【摘要】：層狀金屬復(fù)合板因其優(yōu)越的機械、物理和化學(xué)性能,在許多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。層狀金屬復(fù)合板的成形工藝已成為一個研究熱點,但當(dāng)前此類研究集中在傳統(tǒng)準靜態(tài)成形工藝領(lǐng)域。本文研究了一種層狀金屬復(fù)合板激光沖擊柔性微成形的新工藝,以激光沖擊軟模作為柔性沖頭,實現(xiàn)了單脈沖激光下層狀金屬復(fù)合板的微成形。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下:首先,選擇三層鎳-銅-鎳金屬復(fù)合板作為實驗材料,研究了激光沖擊三層鎳-銅-鎳金屬復(fù)合板柔性微成形工藝的可行性,并研究了不同的工藝參數(shù)對微成形性能的影響及規(guī)律。通過VHX-1000C超景深三維顯微鏡獲取成形件的形貌、截面、深度以及減薄率,結(jié)果表明,成形深度隨著激光能量和激光沖擊次數(shù)的增大而增大、隨著軟模厚度的增大而降低,且外鎳層的減薄程度最大,銅層的次之,內(nèi)鎳層的最小;利用Axio CSM 700真彩色共聚焦顯微鏡觀測成形件的表面粗糙度,發(fā)現(xiàn)成形件中發(fā)生了表面粗化現(xiàn)象,粗糙度隨著激光能量的增加而增加;通過HXD-1000TMSC/LCD型維氏硬度測試儀獲取成形件的截面微硬度,發(fā)現(xiàn)截面微硬度增長率的分布規(guī)律與截面厚度減薄率的分布規(guī)律一致;另外,發(fā)現(xiàn)三層鎳-銅-鎳金屬復(fù)合板在激光沖擊柔性微成形工藝中,直至材料失效都不會產(chǎn)生層裂缺陷,這一現(xiàn)象不同于傳統(tǒng)塑性成形工藝。接著,選取雙層銅-鎳金屬復(fù)合板作為實驗材料進行研究,著重對工件的疊層順序這一參數(shù)的影響規(guī)律進行了探討。實驗結(jié)果表明:成形深度隨著激光能量和激光沖擊次數(shù)的增大而增大、隨著軟模厚度的減小而增大;在兩種疊層順序下獲得的成形件中均發(fā)生了表面粗化現(xiàn)象,且其粗糙度隨著激光能量的增加而增加;在激光沖擊柔性微成形下,材料的變形行為也由外層主導(dǎo),但疊層順序?qū)訝罱饘購?fù)合板的成形性能沒有明顯的影響,包括成形深度、表面質(zhì)量、截面厚度減薄率和失效形式,這一現(xiàn)象不同于傳統(tǒng)塑性成形工藝,并且雙層銅-鎳金屬復(fù)合板在激光沖擊柔性微成形工藝中直至材料失效也不會產(chǎn)生層裂缺陷。然后,針對五個不同特征尺寸的微模具,開展了雙層銅-鎳金屬復(fù)合板激光沖擊柔性微成形的特征尺寸效應(yīng)實驗研究。結(jié)果表明,隨著特征尺寸的增加,成形深度增加,截面厚度減薄率和表面粗糙度先增大后減小;隨著特征尺寸的增加,疊層順序?qū)Τ尚紊疃�、表面粗糙度和截面厚度減薄率三者的影響程度越來越明顯,表現(xiàn)在Cu-Ni成形件和Ni-Cu成形件的外層減薄率、整體減薄率、成形深度和表面粗糙度之間的差別均隨著特征尺寸的增加而增加,并且當(dāng)銅層作為外層時材料的變形程度較大;截面微硬度增長率的分布規(guī)律與截面厚度減薄率的分布規(guī)律是一致的,不過兩種疊層順序下的成形件之間截面微硬度的差別程度與特征尺寸之間沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。最后,使用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了雙層銅-鎳金屬復(fù)合板激光沖擊柔性微成形的有限元模型,對成形深度、截面厚度減薄率、等效塑性應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變等方面的微成形性能進行了進一步研究。結(jié)果表明,采用單獨建立兩層金屬材料然后設(shè)置接觸將它們結(jié)合在一起的建模方法能獲得較好的模擬結(jié)果,成形件的形貌以及激光能量對成形深度的影響趨勢與實驗結(jié)果一致;隨著工件厚度的增加,成形深度減小,整體截面厚度減薄率以及每一層的截面厚度減薄率都明顯減小,等效塑性應(yīng)變也減小,而這些現(xiàn)象均與疊層順序無關(guān);隨著銅層厚度比例的增加,成形深度增大;底部區(qū)域的等效塑性應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變最大,越遠離底部的區(qū)域越小。本文研究的層狀金屬復(fù)合板激光沖擊柔性微成形工藝彌補了傳統(tǒng)微成形工藝的一些不足,在微制造領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。另外,本文揭示的成形機理對層狀金屬復(fù)合板成形工藝的研究以及對激光沖擊柔性微成形工藝特性的研究均具有一定的指導(dǎo)意義,并拓展了尺寸效應(yīng)理論。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG665
【圖文】：

