介觀尺度薄板高速精密沖裁的應用基礎研究.pdf

1、微沖壓成形技術（Micro-stamping Technology）已成為微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System,MEMS）零件規(guī)?；a的關鍵技術之一，其產品微型特征尺寸至少在二維方向上處于亞毫米量級（介觀尺度）。介觀尺度微沖壓成形技術正隨著微機電系統(tǒng)的飛速發(fā)展和逐步進入實用化，逐漸成為塑性成形領域的研究熱點。微沖裁作為微沖壓成形的典型工藝之一，對后續(xù)沖壓工藝流程及產品質量有著重要影響，而基于批量低

2、成本的產業(yè)化需求，介觀尺度薄板微沖裁在微型化的基礎上又面臨著高速化挑戰(zhàn)，介觀尺度薄板高速精密沖裁技術將成為微沖壓成形領域亟待研究的重要課題。本文采用斷裂力學、計算數學、材料學、人工智能、工程優(yōu)化及預測等基礎理論、數值模擬仿真與試驗相結合的研究方法，從介觀尺度材料性能、沖裁工藝數值模擬、高速沖裁機理和沖裁質量預測及控制等方面展開研究，為介觀尺度薄板高速精密沖裁技術的應用奠定基礎。
　　本文完成的主要工作和取得的成果如下：
　　

3、（1）系統(tǒng)歸納總結了介觀尺度微沖壓成形及高速精密沖裁技術研究的現狀和面臨的問題，分析了介觀尺度薄板高速精密沖裁技術的應用前景及其在應用中急需解決的關鍵問題，提出了相應的試驗研究和理論分析相結合的解決方案。
　?。?）采用單軸微拉伸試驗，研究了介觀尺度薄板在準靜態(tài)條件下材料力學性能所表現出的尺寸效應，建立了耦合特征尺寸及晶粒尺寸的微細薄板本構方程。
　?。?）借助SHTB（Split Hopkinson Tensile Bar

4、,SHTB）試驗，獲取高應變率下材料的動態(tài)力學性能并構建了動態(tài)本構關系，基于位錯運動理論對比分析了材料在不同應變率條件下的微觀組織演化規(guī)律及宏觀力學性能變化趨勢。
　?。?）基于表面層理論，將考慮尺寸效應的材料模型耦合到動態(tài)本構方程中，獲得了介觀尺度薄板高速精密沖裁的動態(tài)本構模型；基于DIC（Digital Image Correlation,DIC）方法的韌性斷裂實驗分析，預測薄板高速精密沖裁過程中的韌性損傷，并建立了耦合溫度效

5、應的薄板高速沖裁斷裂準則；結合位錯動力學理論和數值模擬技術實現了涉及耦合尺寸效應、應變硬化、應變率強化及熱軟化效應的介觀尺度薄板高速精密沖裁的模擬仿真。
　?。?）在不同速度沖裁實驗的基礎上，利用數值模擬技術研究了薄板精密沖裁過程中沖裁速度對最大沖裁力、沖裁斷面的影響規(guī)律，以及薄板高速精密沖裁過程中沖裁斷面的溫度分布。根據沖裁實驗所獲得沖裁條料，分別利用SEM、TEM、EBSD、顯微硬度計對沖裁斷面形貌及其微觀組織和性能進行了表征

6、分析，研究結果表明在超高速沖裁時（SPM1500、SPM3000）沖裁斷面局部區(qū)域因高速變形和絕熱溫升而發(fā)生了絕熱剪切，并伴隨有動態(tài)再結晶產生。
　?。?）針對介觀尺度薄板高速精密沖裁工藝優(yōu)化中的復雜關系，提出一種基于SVM（Support Vector Machine,SVM）的機器學習方法。借助SVM回歸分析，構建工藝參數與斷面質量之間精確的多元非線性回歸函數模型，并結合IPSO算法（Improved Particle Swa

7、rm Optimization,IPSO）來優(yōu)化SVM的核函數參數，獲得工藝參數與沖裁斷面之間的定量關系，并預測沖裁斷面質量，為介觀尺度薄板高速精密沖裁工藝優(yōu)化及其工程應用拓寬了思路。
　　針對微型金屬構件常采用的薄板高速精密沖裁技術，為了揭示材料在熱力耦合強場作用下劇烈變形行為的科學實質，圍繞力學本構這一關鍵科學問題，本論文開展了高應變率下材料動態(tài)力學響應測試及薄板高速沖裁實驗研究。在充分獲取實驗結果分析與理論支持的基礎上，提出