软冲头的部分厚度。表明其厚度曲线几乎是相同的。这意味着硬度不是一个决定性因素在微板软冲压工艺中。其原因是,他们的自身应力与载荷力在封闭容器里是相等的,因此,软冲头的硬度是不同的。
图6 厚度分布的组成部分与各部分冲头
a 最后的厚度分布 b 最后的厚度分布
图8 厚度的组成部分形成不同晶粒大小的特征尺寸
4.2 金属板晶粒尺寸的影响
材料的晶粒尺寸其变形行为在微观/内消旋规模中扮演一个重要的角色。在微板料成型过程中,晶粒尺寸的厚度比在传统板料成形过程中的比率大,因此在工件表面只有少数部分的晶粒决定最终的质量的组成部分。
为了研究晶粒尺寸的影响,把不同颗粒大小的0.1毫米不锈钢材料(D = 100 lm,D = 60 lm和D = 25 lm)输入到数值模型中。模拟执行相同摩擦条件下,软冲头的硬度为70和加载力是80 kN。
图7显示了V on-Mises 压力和最终形成的部分不同晶粒的大小。从图中可以看出25 lm粒度的应力分布比100 lm部分更密。由于长宽比h /w=0:75,其绘制深度值为0.04毫米、0.044毫米和0.046毫米,25 lm、60 lm 和 100 lm。这是因为小的颗粒有较大的抗变形能力,因此其绘制深度较小。
图8显示了不同颗粒大小形成工件的厚度分布。从图8中, 可以清楚地看到,刚性模的接触面是厚度减少区域,其应力集中使板严重变形最终使薄板断裂。长宽比h /w=0:5,100 lm晶粒尺寸工件厚度从原来的0.1毫米减少到0.054毫米,0.063毫米60 lm粒度和0.068毫米25 lm晶粒尺寸工件。相同结论可以从模拟结果获得h / w=0:75(见表3) 。
通过表格上面的分析,我们发现,工件中大颗粒的存在更容易在形成过程中
开裂。原因是较小的晶粒有更多晶粒为工件部分定位,这样他们有更多的颗粒分配有限的变形比大的晶粒。此外,较小的颗粒通常有较大的k 和n 值,这样他们有更高的能力分配变形,比这更大的颗粒。因此,发现厚度在0.9毫米的距离D = 25 lm曲线比其他两个曲线低得多,虽然高于其他两个在距离0.65毫米(图8) ,这意味着变形更加均匀,厚度变化较小。
表3 成形部分减少的厚度
图7 最终形成零件的形状与不同粒径的尺寸(80 kN): (a)最终形成零件的形状(w = 0.8,h / w = 0.75)和(b)最终形成零件的形状(w = 1.2,h / w = 0.5)
a 最后的组成部分 b 最后的组成部分
图8 成形部分的厚度不同的晶粒大小
图9、V on-Mises 形成的应力分布与不同摩擦条件下的尺寸:(a)摩擦系数f1 = 0.3和f2 = 0.1,(b)摩擦系数f1 = 0 f2 = 0.1,(c)摩擦系数f1 = 0.1和f2 = 0和f1,(d)摩擦系数= 0.1和f2 = 0.3
图10 厚度分布的组成部分(80kN )
图11 实验装置的微/内消旋片软冲压成形过程
4.3 摩擦条件的影响
摩擦也是一个重要的会影响成形性和质量的组成部分的控制参数。几家出版
社(1、3、4) 描述微缩的摩擦过程比在传统的形成过程中大。因此其影响力在微缩领域更为重要[16-17]。
两个摩擦接口在进行调查摩擦的影响研究中被定义。软穿孔金属板的摩擦系数是金属板f1和刚性模f2之间的摩擦系数。f1and f2的价值定义从0(无摩擦) 到0.3,数值模拟执行(h /w=0:5)结果如图9和10所示。