圖 1.1 (a)鋼-鋁金屬復(fù)合板制作的汽車座椅 (b)銅-鎳金屬復(fù)合板制作的電池連接片F(xiàn)ig.1.1 (a) Car seat made by steel-aluminum metal composite sheets (b) Battery connector madeby copper-nickel metal composite sheets（5）代替貴重稀缺金屬，減少成本。如采用碳鋼與銀、金、不銹鋼等材料復(fù)合，成本可以降低 50%~90%[17]。除了上述場合外，層狀金屬復(fù)合板還有許多其他應(yīng)用，例如用于各種散熱器翅片和 LED 封裝散熱基板的銅-鋁金屬復(fù)合箔（如圖 1.2(b)所示）、用于汽車水箱的鋁-鋁金屬復(fù)合板、用于鎳鋅電池網(wǎng)帶的鋅-銅-鋅金屬復(fù)合帶，等等，不一而足。

圖 1.1 (a)鋼-鋁金屬復(fù)合板制作的汽車座椅 (b)銅-鎳金屬復(fù)合板制作的電池連接片F(xiàn)ig.1.1 (a) Car seat made by steel-aluminum metal composite sheets (b) Battery connector madeby copper-nickel metal composite sheets（5）代替貴重稀缺金屬，減少成本。如采用碳鋼與銀、金、不銹鋼等材料復(fù)合，成本可以降低 50%~90%[17]。除了上述場合外，層狀金屬復(fù)合板還有許多其他應(yīng)用，例如用于各種散熱器翅片和 LED 封裝散熱基板的銅-鋁金屬復(fù)合箔（如圖 1.2(b)所示）、用于汽車水箱的鋁-鋁金屬復(fù)合板、用于鎳鋅電池網(wǎng)帶的鋅-銅-鋅金屬復(fù)合帶，等等，不一而足。

Karajibani 等人[8]通過數(shù)值模擬研究了雙層鋁-銅金屬復(fù)合板的成限圖并用實驗進行了驗證；Darabi 等人[47]建立了一個預(yù)測金屬復(fù)合板的成形的 M-K 模型，并通過對鋁-碳鋼金屬復(fù)合板進行拉深實驗研究驗證了該理論。2018 年，史明東等人[48]研究了 Ti 的體積分數(shù)、層數(shù)和材料梯度分布對 Ti/A狀復(fù)合材料抗侵徹性能的影響。除了傳統(tǒng)成形工藝外，少數(shù)學(xué)者也研究了層狀金屬復(fù)合板的先進成形技連理工大學(xué)的宋文慶[49]研究了層狀金屬復(fù)合板等離子體弧柔性成形工藝的機理、失效機制、能量控制機制等。Al-Ghamdi 和 Hussain[50]研究了鋼-銅金合板的單點漸進成形工藝；他們得到結(jié)論，通過單點漸進成形工藝得到的金合板零件中不會產(chǎn)生層裂，因此這種工藝相比傳統(tǒng)塑性成形工藝更適于成形復(fù)合板。Riahi 等人[51]以及 Hoseinpour 和 Ameli[52]研究了雙層鋁-鋼金屬復(fù)合激光熱應(yīng)力彎曲成形工藝及成形后材料的機械性能和抗腐蝕性能。Seyedk人[53]研究了三層不銹鋼-銅-不銹鋼金屬復(fù)合板激光熱應(yīng)力彎曲成形工藝。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前6條

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本文編號：2797451