本文關(guān)鍵詞：激光動(dòng)態(tài)柔性沖裁微齒輪研究

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【摘要】：針對(duì)現(xiàn)階段微齒輪制造工藝中存在的工藝復(fù)雜、效率低、不適于大批量生產(chǎn)的問(wèn)題,而利用微沖裁工藝制造微齒輪又存在微沖頭與微模具之間對(duì)中性復(fù)雜、微沖裁驅(qū)動(dòng)裝置要求高等技術(shù)難題。結(jié)合激光沖擊微成形技術(shù)和軟模微沖裁技術(shù),本文提出了一種激光動(dòng)態(tài)柔性沖裁微齒輪的新工藝。該工藝結(jié)合微細(xì)電火花加工的微模具,利用激光沖擊軟模作為柔性沖頭,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)載荷作用下金屬箔片上微齒輪的精確沖裁。論文從激光對(duì)物質(zhì)的作用機(jī)理、工藝參數(shù)、尺寸效應(yīng)和數(shù)值模擬方面進(jìn)行了研究:首先,研究了激光對(duì)物質(zhì)的作用及等離子體的形成機(jī)理,確立了激光沖擊波峰值壓力的數(shù)學(xué)模型;研究了沖擊波在軟模中的傳播特性和由于阻抗錯(cuò)配產(chǎn)生的增壓效應(yīng);研究了材料在高應(yīng)變率下的力學(xué)響應(yīng)及斷裂機(jī)制,為進(jìn)一步研究激光動(dòng)態(tài)柔性沖裁微齒輪提供了理論基礎(chǔ)。其次,進(jìn)行了激光動(dòng)態(tài)柔性沖裁鋁箔實(shí)驗(yàn),得到了輪廓清晰、尺寸精度高的微齒輪。研究了不同的激光脈沖能量、軟模厚度與硬度、壓邊力等工藝參數(shù)對(duì)沖裁質(zhì)量的影響,并利用KEYENCE VHX-1000C超景深三維顯微鏡分別對(duì)微齒輪的尺寸及形貌進(jìn)行觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:激光脈沖能量對(duì)微齒輪的尺寸精度和工件的斷裂形式有很大影響。合適厚度和硬度的軟模能起到良好的均壓效果。另外,相同脈沖能量下,使用較大的壓邊力更有利于沖裁過(guò)程的實(shí)現(xiàn),提高沖裁精度,因?yàn)檩^大的壓邊力提供了較大的側(cè)向壓力,從而阻礙了材料的軸向流動(dòng)。然后,進(jìn)行了激光動(dòng)態(tài)柔性沖裁黃銅箔板實(shí)驗(yàn),研究了不同的工件厚度和晶粒尺寸引起的尺寸效應(yīng)對(duì)尺寸精度和圓角帶大小的影響。利用KEYENCE VHX-1000C超景深三維顯微鏡測(cè)量微齒輪的尺寸和圓角帶直徑,結(jié)果顯示:工件厚度對(duì)實(shí)驗(yàn)效果影響較為明顯,工件越厚,沖裁后的微齒輪的尺寸精度越差,而且圓角帶越大。對(duì)于同一厚度的工件而言,沖裁質(zhì)量與沖裁方向上晶粒的個(gè)數(shù)密切相關(guān)。沖裁方向上的晶粒較多且分布均勻時(shí),晶粒之間的協(xié)調(diào)、滑移能力更強(qiáng),沖裁后尺寸精度較高,但是圓角帶也越大。利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)沖裁斷面的特征,結(jié)果顯示:沖裁斷面上有較大的圓角帶,而毛刺高度幾乎可以忽略。還利用納米壓痕儀表征了沖擊前后工件的納米硬度、彈性模量的變化情況。結(jié)果顯示:激光沖擊后的工件出現(xiàn)了晶粒細(xì)化的現(xiàn)象,使得納米硬度和彈性模量都有所增加,并且符合Hall-Petch關(guān)系,這表明了激光的沖擊作用提高了齒輪的剛度和表面強(qiáng)度。最后,利用ANSYS/LS-DYNA和Ls-Prepost分析軟件,采用顯式動(dòng)態(tài)分析模型,建立了激光動(dòng)態(tài)柔性沖裁微齒輪的有限元模型,模擬分析了沖裁微齒輪過(guò)程中最大沖裁力隨時(shí)間的變化曲線;在不同脈沖能量下,分別模擬分析了斷面材料Z軸方向的位移變化曲線、工件材料的變形過(guò)程以及斷面材料所承受的壓力曲線,為揭示材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程及工藝參數(shù)優(yōu)化提供了手段。本文研究為制造微齒輪提供了新途徑并奠定了理論基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：激光動(dòng)態(tài)柔性微沖裁 微齒輪制造 工藝參數(shù) 尺寸效應(yīng) 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TG61;TG665
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-21
• 1.1 引言12-13
• 1.2 微齒輪制造的研究現(xiàn)狀13-18