图9显示了V on-Mises 形成的应力分布有不同的摩擦系数。应力分布大多数是相同的,当摩擦系数从0到0.3(图9 a和b) 。然而,当压力增加和压力变得更加不均匀,刚性模具和板料摩擦系数f2 从0增加到0.3(图9 c和d) 。当f2等于0.3时,增加了金属板与刚性模之间应力集中,这意味着金属板是容易断裂的。 从图10可以获得相同的结果。其显示组成部分的厚度分布与不同摩擦系数。从图中可以看出曲线几乎相等,当f1= 0和f1=0:3。当摩擦系数f2从0增加到0.3,厚度分布变得更大,厚度减少到0.058毫米(f2=0.3)0.072毫米(f2=0,没有摩擦) 。
因此,在软冲头和金属之间,摩擦并不是一个重要因素,而是影响金属板和刚性模成形过程的主要参数。软冲压变形的原因是随着板料在成形过程中,相对运动和摩擦的影响要小得多;当刚性模不动,界面相对运动比摩擦力更大,使金属板更难以移动,尤其是当摩擦系数增加。
5 微软冲压成型的实验
为了研究微/内消旋成形过程的特点,软冲头和验证有限元分析模拟结果的准确性,实验装置准备(图11) 。实验装置由刚性容器,软冲头,金属板,刚性模组成。两个相同尺寸的刚性模与不同的电火花工艺参数。一个刚性模是粗糙和,而另一个是光滑的模具表面抛光。表面粗糙度测量和粗糙度值是2.69 lm和0.983 lm ,粗糙的模具和光滑的模具(如图12) 。0.1毫米的SS30不锈钢薄板的晶粒尺寸为25 lm,在实验中使用的软冲压实验和合成橡胶的硬度为70,成形实验是通过利用一个500 t液压机机器。
实验已经完成, 将负载力80 kN,如图13所示一个组成部分。然后, 形成部分
沿中间虚线削减(如图13a) 。为了测量厚度的组成部分,通过光学测量部分预计和扩大装备(如图14) 。随着负载增加,因为刚性模的集中应力,金属板裂纹。如图13 b显示在100 kN的负载时,裂纹形成的部分 。
图12 粗糙模具用于实验
测量微型沟槽部分的厚度,分别在四个不同的位置:微观中间槽的底部(O),最小厚度(C),转变区域(B)和0.6毫米B 点(A),粗糙的刚性模,光滑的刚性模被应用在实验中,分别为:组成部分的厚度测量,根据图14所示。图14显示数值的模拟结果与实验结果。这表明,更多的应力集中变形点C 的高耐摩擦,因为它有更大的摩擦力,阻止在成形过程中材料移动。图15显示了材料组成部分和实验结果的照片。很明显看到了模拟结果与实验结果相符合符合。
图13 成形部分不同负载的照片(h /w=0.75)
a 测量示意图 b 金属板厚度的部分
图14 成形部分的厚度组成
图15 成形部分的比较(h / w=0.75,100 kN)
6 结论
本文利用软冲头通过数值模拟和实验研究微/内消旋板成形过程。成形过程的数值模拟和实验研究证明不均匀变形和微型槽的部分形成部分可分为变形区和未变形的区域。最危险的位置位于接触面积小,应力集中的刚性模。
在成型参数(材料晶粒尺寸、摩擦和冲头硬度) 与成形过程的详细调查中发现金属板存在小晶粒容易获得高成形性。金属板和刚性模之间的摩擦系数可使表面迅速变薄,降低了成形性, 而金属和软冲头并不扮演重要角色。软冲头的硬度并不是一个决定最后工件质量的参数。
感谢
这项工作是在中国自然科学基金(批准号50405036,50775203) 和国家863高科技术研究和发展计划(20060111 a1222) 支持下实施的。我们感激他们的财政支持。特别感谢密歇根大学的博士Kim-yong ,他对于我们的研究给了很多帮助。 引用
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