發(fā)布時間：2020-08-14 11:49

【摘要】：針對激光沖擊微成形的不足,提出了一種新型的激光沖擊液體柔性微成形工藝。該成形工藝以激光能量作為沖擊源,液體作為傳力介質(zhì),實現(xiàn)金屬箔板的大面積陣列微特征的成形。本文結(jié)合實驗研究和數(shù)值模擬對金屬箔板的激光沖擊液體柔性微成形展開了研究,主要研究內(nèi)容及成果如下:首先,構(gòu)建了激光沖擊液體柔性微成形實驗系統(tǒng),基于大面積多槽陣列微特征模具和大面積圓頂狀陣列微特征模具進行了微成形實驗研究,研究了聚氨酯彈性體橡膠薄膜厚度、激光能量和工件厚度對T2紫銅箔板成形的影響規(guī)律,并對同一成形件中不同陣列微特征的成形效果進行了比較,同時對成形件的形貌和表面粗糙度的變化以及厚度減薄率和截面納米硬度的分布進行了分析。研究發(fā)現(xiàn):利用該工藝成形大面積陣列微特征是可行的,且在合理的工藝參數(shù)下可獲得良好的成形效果;隨著激光能量的增加和工件厚度的減小,工件的成形效果越好,而成形微特征的減薄率會有所增加,但是工件均未破裂失效,呈現(xiàn)出較高的成形性能;通過對比同一成形件中不同陣列微特征的成形效果,分析發(fā)現(xiàn)各微特征具有較為一致的輪廓形狀和尺寸精度,反映了該工藝采用液體作為傳力介質(zhì)可使作用在工件上的沖擊載荷分布比較均勻,對大面積陣列微特征具有良好的成形加工能力,同時該工藝使用水作為柔性傳力介質(zhì)可有效保護工件表面免受熱燒蝕和損壞,可獲得具有較高成形質(zhì)量的成形件。然后,采用HyperMesh/LS-DYNA軟件進行了激光沖擊液體柔性微成形數(shù)值模擬研究:針對大面積多槽陣列微特征模具,建立了激光沖擊液體柔性微成形的有限元模型,為工件材料、聚氨酯橡膠材料和流體材料選擇了合適的本構(gòu)模型,并通過離散加載區(qū)域的方法實現(xiàn)了時空變化的激光沖擊波壓力的加載,數(shù)值模擬與實驗結(jié)果達到了較高的一致性,模型準確性較高。(1)探究了箔板的動態(tài)成形過程,主要包括初始彎曲階段、拉深成形階段、碰撞反彈階段、恢復(fù)階段和成形結(jié)束階段五個階段;(2)對沖擊波在液體中的傳播過程進行了研究,結(jié)果表明該工藝利用水作為傳力介質(zhì)可有效延長沖擊載荷作用在工件上的時間,沖擊載荷對工件成形區(qū)域加載時間的延長在一定程度上可抑制局部反彈變形對成形質(zhì)量所產(chǎn)生的不利影響;(3)通過對比液體上下表面的壓力分布情況,揭示了水作為傳力介質(zhì)可起到均化壓力的效果,使作用在工件上的沖擊載荷分布較為均勻,通過該工藝成形所得的槽形陣列微特征的輪廓形狀和平底區(qū)域?qū)挾染^為一致,可獲得具有較好成形效果的成形件;(4)模擬揭示了激光能量和箔板厚度對工件成形效果和厚度減薄率的影響規(guī)律,其整體變化趨勢與實驗結(jié)果基本一致;(5)模擬研究了成形微特征的應(yīng)變分布情況,分析發(fā)現(xiàn)成形微特征大部分區(qū)域軸向和徑向上分別呈現(xiàn)壓縮應(yīng)變和拉伸應(yīng)變分布,較明顯的應(yīng)變均出現(xiàn)在模具型腔入口處,揭示了成形微特征上應(yīng)變分布的規(guī)律。本文提出的激光沖擊液體柔性微成形工藝是一種新型的金屬箔板高速微成形方法,為大面積復(fù)雜微特征零件的制造提供了一種有效的工藝方法。本文開展的實驗和數(shù)值模擬研究為揭示高應(yīng)變率激光沖擊液體柔性加載金屬箔板動態(tài)微成形的機理與規(guī)律奠定了基礎(chǔ),并對激光沖擊液體柔性微成形工藝在未來的實際工業(yè)應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH165;TG665
【圖文】：

