本文是一篇工程硕士论文，工程硕士专业学位是与工程领域任职资格相联系的专业性学位，它与工学硕士学位处于同一层次，但类型不同，各有侧重。工程硕士分为全日制工程硕士和GCT工程硕士。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇工程硕士论文，供大家参考。
第 1 章 绪论
1.1 引言
随着精密机械及电子工业的快速发展，微零件在各行各业得到广泛的应用，特别是在微系统技术（MST）、微机电系统（MEMS）等领域的需求更是日益增长。由于微系统技术、微电机系统具有结构微型、功能集成等优点，成为各国研究和投资的热点，被世界公认为是与信息技术、生物技术并列的另一个产业增长点，前景十分广阔[1]。在产品微型化的要求下，对微零件可靠性的要求也越来越严格，这就对生产工艺提出了更高的要求，比如如何生产小体积、高精度、性能稳定、高密集、低成本的微零件。针对这些问题探索微塑成形技术的成形理论和研究金属塑性成形工艺已成为诸多学者的关注的焦点。虽然世界上一些工业发达国家，如日本、德国，已经进行了大量的研究并且取得了一些可观的成果，但对整个微塑成形技术而言，到目前为止还处于探索和实验研究阶段。所以在技术探索中，该领域将来必然发生的激烈竞争，掌握核心技术意味着抢占科学技术的制高点[2]。因此研究微成形技术的基础理论和工艺方法，应用数值模拟对成形工艺进行优化，具有十分重要的意义。通过微塑成形制成的微零件在日常生活领域中得到广泛的应用，比如心血管支架、电子枪微拉深杯、CPU 内部引脚、微型挤压零件、微型罩壳等。
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1.2 微塑成形技术的研究现状
1.2.1 微塑成形技术研究进展
与宏观塑性成形相比，当微零件的至少有一个维度的几何尺寸在毫米级以下时，在微零件成形过程中，材料的力学性能表现出与宏观成形中的力学性能的不同现象，这就是所谓的“尺寸效应”[7]。研究尺寸效应是研究微成形技术的基础。L.V.Raul 等[8]使用晶粒大小相同不同厚度的纯铝薄板进行了薄板单向拉伸实验。试验证明随着薄板厚度的减小，流动应力和屈服应力逐渐减小。T.A.Kans 等[9]使用 CuNi18Zn20 和 CuZn15 薄板进行拉伸试验中，研究结果表明：随着薄板厚度的减小，流动应力呈现出逐渐减小的现象，当晶粒大小的尺寸和薄板厚度的尺寸相接近时，薄板的流动应力没有减小反而增大，由于在厚度方向上只有一个晶粒时，材料出现硬化现象。哈尔滨工业大学的王春举等[10]进行了纯镍丝的单向拉伸实验，研究发现：当纯镍丝直径与晶粒大小接近时，材料的流动应力随晶粒大小的增大而减小，呈现出非均匀性变化。德国 Vollertsen F 等[11]进行了筒形件拉深成形实验，如图 1-3 宏观拉深件和微拉深件的对比图。发现在拉深比相同的情况下，宏观拉深件的成形质量良好，而微拉深件凸缘处有褶皱，由于微拉深中摩擦力在直壁部分的阻碍作用明显，成形过程中压边力呈波动性变化从而导致凸缘部分的抗起皱能力降低。Iran Aminzahed 等[12]研究了压边力对盒形件在宏观拉深和微拉深的影响，实验表明通过对成形力和回弹数据分析，压边力在宏观拉深中的作用比微拉深中的作用明显。Justinger H 等[13,14]对黄铜箔微拉深和冲裁复合工艺研究，成形出高质量的微筒形件。
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第 2 章 薄板单向拉伸实验研究
单向拉伸实验是研究材料力学性能的主要研究方法，由于在微米尺度下金属材料的流动应力—应变曲线不同于宏观的流动应力—应变曲线，所以比较成熟的宏观成形技术就不能应用到微尺度的成形过程中，因此研究薄板微成形技术，首先从了解材料的力学性能入手。目前，对于薄板的单向拉伸实验，许多专家学者对不同材质的金属薄板进行了单向拉伸实验研究，普遍都观察到了流动应力随着试样尺寸的减小呈现出减小的尺寸效应，而随着试样尺寸减小流动应力呈现出增大的尺寸效应现象研究较少。本文选取不同厚度的 304 不锈钢薄板进行单向拉伸实验，得到不同的流动应力—应变曲线。通过对结果进行理论分析，希望得出的结论能合理解释流动应力表现出的尺寸效应现象。
2.1 拉伸实验
