微型正挤压工艺尺度效应实验研究及数值模拟

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1、微型正挤压工艺尺度效应实验研究及数值模拟摘要本研究由上海交通大学青年教师科研启动基金资助。在对微成形及各种尺度效应现象的研究现状与发展趋势详细分析的基础上，选取典型的微型正挤压工艺作为研究对象，通过对具有不同外形尺寸以及不同平均晶粒直径的圆柱体微型铜坯料进行微型正挤压成形实验，研究坯料尺寸、晶粒尺寸等因素对微型正挤压工艺过程中发生的流动应力波动尺度效应的影响；通过对所成形零件轴截面上的显微硬度测试试验，研究晶粒直径的变化对材料非均匀流动尺度效应现象的影响，为微成形工艺的进一步研究与发展作了初步探索。本研究同时还设计、制造了微型正挤压模具，对微成形工艺模具设

2、计进行了初步探讨。最后还运用通用有限元软件MSC.MARC对微型正挤压工艺过程进行了数值模拟的初步研究，方便了微成形工艺数值模拟相关研究的进一步开展。通过对微型正挤压工艺的实验研究，发现随着坯料平均晶粒直径的增大，微型正挤压工艺实验的可重复性明显降低，流动应力波动尺度效应现象也越来越明显，成形过程中材料的流动应力波动幅度也随之增大；通过成形件的显微硬度测试，发现随着坯料的平均晶粒直径的增大，变形区附近材料的显微硬度分布不再是对称分布，轴线两侧材料的显微硬I度的偏差值也随之增大，间接反映出成形过程中材料的非均匀流动尺度效应现象越来越明显；通过对微挤压过程的初

3、步数值模拟研究，验证了利用有限元数值模拟技术研究微成形工艺过程及尺度效应现象的可行性。关键词：微成形，微型正挤压，尺度效应，流动应力波动，非均匀流动，数值模拟IIEXPERIMENTALRESEARCHANDNUMERICALSIMULATIONOFSCALEEFFECTSONMICROFORWARDEXTRUSIONPROCESSABTRACTThisresearchwassupportedbyInitialScientificResearchFundofYoungTeachersinShanghaiJiaoTongUniversity.Basedond

4、etailedanalysisaboutcurrentinvestigationsanddevelopmentsofthemicro-formingtechnologyanditsscaleeffects,inthispaper,tostudytheeffectofgrainsizeandbilletshapeonthefluctuantflowstressandinhomogeneousmaterialflowscaleeffects,microforwardextrusionprocesstestswerecarriedoutwithmicrocopp

5、ercylindersofdifferentaveragegrainsizeandshapeasformingbillets.Beforethat,themicroforwardextrusiondiewasdesignedandmanufactured,andthedesigntechnologyofmicro-formingdiewasdiscussed.Furthermore,microhardnesstestsonaxialsectionoftheformedpartswerealsoconductedtostudytheinhomogeneous

6、materialflowscaleeffect.Intheendofthispaper,theelementarynumericalsimulationofmicroforwardextrusionprocesswasperformedwiththeuniversalFEMsoftwareMSC.MARC.IIIThroughtheexperimentalresearchofmicroforwardextrusionprocess,itwasfoundthat,withtheincreaseofaveragegraindiameter,therepeata

7、bilityofexperimentsobviouslydecreased,andthefluctuantflowstressscaleeffectwasmoreexplicit,namelythefluctuationofflowstresswasaugmenting.Fromthemicrohardnesstestsofaxialsectionoftheformedparts,thehardnessdistributionneartheformingareawasfoundnolongersymmetrical,andthehardnessdiffer

8、encebetweenbothsidesofsymmetryaxi