激光动态柔性冲裁微齿轮研究

发布时间：2017-09-28 03:14

  本文关键词：激光动态柔性冲裁微齿轮研究

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【摘要】：针对现阶段微齿轮制造工艺中存在的工艺复杂、效率低、不适于大批量生产的问题,而利用微冲裁工艺制造微齿轮又存在微冲头与微模具之间对中性复杂、微冲裁驱动装置要求高等技术难题。结合激光冲击微成形技术和软模微冲裁技术,本文提出了一种激光动态柔性冲裁微齿轮的新工艺。该工艺结合微细电火花加工的微模具,利用激光冲击软模作为柔性冲头,实现了动载荷作用下金属箔片上微齿轮的精确冲裁。论文从激光对物质的作用机理、工艺参数、尺寸效应和数值模拟方面进行了研究:首先,研究了激光对物质的作用及等离子体的形成机理,确立了激光冲击波峰值压力的数学模型;研究了冲击波在软模中的传播特性和由于阻抗错配产生的增压效应;研究了材料在高应变率下的力学响应及断裂机制,为进一步研究激光动态柔性冲裁微齿轮提供了理论基础。其次,进行了激光动态柔性冲裁铝箔实验,得到了轮廓清晰、尺寸精度高的微齿轮。研究了不同的激光脉冲能量、软模厚度与硬度、压边力等工艺参数对冲裁质量的影响,并利用KEYENCE VHX-1000C超景深三维显微镜分别对微齿轮的尺寸及形貌进行观测。实验结果显示:激光脉冲能量对微齿轮的尺寸精度和工件的断裂形式有很大影响。合适厚度和硬度的软模能起到良好的均压效果。另外,相同脉冲能量下,使用较大的压边力更有利于冲裁过程的实现,提高冲裁精度,因为较大的压边力提供了较大的侧向压力,从而阻碍了材料的轴向流动。然后,进行了激光动态柔性冲裁黄铜箔板实验,研究了不同的工件厚度和晶粒尺寸引起的尺寸效应对尺寸精度和圆角带大小的影响。利用KEYENCE VHX-1000C超景深三维显微镜测量微齿轮的尺寸和圆角带直径,结果显示:工件厚度对实验效果影响较为明显,工件越厚,冲裁后的微齿轮的尺寸精度越差,而且圆角带越大。对于同一厚度的工件而言,冲裁质量与冲裁方向上晶粒的个数密切相关。冲裁方向上的晶粒较多且分布均匀时,晶粒之间的协调、滑移能力更强,冲裁后尺寸精度较高,但是圆角带也越大。利用扫描电子显微镜(SEM)观测冲裁断面的特征,结果显示:冲裁断面上有较大的圆角带,而毛刺高度几乎可以忽略。还利用纳米压痕仪表征了冲击前后工件的纳米硬度、弹性模量的变化情况。结果显示:激光冲击后的工件出现了晶粒细化的现象,使得纳米硬度和弹性模量都有所增加,并且符合Hall-Petch关系,这表明了激光的冲击作用提高了齿轮的刚度和表面强度。最后,利用ANSYS/LS-DYNA和Ls-Prepost分析软件,采用显式动态分析模型,建立了激光动态柔性冲裁微齿轮的有限元模型,模拟分析了冲裁微齿轮过程中最大冲裁力随时间的变化曲线;在不同脉冲能量下,分别模拟分析了断面材料Z轴方向的位移变化曲线、工件材料的变形过程以及断面材料所承受的压力曲线,为揭示材料的动态响应过程及工艺参数优化提供了手段。本文研究为制造微齿轮提供了新途径并奠定了理论基础。
【关键词】：激光动态柔性微冲裁 微齿轮制造 工艺参数 尺寸效应 数值模拟
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG61;TG665
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 引言12-13
• 1.2 微齿轮制造的研究现状13-18
• 1.2.1 齿轮LIGA及准LIGA加工工艺13-14
• 1.2.2 齿轮微刻蚀加工工艺14-15
• 1.2.3 齿轮微细电火花线切割技术15-16
• 1.2.4 齿轮微细切削技术16
• 1.2.5 齿轮微塑性成形工艺16-18
• 1.3 激光动态柔性冲裁微齿轮的提出18-19
• 1.4 本课题研究的主要内容与意义19-20
• 1.4.1 主要内容19-20
• 1.4.2 研究意义20
• 1.5 课题来源20-21
• 第二章 激光动态柔性冲裁微齿轮的理论研究21-28
• 2.1 激光诱导冲击波的机理及其力学模型21-25
• 2.1.1 激光对物质的作用21
• 2.1.2 等离子体冲击波形成机理21-22
• 2.1.3 激光功率密度计算22-23
• 2.1.4 激光诱导冲击波的压力计算23-25
• 2.2 激光冲击波作用软模与冲击压力传递25
• 2.3 材料的动态响应25-27
• 2.3.1 激光加载下应变率的计算25-26
• 2.3.2 材料的动态断裂机制26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 激光动态柔性冲裁微齿轮的工艺参数研究28-43
• 3.1 激光器与检测设备28-32
• 3.1.1 激光器设备类型与参数28
• 3.1.2 实验光路设计28-29
• 3.1.3 离焦量的选择29-30
• 3.1.4 检测设备与方法30-32
• 3.2 微冲裁实验准备及装置32-33
• 3.3 模具加工33-36
• 3.3.1 微齿轮的CAXA参数化建模33-34
• 3.3.2 微细电火花线切割加工模具34
• 3.3.3 微模具检测34-36
• 3.4 基于微齿轮模具的微冲裁实验36-42
• 3.4.1 激光脉冲能量的影响36-37
• 3.4.2 软模厚度的影响37-39
• 3.4.4 软模硬度的影响39-40
• 3.4.5 压边力的影响40-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第四章 激光动态柔性冲裁微齿轮的尺寸效应研究43-60
• 4.1 激光器与模具设计43-46
• 4.1.1 激光器类型及参数43
• 4.1.2 实验装置及光路对中43-44
• 4.1.3 模具设计与检测44-46
• 4.2 实验材料及热处理46-49
• 4.3 纳米压痕测量方法及设备49-51
• 4.4 尺寸效应对冲裁质量的影响51-54
• 4.4.1 板厚的影响51-52
• 4.4.2 晶粒尺寸的影响52-54
• 4.5 断面特征54-55
• 4.6 纳米压痕实验55-58
• 4.7 本章小结58-60
• 第五章 激光动态柔性冲裁微齿轮的数值模拟60-73
• 5.1 软件平台搭建与模拟流程60-61
• 5.2 材料的本构方程61-63
• 5.2.1 工件材料的本构方程61-62
• 5.2.2 硅胶软模的本构方程62
• 5.2.3 黄铜箔的断裂失效模型62-63
• 5.3 数值模拟的加载63-64
• 5.4 有限元模型的建立64-65
• 5.5 数值模拟分析结果65-72
• 5.5.1 工件的变形阶段65-66
• 5.5.2 激光脉冲能量对断面上材料的流动过程的影响66-67
• 5.5.3 激光脉冲能量对变形过程的影响67-69
• 5.5.4 激光脉冲能量对软模所承受压力的影响69-72
• 5.6 本章小结72-73
• 第六章 总结与展望73-76
• 6.1 研究工作总结73-75
• 6.2 展望75-76
• 参考文献76-81
• 攻读硕士学位期间发表的论文81-82
• 致谢82

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本文编号：933486