大面积阵列微特征激光冲击液体柔性微成形研究

发布时间：2020-08-14 11:49

【摘要】：针对激光冲击微成形的不足,提出了一种新型的激光冲击液体柔性微成形工艺。该成形工艺以激光能量作为冲击源,液体作为传力介质,实现金属箔板的大面积阵列微特征的成形。本文结合实验研究和数值模拟对金属箔板的激光冲击液体柔性微成形展开了研究,主要研究内容及成果如下:首先,构建了激光冲击液体柔性微成形实验系统,基于大面积多槽阵列微特征模具和大面积圆顶状阵列微特征模具进行了微成形实验研究,研究了聚氨酯弹性体橡胶薄膜厚度、激光能量和工件厚度对T2紫铜箔板成形的影响规律,并对同一成形件中不同阵列微特征的成形效果进行了比较,同时对成形件的形貌和表面粗糙度的变化以及厚度减薄率和截面纳米硬度的分布进行了分析。研究发现:利用该工艺成形大面积阵列微特征是可行的,且在合理的工艺参数下可获得良好的成形效果;随着激光能量的增加和工件厚度的减小,工件的成形效果越好,而成形微特征的减薄率会有所增加,但是工件均未破裂失效,呈现出较高的成形性能;通过对比同一成形件中不同阵列微特征的成形效果,分析发现各微特征具有较为一致的轮廓形状和尺寸精度,反映了该工艺采用液体作为传力介质可使作用在工件上的冲击载荷分布比较均匀,对大面积阵列微特征具有良好的成形加工能力,同时该工艺使用水作为柔性传力介质可有效保护工件表面免受热烧蚀和损坏,可获得具有较高成形质量的成形件。然后,采用HyperMesh/LS-DYNA软件进行了激光冲击液体柔性微成形数值模拟研究:针对大面积多槽阵列微特征模具,建立了激光冲击液体柔性微成形的有限元模型,为工件材料、聚氨酯橡胶材料和流体材料选择了合适的本构模型,并通过离散加载区域的方法实现了时空变化的激光冲击波压力的加载,数值模拟与实验结果达到了较高的一致性,模型准确性较高。(1)探究了箔板的动态成形过程,主要包括初始弯曲阶段、拉深成形阶段、碰撞反弹阶段、恢复阶段和成形结束阶段五个阶段;(2)对冲击波在液体中的传播过程进行了研究,结果表明该工艺利用水作为传力介质可有效延长冲击载荷作用在工件上的时间,冲击载荷对工件成形区域加载时间的延长在一定程度上可抑制局部反弹变形对成形质量所产生的不利影响;(3)通过对比液体上下表面的压力分布情况,揭示了水作为传力介质可起到均化压力的效果,使作用在工件上的冲击载荷分布较为均匀,通过该工艺成形所得的槽形阵列微特征的轮廓形状和平底区域宽度均较为一致,可获得具有较好成形效果的成形件;(4)模拟揭示了激光能量和箔板厚度对工件成形效果和厚度减薄率的影响规律,其整体变化趋势与实验结果基本一致;(5)模拟研究了成形微特征的应变分布情况,分析发现成形微特征大部分区域轴向和径向上分别呈现压缩应变和拉伸应变分布,较明显的应变均出现在模具型腔入口处,揭示了成形微特征上应变分布的规律。本文提出的激光冲击液体柔性微成形工艺是一种新型的金属箔板高速微成形方法,为大面积复杂微特征零件的制造提供了一种有效的工艺方法。本文开展的实验和数值模拟研究为揭示高应变率激光冲击液体柔性加载金属箔板动态微成形的机理与规律奠定了基础,并对激光冲击液体柔性微成形工艺在未来的实际工业应用具有一定的指导作用。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH165;TG665
【图文】：

零部件

来随着工业技术和社会的迅速发展，产品的制造趋向于两个极型化发展，例如大飞机、大运载。另一种是电子行业和精密仪展，产品的微型化和集成化已成为制造业的一个重要的趋势，统(MEMS)、微系统(MST)、医疗、电子通讯等领域[1-4]。自 2微机电系统就以体积小、集成化、耗能低和多功能等优势而受界、制造业以及政府部门的高度重视，纷纷投以大量的资产对，微型产品的产业化极大地推动了与之相关的微型零部件加工例如 LIGA 技术[5]、微细电化学加工[6]以及超精密机械加工等越来越复杂的结构以及高效率、低成本、高精度、大批量等微固有特点对这些微加工技术提出了很大的挑战。因此，人们想度的塑性成形工艺应用于微尺度零件的制造，基于传统常规尺曲、冲裁、拉深等）发展而来的微尺度的成形技术有望满足这通过微成形技术制造出的微型零部件[8,9]。

示意图,微成形,激光冲击,原理

图 1.2 激光冲击微成形的原理示意图[19]Fig.1.2 Schematic diagram of laser shock microforming激光冲击微成形作为一种效率高、成本低、柔性好的先进制造技术，在MEM密仪器等领域都有着广阔的应用前景，受到了国内外学者广泛的关注和2002 年，美国 Lawrence Livermore 国家实验室 Hackel 等学者[20]提出利用击强化装置对金属板料进行三维弯曲成形的成形原理和精确成形方法，并激光冲击用于板材和杆件的校形。同年，江苏大学的周建忠教授、张永康人[21,22]提出利用激光诱导的高压冲击波实现板料的塑性成形，其是一种结冲击强化和板料成形的复合成形技术，并利用实验对该技术进行了初步的2003 年，美国中佛罗里达大学 Thord Thorslund 等学者[23]建立了数学模型光冲击过程中的温度、压力和残余应力进行计算，并且开展了不同加载方激光直接冲击、吸收层、约束层）的激光冲击实验。实验结果表明，在有情况下激光冲击过程中可以获得更高的等离子体冲击压力，并指出当冲击

工艺图,微结构特征,压印,形状记忆合金

艺参数对超薄铜箔变形行为的影响，并基于 Johnson-Cook 失效模型模拟了该工艺过程中材料的断裂行为。2010 年，Gao 和 Cheng[11]通过激光动态微成形技术(μLDF)在铝薄膜上成形出一系列三维微结构，并构建了工艺图探索合适的工艺参数。通过聚焦粒子束和扫描电镜研究发现 2.5μm 的铝箔成形件厚度减薄率达到了 50%~40%，但颈缩处并未发生破裂失效，表现出了超塑性变形行为，呈现出较高的成形性能。同年，美国普渡大学的 Li 等人[28]通过实验和数值模拟研究了激光动态微成形过程中铝箔的成形极限和断裂失效行为。与其他成形工艺相比，成形极限图分析结果表明铝箔的成形性能在激光动态微成形过程中受超高应变率的影响显著提高，分析认为激光动态成形性能的大幅提高是由于高应变率敏感性和惯性效应有利于延迟空洞的增长。2012 年，Ye 和 Cheng[29]通过激光冲击直接压印在 NiTi 形状记忆合金表面上加工微型结构特征，如图 1.3 所示。另外，采用透射电子显微镜(TEM)观察了形状记忆合金 NiTi 压印前后的微观结构，可以看到成形后的 NiTi 材料中存在着大量的位错。

【参考文献】