本文關(guān)鍵詞：激光動態(tài)柔性沖裁微齒輪研究

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【摘要】：針對現(xiàn)階段微齒輪制造工藝中存在的工藝復雜、效率低、不適于大批量生產(chǎn)的問題,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中性復雜、微沖裁驅(qū)動裝置要求高等技術(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態(tài)柔性沖裁微齒輪的新工藝。該工藝結(jié)合微細電火花加工的微模具,利用激光沖擊軟模作為柔性沖頭,實現(xiàn)了動載荷作用下金屬箔片上微齒輪的精確沖裁。論文從激光對物質(zhì)的作用機理、工藝參數(shù)、尺寸效應和數(shù)值模擬方面進行了研究:首先,研究了激光對物質(zhì)的作用及等離子體的形成機理,確立了激光沖擊波峰值壓力的數(shù)學模型;研究了沖擊波在軟模中的傳播特性和由于阻抗錯配產(chǎn)生的增壓效應;研究了材料在高應變率下的力學響應及斷裂機制,為進一步研究激光動態(tài)柔性沖裁微齒輪提供了理論基礎(chǔ)。其次,進行了激光動態(tài)柔性沖裁鋁箔實驗,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微齒輪的尺寸及形貌進行觀測。實驗結(jié)果顯示:激光脈沖能量對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程的實現(xiàn),提高沖裁精度,因為較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。然后,進行了激光動態(tài)柔性沖裁黃銅箔板實驗,研究了不同的工件厚度和晶粒尺寸引起的尺寸效應對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量微齒輪的尺寸和圓角帶直徑,結(jié)果顯示:工件厚度對實驗效果影響較為明顯,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數(shù)密切相關(guān)。沖裁方向上的晶粒較多且分布均勻時,晶粒之間的協(xié)調(diào)、滑移能力更強,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度。最后,利用ANSYS/LS-DYNA和Ls-Prepost分析軟件,采用顯式動態(tài)分析模型,建立了激光動態(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程中最大沖裁力隨時間的變化曲線;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、工件材料的變形過程以及斷面材料所承受的壓力曲線,為揭示材料的動態(tài)響應過程及工藝參數(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】：激光動態(tài)柔性微沖裁 微齒輪制造 工藝參數(shù) 尺寸效應 數(shù)值模擬
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：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 齒輪微細電火花線切割技術(shù)15-16
• 1.2.4 齒輪微細切削技術(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 課題來源20-21
• 第二章 激光動態(tài)柔性沖裁微齒輪的理論研究21-28
• 2.1 激光誘導沖擊波的機理及其力學模型21-25
• 2.1.1 激光對物質(zhì)的作用21
• 2.1.2 等離子體沖擊波形成機理21-22
• 2.1.3 激光功率密度計算22-23
• 2.1.4 激光誘導沖擊波的壓力計算23-25
• 2.2 激光沖擊波作用軟模與沖擊壓力傳遞25
• 2.3 材料的動態(tài)響應25-27
• 2.3.1 激光加載下應變率的計算25-26
• 2.3.2 材料的動態(tài)斷裂機制26-27
• 2.4 本章小結(jié)27-28
• 第三章 激光動態(tài)柔性沖裁微齒輪的工藝參數(shù)研究28-43
• 3.1 激光器與檢測設備28-32
• 3.1.1 激光器設備類型與參數(shù)28
• 3.1.2 實驗光路設計28-29
• 3.1.3 離焦量的選擇29-30
• 3.1.4 檢測設備與方法30-32
• 3.2 微沖裁實驗準備及裝置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 微細電火花線切割加工模具34
• 3.3.3 微模具檢測34-36
• 3.4 基于微齒輪模具的微沖裁實驗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 激光動態(tài)柔性沖裁微齒輪的尺寸效應研究43-60
• 4.1 激光器與模具設計43-46
• 4.1.1 激光器類型及參數(shù)43
• 4.1.2 實驗裝置及光路對中43-44
• 4.1.3 模具設計與檢測44-46
• 4.2 實驗材料及熱處理46-49
• 4.3 納米壓痕測量方法及設備49-51
• 4.4 尺寸效應對沖裁質(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 納米壓痕實驗55-58
• 4.7 本章小結(jié)58-60
• 第五章 激光動態(tài)柔性沖裁微齒輪的數(shù)值模擬60-73
• 5.1 軟件平臺搭建與模擬流程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 激光脈沖能量對斷面上材料的流動過程的影響66-67
• 5.5.3 激光脈沖能量對變形過程的影響67-69
• 5.5.4 激光脈沖能量對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76-81
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文81-82
• 致謝82

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本文編號：933486