Анализ микро/мезомасштабного процесса штамповки с равномерным, зависящем от размера материала учредительного модели

 

Министерство образования  и науки РФ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ

 УНИВЕРСИТЕТ

ИАМиТ

Кафедра сопротивления материалов и строительной механики

 

 

 

Реферат по дисциплине «Сопротивление материалов»

На тему: Анализ микро/мезомасштабного процесса штамповки с равномерным, зависящем от размера 
материала учредительного модели

 

 

 

                                                          Выполнил студент группы ТТб

                                                             Принял 

 

 

 

 

 

 

Иркутск 2013

 

Введение

 

С текущими требованими все больше и больше микропортативных устройств и другой миниэлектроники, микрометаллических  частей необходимы для минимизации продукции. В технологии массового производства, процессы микроформирования в последнее время привлекают внимание производителей и исследователей.

Микрометаллическая штамповка - главный процесс для производства микрометаллических  частей в связи с  низкой ценой, занятием ограниченного пространства, низким потреблением энергии.

Поэтому, необходимо развить  точный процесс микроформирования для промышленности микрочастиц. Однако, когда размер механической детали меньшие, чем 1.00 мм, так называемое эффекты размера достигают уровня [1–3], который ноу-хау, эмпирическое и аналитические методы в традиционных процессах формирования и не могут быть непосредственно использоваться в микроформировании.

 В настоящее время  компьютерное моделирование традиционных макромасштабов металлов формирует процессы,  использующие методы FE, достигли определенного уровня, основанной на точных моделей материала. Но отсутствие доступных моделей материала и осложнений, связанных с подключением различных масштабов, ограничивает использование инструментов моделирования в процессе микроформировании за счет размерных эффектов. В результате, точные результаты численного моделирования процесса микроштамповки труднее приобрести, чем у обычной штамповки. В результате, знание микроштамповки процессов базируется в основном на основе опыта проб и ошибок процедур.

Как правило, размер материальных последствий происходят из двух совершенно различных источников: во-первых, "размер зерна", а другой "функция / размер образца", которые на самом деле включают в себя геометрические масштабированые заготовки. Два типа размера / масштаба эффекта показаны на Рис. 1.Наиболее часто параметром  для описания материалов используют поведение кривой напряжения течения, поскольку оно определяет формирование силы, нагрузки на инструмент, поведение материальных потоков и, таким образом, заполнение матрицы. С увеличивающейся миниатюризацией, кривые напряжения – так называемые эффектами размера, которые были наблюдаемы в бывших экспериментах [3,7-12]. Обычно, явления может быть объяснено поверхностной моделью [1-3,6] .  

Теория подобия обычно используют в экспериментах по изучению эффектов материала размером [2-3,7]. В экспериментах на осадку, серия образцов CuZn15 (размер зерна 79 мкм) были сделаны с различными размерами и том же масштабе длины с измерением инструментов [2]. Было обнаружено, что напряжение пластического течения уменьшается с уменьшением длины шкалы. Аналогичные результаты экспериментов наблюдаются позже в микроформировании [8-10]. Масштабный закон был также использован

Калс  и Экштейном [7] использовали CuNi18Zn20, листы разной толщины в исследовании размерных эффектов поведения материала. Он указывает, что напряжение течения увеличивается с увеличением масштаба длины. Листы из различных материалов, таких как CuZn15 [8], алюминий [9,10], латунь[9,11], также используют в экспериментах по изучению эффекта размеров и получены аналогичные результаты.

Результаты с некоторым усилием попытались проиллюстрировать поведение материала[11-13].Для того чтобы смоделировать процесс микроформирования точно, соответствующая модель материала необходима пройти через большой диапазон размеров, весов. В качестве материала развивается через последовательность этапов изготовления, так должно точные материальные уравнения представляющих их. В этом исследовании, однородный размер зависит учредительных модель представлена​​. Вводя масштабный фактор, он может предписывать оценки поведения материала от макромасштабные к MicroScale. Одноосные образцы натяжение SUS304 листы с различной толщины подготовлены и растяжение эксперименты выполняется для проверки модели материала. Кроме того, модели FE микро / mesosheet формования устанавливаются с этим одинакового размера зависит учредительных модель материала для исследования

