无取向电工钢作为新能源汽车驱动电机定子铁芯的核心磁性功能材料,对决定驱动电机的能量转换效率具有重要作用。在电机定子铁芯制造过程中,无取向电工钢首先要进行冲裁剪切加工成一定形状的叠片。由于冲裁工艺不可避免地引入局部塑性变形,阻碍材料微观磁畴结构的运动,进而使材料磁性能劣化。因此,电工钢片定子铁芯的冲裁工艺在需要满足材料形貌特征要求的同时,还要减少其对磁性能的影响,从而面临控形控性的双重技术要求。随着新能源汽车对驱动电机性能要求的提升,无取向电工钢片为满足更高的磁性能需求,正向更薄厚度、更大晶粒尺寸的趋势发展。当电工钢片厚度与晶粒尺寸均处于亚毫米的介观尺度下,沿厚度方向及冲裁间隙内仅有较少数目的晶粒,冲裁过程中材料流变特性和断裂行为均有别于宏观尺度,表现出强烈的材料本征尺度效应和工艺条件尺度效应。传统宏观冲裁工艺参数下的冲裁断面质量更差、材料磁性能劣化问题更加突出,传统宏观冲裁仿真模型和工艺参数规划方法无法准确预测和指导超薄电工钢片冲裁剪切工艺过程。因此,开展超薄电工钢片冲裁工艺介观尺度建模及其对磁性能影响的研究,对于提升驱动电机性能、提高电机能量转换效率具有重要意义。目前亟需解决的技术瓶颈包括:超薄电工钢片尺度效应材料本构模型和韧性断裂准则、考虑晶粒尺度特征的冲裁仿真建模技术以及面向磁性能减损的冲裁工艺参数控制方法。本文以介观尺度超薄无取向电工钢冲裁工艺为研究对象,从理论模型、实验设计和方法应用三个方面开展深入研究。从理论模型角度,针对超薄电工钢材料及冲裁变形尺度特征,提出材料尺度效应本构模型和韧性断裂准则;针对冲裁工艺过程,提出考虑晶粒结构特征的数值仿真模型。从实验设计角度,设计开发了超薄无取向电工钢片晶粒尺度相关柔性冲裁实验平台,研究分析了冲裁工艺中的尺度效应及各尺度特征对冲裁质量的影响规律。从方法应用角度,基于仿真提出了面向磁性能减损的最优冲裁间隙确定方法模型。全文的主要研究内容如下:(1)考虑尺度效应的材料本构模型及韧性断裂准则首先,针对超薄电工钢片冲裁中材料本征尺度特征及工艺条件尺度特征,将低阶应变梯度塑性理论(CMSG,Conventional Theory of Mechanism-based Strain Gradient Plasticity)引入表面层模型,建立了尺度效应材料本构模型,通过系列基本力学性能实验及四点微弯曲实验分别进行本构参数识别和验证,并分析总结了材料晶粒尺寸、厚度及应变梯度对材料变形的影响规律。其次,从材料微观断裂形貌角度出发,将表面层模型的尺度因子与传统Oyane韧性断裂准则相结合,建立了考虑晶粒尺度效应的韧性断裂准则,并设计了相应的断裂参数识别试验方法,通过获得材料的三维断裂应变曲面来描述晶粒尺寸对材料断裂应变的影响。(2)考虑晶粒尺度特征的冲裁工艺数值建模针对晶粒尺度特征对冲裁变形过程产生影响的现象,基于提出的材料尺度效应本构模型和韧性断裂准则,采用Voronoi随机算法建立电工钢晶粒尺度特征数值仿真模型,解决了传统宏观模型无法考虑材料晶粒微观结构尺度特征影响冲裁变形的问题,并得到实验结果的验证。有限元仿真结果揭示了冲裁工艺过程中粗晶材料的局部塑性变形及断裂机理,并分析了材料厚度、晶粒尺寸、凸凹模间隙等参数对冲裁质量的影响规律。(3)考虑晶粒尺度特征的冲裁工艺实验研究针对超薄电工钢片薄厚度、粗晶粒的尺度特征,开发了柔性冲裁实验平台,开展了不同材料、工艺参数的介观尺度冲裁实验,研究冲裁工艺中的晶粒尺度效应,总结出板料厚度、晶粒尺寸及凸凹模间隙等尺度参数对最大冲裁力、冲裁断面质量(冲裁断面形貌特征及微硬度分布)的影响规律。(4)面向磁性能的晶粒尺度相关冲裁间隙调控方法研究针对冲裁过程导致材料磁性能劣化的问题,通过对冲裁后无取向电工钢片的磁性能(铁损、磁畴结构等)测试实验,分析了冲裁工艺对材料磁性能劣化的机理。结果表明,冲裁断面质量直接决定了材料磁性能的劣化程度,冲裁断面光亮带比例越高,磁性能劣化程度越低。基于建立的冲裁工艺仿真模型,通过断裂时刻单元应力状态及断裂扩展方向计算,提出最优间隙确定方法,总结出以间隙晶粒尺寸比c/D为指标的最优冲裁间隙确定方法模型。综上所述,本文系统研究了超薄无取向电工钢片冲裁工艺中材料本征尺度效应及工艺条件尺度效应对材料塑性变形及断裂行为的影响,揭示了冲裁工艺过程导致材料磁性能劣化的机理,为确定超薄无取向电工钢片冲裁工艺中最优间隙参数确定提供了理论指导。