• 1.2.1 齒輪LIGA及準(zhǔn)LIGA加工工藝13-14
• 1.2.2 齒輪微刻蝕加工工藝14-15
• 1.2.3 齒輪微細(xì)電火花線切割技術(shù)15-16
• 1.2.4 齒輪微細(xì)切削技術(shù)16
• 1.2.5 齒輪微塑性成形工藝16-18
• 1.3 激光動(dòng)態(tài)柔性沖裁微齒輪的提出18-19
• 1.4 本課題研究的主要內(nèi)容與意義19-20
• 1.4.1 主要內(nèi)容19-20
• 1.4.2 研究意義20
• 1.5 課題來(lái)源20-21
• 第二章 激光動(dòng)態(tài)柔性沖裁微齒輪的理論研究21-28
• 2.1 激光誘導(dǎo)沖擊波的機(jī)理及其力學(xué)模型21-25
• 2.1.1 激光對(duì)物質(zhì)的作用21
• 2.1.2 等離子體沖擊波形成機(jī)理21-22
• 2.1.3 激光功率密度計(jì)算22-23
• 2.1.4 激光誘導(dǎo)沖擊波的壓力計(jì)算23-25
• 2.2 激光沖擊波作用軟模與沖擊壓力傳遞25
• 2.3 材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)25-27
• 2.3.1 激光加載下應(yīng)變率的計(jì)算25-26
• 2.3.2 材料的動(dòng)態(tài)斷裂機(jī)制26-27
• 2.4 本章小結(jié)27-28
• 第三章 激光動(dòng)態(tài)柔性沖裁微齒輪的工藝參數(shù)研究28-43
• 3.1 激光器與檢測(cè)設(shè)備28-32
• 3.1.1 激光器設(shè)備類(lèi)型與參數(shù)28
• 3.1.2 實(shí)驗(yàn)光路設(shè)計(jì)28-29
• 3.1.3 離焦量的選擇29-30
• 3.1.4 檢測(cè)設(shè)備與方法30-32
• 3.2 微沖裁實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及裝置32-33
• 3.3 模具加工33-36
• 3.3.1 微齒輪的CAXA參數(shù)化建模33-34
• 3.3.2 微細(xì)電火花線切割加工模具34
• 3.3.3 微模具檢測(cè)34-36
• 3.4 基于微齒輪模具的微沖裁實(shí)驗(yàn)36-42
• 3.4.1 激光脈沖能量的影響36-37
• 3.4.2 軟模厚度的影響37-39
• 3.4.4 軟模硬度的影響39-40
• 3.4.5 壓邊力的影響40-42
• 3.5 本章小結(jié)42-43
• 第四章 激光動(dòng)態(tài)柔性沖裁微齒輪的尺寸效應(yīng)研究43-60
• 4.1 激光器與模具設(shè)計(jì)43-46
• 4.1.1 激光器類(lèi)型及參數(shù)43
• 4.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及光路對(duì)中43-44
• 4.1.3 模具設(shè)計(jì)與檢測(cè)44-46
• 4.2 實(shí)驗(yàn)材料及熱處理46-49
• 4.3 納米壓痕測(cè)量方法及設(shè)備49-51
• 4.4 尺寸效應(yīng)對(duì)沖裁質(zhì)量的影響51-54
• 4.4.1 板厚的影響51-52
• 4.4.2 晶粒尺寸的影響52-54
• 4.5 斷面特征54-55
• 4.6 納米壓痕實(shí)驗(yàn)55-58
• 4.7 本章小結(jié)58-60
• 第五章 激光動(dòng)態(tài)柔性沖裁微齒輪的數(shù)值模擬60-73
• 5.1 軟件平臺(tái)搭建與模擬流程60-61
• 5.2 材料的本構(gòu)方程61-63
• 5.2.1 工件材料的本構(gòu)方程61-62
• 5.2.2 硅膠軟模的本構(gòu)方程62
• 5.2.3 黃銅箔的斷裂失效模型62-63
• 5.3 數(shù)值模擬的加載63-64
• 5.4 有限元模型的建立64-65
• 5.5 數(shù)值模擬分析結(jié)果65-72
• 5.5.1 工件的變形階段65-66
• 5.5.2 激光脈沖能量對(duì)斷面上材料的流動(dòng)過(guò)程的影響66-67
• 5.5.3 激光脈沖能量對(duì)變形過(guò)程的影響67-69
• 5.5.4 激光脈沖能量對(duì)軟模所承受壓力的影響69-72
• 5.6 本章小結(jié)72-73
• 第六章 總結(jié)與展望73-76
• 6.1 研究工作總結(jié)73-75
• 6.2 展望75-76
• 參考文獻(xiàn)76-81
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文81-82
• 致謝82

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