 номенклатура

Ϭмоно - напряжение течения  монокристалла,МПа

Ϭполи- напряжение течения  поликристалла, МПа

Ϭмикро/мезо - напряжения течения  материала в микро/мезомасштабными (МПа) 
          ε - эффективная деформация

Ƞ- размер/коэффициент масштабирования

Ϭ_s-поток стресса, внешнего объема зерна МПа

Ϭ_i-поток стресса, внутреннего объема зерна МПа

N_s-количество поверхностей / внешнего зерна

Ni- количество внутри/объем зерна

N-общее число зерен

Ϭ₍₀₎ε- напряжение трения, необходимое для перемещения отдельных дислокаций в микро-дали полос скольжения скоплений, ограничивается

в единичных зернах (МПа)

k(ε)- локальное усилие стресса, необходимое для распространения выхода через границы зерна поликристалла (МПа)

d- размер зерна

τ_R-критические скорости сдвига решены напряжение монокристалла

(МПа)

M- Ориентационный фактор, связанный со скольжением деформации системы

m- ориентации фактора (m≥ 2)

w- ширина листа образцов

t –ширина листа образцов

Ϭ_dep- размер зависимый от времени напряжения течения материала для

 микро / мезомасштабных (МПа)

Ϭint-Размер независимый от времени напряжения течения материала для

микро / мезомасштабными (МПа)

 

 

 

2. Размер зависит от материала учредительного моделирования на

микро / мезомасштабах

 

С точки зрения конструкции, напряжение пластического течения  и кривой упрочнения является очень важным фактором, который влияет на деформацию материала, процесс проектирования и выбора оборудования. Напряжения течения микро / мезомасштабных экспериментовобнаружили, что будет отличаться от обычных масштабов, поскольку размерные эффекты,  требуют больше точных моделей для представления.

 

 

2.1. Теоретическая модель

 

 

Материал поведения оказывается  зависимым со шкалой в процессе микроформирования, который очень сильно отличается от обычных процессовт формирования. В настоящем исследовании представлена модель материала, ​​основанная на гипотезе поверхностной модели [2,13]. На самом деле, весь материал состоит из двух частей: Поверхность / внешние зерна и внутреннего / объем зерна (рис. 2) с точки зрения микромасштабных. Таким образом, напряжение течения материала предоставлены два вида напряжения течения: страдая от объемного зерна Ϭ_s(ε) и стресс поверхности зерно Ϭ_i (ε) в соответствии с поверхности модели. В отличие от внутреннего зерна, зерно на свободной поверхности менее ограниченено. Таким образом, механические свойства космического зерна очень похожи на один кристалл. С другой стороны, внутренние зерна могут быть приняты в качестве поликристалла.

Согласно предположению  выше, страдая от объемного зерна и стресс поверхности зерна могут быть выражены следующим образом [13-15]:

 

 

Рис. 1. Иллюстрация двух типов  размер / эффекты [5].

 

 

Рис. 2. Зерна распределения  в раздел Материалы с уменьшением  функции

масштабе [13].

 

Для о

Свободного кристалла m является ориентация фактор (м ≥ 2) [13,16]. Для FCC кристаллов, M равна 3,06 и 2,23 для Тейлора и Sachs моделей соответственно [17,18].

В результате свойства материала  могут быть смоделированы комбинации внутреннего зерна и своего зерна. Как правило, это приводит к меньшему упрочнению и более низкое сопротивление к деформации поверхностного зерна, потому что дислокации, проходящие через зерна в процессе деформации накапливаются на границах зерен, но не на свободной поверхности.

Кроме того, отношение этих двух различных видов зерна резко меняется с изменением функции / размера образца на микро / мезомасштабах, так что уменьшение напряжения пластического течения при миниатюризации размеров элементов наблюдалось в бывших экспериментов.

Именно поэтому размерный эффект, таким образом, соотношение поверхности зерна в общем объеме зерна в разделе особи вводится как масштаб фактор ƞ

Ƞ=

 

 

Рис. 2 показано распределение  зерна раздел Материалы время

Размер зерна остается постоянный. Он указывает, что поведение изменения  поликристаллической модели в макромасштабах, в монокристаллической модели в микромасштабах с уменьшением масштаба, в то время как размер / фактора возрастает. Это означает, что действует влияние размерных эффектов. Поэтому развитие потока стресса 
от макромасштабе (поликристаллический) на микроуровне (одного кристалла)  
описано, как уравнение. (3) [13]

 

Где Ϭ _моно является напряжением течения монокристалла. Ϭ_поли микро / мезо напряжения течения на материалы в микро / мезомасштабными. Для материалов в микро / мезомасштабах одной модели кристалла связаны нижняя грань и в поликристалле верхняя.