本章拉伸实验使用的设备是由日本三思公司生产的 CMT4000 系列小门式微机控制的万能电子试验机，该试验机具有灵活多样的控制方式，对载荷、加载速度、变形、位移的测量有较高的精度和可靠性。符合微成形拉伸实验的要求。本实验选取研究对象为 SUS304 奥氏体不锈钢薄板，本文简称 304 不锈钢。其中 SUS304 表示日本标准 (JIS G4305) 生产的不锈钢，相当于按照国标生产的06Cr19Ni10 和美国生产的 304，其中 304 表示 ASTM（美国材料实验协会）标准生产。如表 2-1 为 SUS304 不锈钢化学成分表，表 2-2 为不锈钢物理特性。SUS304不锈钢是一种通用的不锈钢，具有耐腐蚀，韧性好，成形性好且无磁性的优点，用于制造要求良好的零件和设备，广泛应用于工业、装饰行业和医疗食品行业。本章实验对 304 不锈钢进行不同热处理温度的拉伸实验。进行晶粒大小为变量实验时，厚度保持不变；进行厚度为变量实验时，晶粒大小保持不变。试样的厚度规格分别为：10μm、20μm、50μm、100μm、200μm；热处理温度分别为：900℃、1000℃、1050℃。实验过程：首先对 304 不锈钢薄板进行热处理去除材料应力，使内部组织均匀进而挺高材料的成形力；其次进行试样切割，本实验选用数控线切割方法制作所需试样；最后拉伸实验，在单向拉伸实验中，为确保实验数据的准确性，同一种试样的拉伸实验做三次。
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2.2 拉伸试样的制备
实验所用的 304 不锈钢薄板是通过连续轧制工艺生产的，在这种工艺下轧制的薄板有轧制方向性，而在于薄板的轧制方向垂直的方向上薄板组织呈现出明显的带状分布，不是均匀的颗粒状，其力学性能和材料成型能力在这个方向上均发生改变，因此在拉伸实验前需要将材料进行热处理，使晶粒大小和晶粒组织均匀化。对同种厚度不同晶粒大小的获得方法也是通过对薄板进行不同热处理得到的，所以进行热处理不仅可以消除薄板轧制缺陷还可以满足实验需求。在热处理温度选择方面，参考 304 不锈钢材料临界温度为 1000℃～1050℃，而 304 不锈钢轧板在温度高于 800℃条件下热处理发生再结晶，在温度高于 1000℃条件下诱导马氏体能完全消除[44]。因此，本实验分别选取 900℃、1000℃和 1050℃三种热处理温度，以研究在临界温度时，材料在厚度和晶粒大小影响下的力学性能。热处理加热过程是在氮气保护气氛下进行，当加热炉到达指定温度保温 5min，然后随加热炉冷却至室温。对热处理后的薄板分别进行试样预处理，进行金相砂纸的粗磨、细磨、抛光、腐蚀，最后进行金相观察，如由于薄板在轧制过程中延伸量是不一样的，即使在相同的热处理温度下所得到的晶粒大小的大小也是不一样的，并且热处理过程中晶界产生的随机性导致同一薄板的晶粒大小也不同。为保证实验数据的可靠性，采用 ASTM E112-96(2004)平均晶粒度测量的方法测量薄板长度方向上的晶粒大小，每种不同热处理不同板厚的薄板测量视野内包含 30 个晶粒大小的金相图片精选晶粒大小的测量，每次测量重复 10 次，然后取平均值作为该热处理条件下得到的晶粒大小,如图 2-3 为在 1050℃热处理温度下薄板厚度 100μm 的晶粒大小测量。
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第 3 章 薄板微拉深实验研究..........27
3.1 微拉深实验..............27
3.1.1 微拉深设备与模具.............27
3.1.2 微拉深实验..............29
3.2 微拉深实验分析......33
3.3 本章小结........41
第 4 章 薄板微拉深成形数值模拟.............42
4.1ABAQUS 软件...........42
4.2 304 不锈钢筒形件微拉深数值模拟.........43
4.2.1 建立几何模型..........43
4.2.2 定义材料.......44
4.2.3ABAQUS 前处理的接触处理及分析步建立......44
4.2.4 数值模拟结果与分析.........45
4.3 本章小结........49
第 4 章 薄板微拉深成形数值模拟