來隨著工業(yè)技術(shù)和社會的迅速發(fā)展，產(chǎn)品的制造趨向于兩個極型化發(fā)展，例如大飛機、大運載。另一種是電子行業(yè)和精密儀展，產(chǎn)品的微型化和集成化已成為制造業(yè)的一個重要的趨勢，統(tǒng)(MEMS)、微系統(tǒng)(MST)、醫(yī)療、電子通訊等領(lǐng)域[1-4]。自 2微機電系統(tǒng)就以體積小、集成化、耗能低和多功能等優(yōu)勢而受界、制造業(yè)以及政府部門的高度重視，紛紛投以大量的資產(chǎn)對，微型產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化極大地推動了與之相關(guān)的微型零部件加工例如 LIGA 技術(shù)[5]、微細電化學加工[6]以及超精密機械加工等越來越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及高效率、低成本、高精度、大批量等微固有特點對這些微加工技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn)。因此，人們想度的塑性成形工藝應(yīng)用于微尺度零件的制造，基于傳統(tǒng)常規(guī)尺曲、沖裁、拉深等）發(fā)展而來的微尺度的成形技術(shù)有望滿足這通過微成形技術(shù)制造出的微型零部件[8,9]。

圖 1.2 激光沖擊微成形的原理示意圖[19]Fig.1.2 Schematic diagram of laser shock microforming激光沖擊微成形作為一種效率高、成本低、柔性好的先進制造技術(shù)，在MEM密儀器等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景，受到了國內(nèi)外學者廣泛的關(guān)注和2002 年，美國 Lawrence Livermore 國家實驗室 Hackel 等學者[20]提出利用擊強化裝置對金屬板料進行三維彎曲成形的成形原理和精確成形方法，并激光沖擊用于板材和桿件的校形。同年，江蘇大學的周建忠教授、張永康人[21,22]提出利用激光誘導(dǎo)的高壓沖擊波實現(xiàn)板料的塑性成形，其是一種結(jié)沖擊強化和板料成形的復(fù)合成形技術(shù)，并利用實驗對該技術(shù)進行了初步的2003 年，美國中佛羅里達大學 Thord Thorslund 等學者[23]建立了數(shù)學模型光沖擊過程中的溫度、壓力和殘余應(yīng)力進行計算，并且開展了不同加載方激光直接沖擊、吸收層、約束層）的激光沖擊實驗。實驗結(jié)果表明，在有情況下激光沖擊過程中可以獲得更高的等離子體沖擊壓力，并指出當沖擊

藝參數(shù)對超薄銅箔變形行為的影響，并基于 Johnson-Cook 失效模型模擬了該工藝過程中材料的斷裂行為。2010 年，Gao 和 Cheng[11]通過激光動態(tài)微成形技術(shù)(μLDF)在鋁薄膜上成形出一系列三維微結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建了工藝圖探索合適的工藝參數(shù)。通過聚焦粒子束和掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn) 2.5μm 的鋁箔成形件厚度減薄率達到了 50%~40%，但頸縮處并未發(fā)生破裂失效，表現(xiàn)出了超塑性變形行為，呈現(xiàn)出較高的成形性能。同年，美國普渡大學的 Li 等人[28]通過實驗和數(shù)值模擬研究了激光動態(tài)微成形過程中鋁箔的成形極限和斷裂失效行為。與其他成形工藝相比，成形極限圖分析結(jié)果表明鋁箔的成形性能在激光動態(tài)微成形過程中受超高應(yīng)變率的影響顯著提高，分析認為激光動態(tài)成形性能的大幅提高是由于高應(yīng)變率敏感性和慣性效應(yīng)有利于延遲空洞的增長。2012 年，Ye 和 Cheng[29]通過激光沖擊直接壓印在 NiTi 形狀記憶合金表面上加工微型結(jié)構(gòu)特征，如圖 1.3 所示。另外，采用透射電子顯微鏡(TEM)觀察了形狀記憶合金 NiTi 壓印前后的微觀結(jié)構(gòu)，可以看到成形后的 NiTi 材料中存在著大量的位錯。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前9條

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本文編號：2792992