Согласно анализу выше, мы можем выразить напряжения течения материалов на микро / мезомасштабными в такой форме:

Где Ns и Ni это число поверхность / наружность зерна и внутренний / объем зерна, соответственно, N это общее число зерен; учитывая Ns=ƞN, уравнение (4). Может быть выражен с использованием масштабного коэффициента ƞ, как размер зависимый параметр, в котором влияние размерных эффектов может быть оценено в микро / мезомасштабными. Для материалов в микро / мезомасштабными, одна модель кристалла имеет нижнюю грань и в поликристалле верхнюю, они связаны.

Согласно анализу выше, мы можем выразить напряжения течения материалов на микро / мезомасштабными в такой форме:

 

Для размера фактор ƞ = 0, то уравнение (5). Выражает напряжение течения для обычных поликристаллических материалов. В то время как размер фактор ƞ = 1, оно выражает поток стресса для монокристалла.

Для того чтобы проанализировать влияние размерных эффектов, эта  модель может быть разделена на два различных термина: зависит от размера модели и размеронезависимые модели. И модели материала можгут быть выражены как

\

 

 

Таким образом, материал модели может быть выражен обычным

поликристаллическим материалом модели с вычитанием влияния размерных эффектов в потоке стресса.

 

Рис. 3. Поверхность зерна и внутреннее зерно в листе образца [13].

 

2.2. Размер фактора микролиста формования Рис. 3 показывает зерна листа в другом масштабе. лист зерна диаметром d. Толщина листа и ширина заметили t и w соответственно. Количество поверхность зерен в секции может быть

Рассчитанно

 

Общее число зерен в разделе может быть выражено как

 

Поэтому размерный коэффициент получается

 

Из уравнения. (8), оно может  установить, что размер фактор ƞ в

микро / mesosheet формования связана с двумя параметрами: Ширина листа и толщины листа. В микро / мезомасштабными, Ширина листа W, как правило, гораздо больше, чем толщина t (wt), а ширина W также гораздо больше, чем диаметр зерна d(wt). Таким образомe, (w +t −2d)/w ≈ 1. . Таким образом, уравнение. (8) может быть упрощено

 

 

3. Эксперименты и проверки

 

В микролистах процесса формовки, функция размера, например, высоты, длины и ширины заготовки, находится в той же величине как толщина или размер зерна листового металла с уменьшение масштаба. В этом случае зерна в разделе листового металла играют все более важную роль в формировании процесса, чем в макролистовом формировании п, потому что какие-то зерна в специальных областях, такие как контакт области с жестким штампом, вносят наиболее деформации. Таким образом, и размер зерна и функция / образец размера должна быть считаться.

 

3.1. Micro / mesoлистовые эксперименты на растяжение

 

Для подтверждения одинакового  размера модели зависит от материала предложенных в данном исследовании, растяжение образцов готовят и эксперименты проводятся. Материал используют в экспериментах SUS 304 из нержавеющей листовой стали. Лист образцов со средним размером зерен от 25 мкм готовят различной толщины (Т = 0,1 мм, 0,2 мм, 0,4 мм, 1,0 мм).

Растяжение образцов провода, вырезаные из плоского холоднокатаного листа. Рис. 4 показывает одноосное растяжение образца. Измерительная длина 25 мм и длиной свободного образца 60 мм. И переход радиус Ris 7,5 мм для снижения концентрации напряжений и проверить с помощью МКЭ моделирования. Прочность на эксперименты проведены и рис. 5 показывает истинное напряжение и стресс, кривые растяжения образцов с различной толщиной.

 

Рис. 4. Предел измерения образца  и геометрия (мм). (а) эскиз образца, (б) картина образца.