当今科技发展日新月异，产品更新换代的速度加快，致使研发也要加速，有限元技术的应用成功的解决了这一问题。有限元分析技术的广泛应用在高新科技的研发中，减少了复杂多样的实验设备使用、缩短了产品的研发周期、降低了研发费用，在产品的生产研发中占有举足轻重的作用。在现有众多有限元分析软件中，出现一种同质化现象，各个软件之间的功能重叠部分增多，区分度降低。由于 ABAQUS 在处理非线性问题方面比其他软件优越，所以本章使用 ABAQUS有限元分析软件。本章选用 ABAQUS 软件对微拉深实验进行数值模拟。在第三章中，对最大拉深力进行了预测，当凸模直径较大时，效果比较良好，但是当凸模直径为 1mm时，最大拉深力计算公式的预测结果与实验结果偏差较大。针对这一问题，本章选取凸模直径为 1mm，20μm、50μm 和 100μm 三种厚度的 304 不锈钢进行微拉深数值模拟，对最大拉深力时刻的等效应力、塑性应变和筒形件厚度变化进行研究分析。#p#分页标题#e#
4.1ABAQUS 软件
ABAQUS 公司是世界上比较著名的有限元软件分析公司，成立于 1978 年，2005 年被专注于提供模拟现实仿真技术解决方案的达索公司收购。被收购以后ABAQUS 由原来传统的有限元软件分析向外进行了拓展，目前开发任务主要有三个方面：第一个为统一有限元分析；第二个为多物理场的分析；第三个为仿真生命周期分析。ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit这两个求解器模块是相互补充的、集成的分析模块。其次是一个人机交互的前后处理模块 ABAQUS/CAE。另外还有多个模块和软件的接口，比如 CAD、Adams、CATIA、Hypermesh 的接口，可以进行导入分析。ABAQUS 软件的特点：首先人机界面友好，ABAQUS 有限元软件发展历史比较悠久，界面简单，各个功能介绍完善，尤其是帮助文档分析问题比较透彻；其次前后处理完善，前处理分为几何建模、划分网格、装配体，几何建模比传统的 CAD 软件有更简便的操作，有各种软件的接口。在划分网格中，可以直接生成多种不太复杂的网格，不必再用 Hypermesh 专门划分网格的软件进行划分、导入。然后是非线性分析功能强大，非线性分析分为材料非线性和几何非线性[53]。材料非线性应用方面比如材料的屈服极限的非线性分析；几何非线性应用方面比如爆炸、冲击分析。最后用途广泛，基本包含所有力学分析、流体分析、岩土力学分析、声学分析、热电耦合分析等。另外，用户还可以根据需求自定义多种单元种类。ABAQUS 进行二次开发时也很方便，ABAQUS 普遍应用 Python 语言和FORTRAN 语言来二次开发。
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结论
本文以不同厚度的薄板为实验材料，分别进行了拉伸实验和微拉深实验，采用实验验证、理论分析和数值模拟的方法，对其中表现出的尺寸效应现象进行分析和解释。主要结论有：
（1）从研究材料力学性能入手，在单向拉伸实验中，以薄板厚度和晶粒大小为主要参数进行研究，结果表明：随着相对厚度的减小，薄板的流动应力呈现出增大的尺寸效应现象；对于不同晶粒大小不同厚度的薄板，其屈服应力随着薄板厚度减小而增加，表现出明显的尺寸效应现象。引入相对厚参数，对经典的Hall-Petch 公式进行修改，通过对屈服应力的计算结果表明：公式计算结果与实验结果拟合度较好。
（2）在微拉深实验中，通过对拉深力变化曲线的分析，当凸模直径相同而薄板厚度不同时，薄板厚度变化对拉深力曲线的影响比较明显。对拉深过程中薄板的应力应变状态分析，建立最大拉深力计算公式，当筒形件直径与薄板厚度较大时，两种计算结果比较接近，可以很好的预测最大拉深力；当筒形件直径较小时，误差比较大，这是由于凹模圆角半径区域的受力分析比较复杂，以及忽略了薄板厚度方向的变化的影响。
（3）借助 ABAQUS 软件对微拉深实验进行建模分析。不同薄板厚度的等效应力最大值主要集中在凹模圆角半径区域；薄板厚度的减薄区域主要集中在凸模圆角部分，当凸模圆角半径相同时，随着凹模圆角半径的增大，厚度减薄率越大的尺寸效应现象，这是由于厚度方向上的晶粒个数减少，晶界滑移阻力增大，不易发生协调变形；通过数值模拟得到的最大拉深力值，数值模拟与实验结果接近，偏差值较小。数值模拟结果对模具的制备、参数的选取有一定的参考价值。
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参考文献（略）
