微体积成形零件表面质量预测模型的构建及其控制方法研究

In this proposal, the prediction modeling and controlling methods on the surface quality of parts in micro bulk forming are numerically and experimentally studied. First of all, in order to perform the numerical simulation on micro bulk forming process, a new friction model for micro bulk forming is established based on the Wanheim/Bay friction model, and the calculation methods of relevant parameters involving in the established model are proposed through the upsetting experiments in macro and micro scales. Secondly, the effects of specimen size, grain size and relative sliding distance between surface nodes and die on the surface roughness of part are studied through forward extrusion experiments in micro scale. Then, based on the prediction model of surface quality in macro bulk forming, a new prediction model in micro bulk forming is developed by introducing the scale parameter, which can be used to reflect the size effects. Finally, considering the distribution of surface roughness, the evaluation criterion of surface quality of parts in micro bulk forming is proposed. Taking the process parameters, shape of die cavity and process scheme as the objects, the controlling methods of surface quality are proposed by the analysis of numerical simulation. The proposed prediction modeling and controlling methods are validated by the experiments of coining process with micro-feature. This work can enrich the numerically modeling theory of micro-forming and has important academic and practical values on the application of micro-forming parts.

项目围绕微体积成形零件表面质量的预测和控制展开系统的数值分析和实验研究。首先，基于Wanheim/Bay摩擦模型建立微体积成形的摩擦模型，通过宏观和微小尺度下的镦粗实验提出模型中相关参数的求解方法，实现微体积成形过程的数值模拟。其次，通过微小尺度下的正挤压实验，研究试样尺寸、晶粒尺寸和接触面节点与模具相对滑动距离对微体积成形零件表面粗糙度的影响机理，在宏观体积成形零件表面质量预测模型的基础上，引入尺度参数，建立反映尺寸效应的微体积成形零件表面质量预测模型。最后，建立考虑表面粗糙度分布的微体积成形零件表面质量评价标准，结合数值模拟，提出以微体积成形工艺参数、模具型腔形状和工艺方案为控制对象的微体积成形零件表面质量控制方法，通过微细特征模压实验验证所建立的表面质量预测模型和控制方法的正确性。项目的研究丰富了微塑性成形数值建模理论，对促进微体积成形零件的应用具有重要的理论意义和现实价值。

宏观成形零件可以通过后续机加工获得良好的表面质量。然而，由于尺寸的微型化，微塑性成形的零件夹持和后续机加工的操作都难以实现，而一些化学表面处理方法一方面改变了零件的尺寸另一方面也增加了产品的成本，这就要求成形的零件本身就要有合格的表面质量，以满足精密装配、功能使用和精美外观的需要。项目围绕微体积成形零件表面质量的预测和控制展开了数值分析和实验研究。首先，基于Wanheim/Bay摩擦模型“开闭口润滑包”模型建立了微体积成形的摩擦模型，并通过对比微小尺度下的镦粗实验和数值模拟结果提出了模型中摩擦因子和尺度参数的求解方法，实现微体积成形过程的模拟仿真。其次，基于W-M函数模型的二维粗糙表面分形表征，构建了具有粗糙表面的有限元模型，并借助数值模拟手段，研究了接触面面积增加量、接触面节点法向压力以及与模具相对滑动距离对微体积成形零件表面粗糙度的影响机理，建立了多影响因素的微体积成形零件表面质量预测模型。最后，设计不同的成形载荷和槽宽，进行了无润滑条件下的微特征挤压实验，对比数值模拟结果，研究了工艺参数对微型特征挤压零件表面质量的影响机理，并提出合理的表面质量控制措施。项目研究能够丰富微塑性成形数值模拟建模基础理论，为提高微塑性成形件表面质量的工艺设计提供理论指导，对促进微塑性成形技术的发展具有重要的意义。