 

В  

 

 

 

 

Уравнения Свифта подбирает под напряжение и стресс кривые рис. 6 и значения механических свойств полученных в настольные 1. Удлинения измеряются и масштабные коэффициенты получены по Eq.9.. Очевидно видеть, что напряжение пластического течения также уменьшается с уменьшением толщины листа, несмотря на тот же размер зерна и химическими свойствами. Так же, как предыдущий анализ, ясно видно, что напряжения течения уменьшается с уменьшением толщины листа. Это потому, что зерна расположены на свободной поверхности менее ограничены чем зерна внутри материала.

 

 

 

 

3.2. Проверка и обсуждение

Мы используем эти экспериментальные  результаты для анализа материала поведения в процессе микроформирования и проверки модели материала предлагаемых в данной работе. Согласно уравнению. (9), значения размера фактор варьируются соответственно от 0,025 до 0,25 с различной толщиной образца. Для масштабного коэффициента = 0,025 (Т = 1,0 мм), внутренние зерна гораздо больше, чем поверхность зерна, поэтому напряжение пластического течения можно считать, что и для обычного поликристаллического материала. Практически размерных эффектов не считаются.

В традиционном процессе формования листа используют 1,00 мм толщиной листов. Следовательно, неопределенных коэффициентов в модели может рассчитывается по МНК (метод наименьших квадратов) основан на предположении, что кривые напряжение пластического течения может быть идентифицированы с экспоненциальным законом. Мы можем получить критическое напряжение сдвига

По словам Шмида права  и единой теории пластичности кристалла,

напряжения течения для  одной модели в которые параметр m 2 для нижней границы состоянии [16]. Размер независимых срок (поликристалл модели) может быть рассчитана с помощью Эквалайзера.(6), где фактор ориентации 3.06 согласно модели Тэйлора (верхняя граница модели), а также зависящие от размера срок. Она представляет, что поведение материала изменяется от монокристалла до поликристаллического материала, когда размер фактор ƞ изменяется от 0 до1.

Кроме того, результаты моделирования рассчитываются по модели материала

будет двигаться вверх, когда  размер зерна D увеличивается от 25 мкм до 100 мкм, что означает, что материалы с большим размером зерна являются склонны к влиянию размер / масштаб эффектов. На самом деле, обычный macroforming процесса и микро / mesoforming процесс может определяться в соответствии с влиянием размерных эффектов. Размер / факторы образца в экспериментах показано на фиг. 8. разница размера / масштаба можно проиллюстрировать причиной того, что поток стресс 1,0 мм толщины листов намного больше, чем 0,1 мм

 

Рис. 7. Проведено сравнение  расчетных и экспериментальных  результатов.

 

 4. Анализ размерных эффектов в микро /мезолистовом формирования

4.1. FE модели для микро / мезолистов формования

 

Размерные эффекты являются наиболее сложными проблемами в микро / мезоформировании проектирования, которые делают процесс проектирования более сложно. Для микрометаллического листа процессе формирования материала в различных шкалах показывается различные поведения, которые должны быть рассмотрены в матрицы и пуансона дизайн, и определение формирования силы и нажмите выборе машины.

В этой статье пример был  дан, чтобы убедиться в справедливости этого, зависящие от размера учредительные  модели. Кроме того, в целях изучения влияния размер материала эффекты микролистовой штамповки 
процесс, FE модели микро-форма U формирование листа устанавливается. Микро-умереть 1000 м в ширину и 1000 м, глубина 200 м, радиус пуансона и в 300 м умереть радиуса (рис. 9). Зазор 
между пуансона и матрицы составляет 1,1 время ширина листов. Пустой удерживать силой, 2000, N и максимального хода пуансона устанавливается 
0,75 мм. 
              Размер зависит от материала учредительного модель, предложенная в данной статье, принятой в FE-модели. Правоохранительные интеграции массового элемента C3D8R используется потому, что толщина листа-это же масштабе, как функция размера микро-U части формы. Удар и пустой держателей дискретных твердого тела. Коэффициент трения между листового металла составляет 0,1 ,коэффициент трения 0.1 также определяется между пустым владельцев и листового металла и никакого трения определяется между пуансоном и листа.

Рис. 8. Размер / масштабный коэффициент  как функцию размера зерна  и толщины листа.

 

 

 

 

Рис. 9. Эскиз микролистового формования.

 

 

4.2. Результаты и обсуждение

 

На основе моделей FE выше, численного моделирования выполнены. Различные масштабные коэффициенты вводимые в модели FE Для оценки влияния размерных эффектов. Рис. 10 показано Сравнение силы удара для микро / мезолистового формирования обработать с и без учета размерных эффектов (ƞ= 0,ƞ= 0.25). В свете рис. 10, было обнаружено, что сила пуансона 150N для случая без размерных эффектов считается (= 0, поликристаллического напряжение течения), когда удар вытесняют достигает 0,75 мм, в то время как он уменьшается, очевидно, 110N для случая с размерные эффекты считаются (? = 0,25). Отличие распределения напряжений Мизеса показано на рис. 11. Это указывает на очевидное снижение стресса, когда Мизес влияние размерных эффектов учитывается. Прогнозируемые результаты показывают, что максимальное напряжение Мизес 1271MPa для традиционных поликристаллического материала модели (без размерных эффектов) и для 920MPa размерных эффектов рассматриваются. Причина в том, что микро / мезомасштабными материала модель содержит два слагаемых: зависит от размера срока и размера независимых который не вычитается для обычных ploycrystal модели. Таким образом, напряжение течения микро / mesomartial модели должно быть меньше, чем моделировать с помощью традиционной модели. Таким образом, размер последствий должны приниматься во внимание при Концепция стадии проектирования микро / mesoforming процесса.

 

 

 

 

 

Рис. 10. Сравнение силы удара  в зависимости от относительного хода удара.

 

 

 

Рис. 11. Сравнение распределения  напряжений Мизеса микро-штамповки деталей. () Размеры

Эффект не считается, (б) размер эффекта считается.

 

В соответствии с этим одинаковоый размера модели зависит предлагаемый материал. В этом исследовании материала поведения из листового металла с различными Толщинами может быть описана с помощью различных факторов масштаба ƞ Поэтому процесс формования для SUS304 листов различной толщины можно имитировать с помощью одной единой определяющее уравнение с различные факторы масштаба, чтобы описать их поведение. Масштабный коэффициент оказывается 0,5, 0,25, 0,167 и 0,125 на 0,05 мм, 0,1 мм, 0.15mmand 0.2mmthickness SUS304 листы, respectively.Numerical

моделирования сделано и развитие сила удара микролистового процесса формования с различной толщиной получается и показано на фиг. 12.

 

Рис. 12. Нагрузка удара в зависимости от относительного хода удара для разной толщины листа.

 

Что касается минимальной толщины 0,05 мм, сила удара является N 40,96, однако она возрастает до 195.66N на 0,2 мм толщиной листов, когда ход удара достигает 0,75 мм. Кроме того, он Также установлен, что максимальная сила удара является 43.86N в то время как удар смещения 0.67mm, что означает листа стали тонкий резко и риск разрыва листа увеличена. Принимая во внимание, не убывает и никакой очевидный разрыв не наблюдается для листов толщиной 0,2 мм из-за его высокой способности распределить равномерно деформации из-за относительно высокого напряжения течения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Заключение

   

Для того чтобы получить точную конструкцию микро / мезоформирования, основанного на КЭ анализа, правильное моделирование поведения материала на микро / мезомасштабными считаются необходимыми  размерные эффекты. В это исследование, однородный размер зависит от учредительных моделей материала устанавливается для описания развития материально поведения от макромасштабные к микро / мезомасштабными путем введения размерный фактор. Это установливает, что напряжение пластического течения в микро / мезомасштабах между одним кристаллом (нижняя граница) и поликристаллического модели (верхняя граница). По сравнению с традиционными поликристаллическим материалом модели, новый материал модели содержит два различные части. Одним из них является размер независимый термин, который соответствует традиционной модели поликристалла и другой размер зависимый термин, который содержит влияния размер / эффект масштаба. Предел Эксперименты проводились для проверки модели. В конце концов, FE моделей микро / мезоформирования создаются на основе этого материала равномерным учредительных модели. Моделирование выполняется с различными факторами размера. Результаты моделирования показывают, что существует большая разница между результатами с учетом размерных эффектов и что без размера эффектов. Таким образом, размерные эффекты необходимо учитывать при проектировании микро /мезоформировательного процесса.