层状金属复合板激光冲击柔性微成形研究

发布时间：2020-08-19 18:49

【摘要】：层状金属复合板因其优越的机械、物理和化学性能,在许多领域都具有广泛的应用。层状金属复合板的成形工艺已成为一个研究热点,但当前此类研究集中在传统准静态成形工艺领域。本文研究了一种层状金属复合板激光冲击柔性微成形的新工艺,以激光冲击软模作为柔性冲头,实现了单脉冲激光下层状金属复合板的微成形。本文的主要研究内容和成果如下:首先,选择三层镍-铜-镍金属复合板作为实验材料,研究了激光冲击三层镍-铜-镍金属复合板柔性微成形工艺的可行性,并研究了不同的工艺参数对微成形性能的影响及规律。通过VHX-1000C超景深三维显微镜获取成形件的形貌、截面、深度以及减薄率,结果表明,成形深度随着激光能量和激光冲击次数的增大而增大、随着软模厚度的增大而降低,且外镍层的减薄程度最大,铜层的次之,内镍层的最小;利用Axio CSM 700真彩色共聚焦显微镜观测成形件的表面粗糙度,发现成形件中发生了表面粗化现象,粗糙度随着激光能量的增加而增加;通过HXD-1000TMSC/LCD型维氏硬度测试仪获取成形件的截面微硬度,发现截面微硬度增长率的分布规律与截面厚度减薄率的分布规律一致;另外,发现三层镍-铜-镍金属复合板在激光冲击柔性微成形工艺中,直至材料失效都不会产生层裂缺陷,这一现象不同于传统塑性成形工艺。接着,选取双层铜-镍金属复合板作为实验材料进行研究,着重对工件的叠层顺序这一参数的影响规律进行了探讨。实验结果表明:成形深度随着激光能量和激光冲击次数的增大而增大、随着软模厚度的减小而增大;在两种叠层顺序下获得的成形件中均发生了表面粗化现象,且其粗糙度随着激光能量的增加而增加;在激光冲击柔性微成形下,材料的变形行为也由外层主导,但叠层顺序对层状金属复合板的成形性能没有明显的影响,包括成形深度、表面质量、截面厚度减薄率和失效形式,这一现象不同于传统塑性成形工艺,并且双层铜-镍金属复合板在激光冲击柔性微成形工艺中直至材料失效也不会产生层裂缺陷。然后,针对五个不同特征尺寸的微模具,开展了双层铜-镍金属复合板激光冲击柔性微成形的特征尺寸效应实验研究。结果表明,随着特征尺寸的增加,成形深度增加,截面厚度减薄率和表面粗糙度先增大后减小;随着特征尺寸的增加,叠层顺序对成形深度、表面粗糙度和截面厚度减薄率三者的影响程度越来越明显,表现在Cu-Ni成形件和Ni-Cu成形件的外层减薄率、整体减薄率、成形深度和表面粗糙度之间的差别均随着特征尺寸的增加而增加,并且当铜层作为外层时材料的变形程度较大;截面微硬度增长率的分布规律与截面厚度减薄率的分布规律是一致的,不过两种叠层顺序下的成形件之间截面微硬度的差别程度与特征尺寸之间没有表现出明显的规律。最后,使用ANSYS/LS-DYNA软件建立了双层铜-镍金属复合板激光冲击柔性微成形的有限元模型,对成形深度、截面厚度减薄率、等效塑性应力、等效塑性应变等方面的微成形性能进行了进一步研究。结果表明,采用单独建立两层金属材料然后设置接触将它们结合在一起的建模方法能获得较好的模拟结果,成形件的形貌以及激光能量对成形深度的影响趋势与实验结果一致;随着工件厚度的增加,成形深度减小,整体截面厚度减薄率以及每一层的截面厚度减薄率都明显减小,等效塑性应变也减小,而这些现象均与叠层顺序无关;随着铜层厚度比例的增加,成形深度增大;底部区域的等效塑性应力和等效塑性应变最大,越远离底部的区域越小。本文研究的层状金属复合板激光冲击柔性微成形工艺弥补了传统微成形工艺的一些不足,在微制造领域具有广阔的发展前景。另外,本文揭示的成形机理对层状金属复合板成形工艺的研究以及对激光冲击柔性微成形工艺特性的研究均具有一定的指导意义,并拓展了尺寸效应理论。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665
【图文】：

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图 1.1 (a)钢-铝金属复合板制作的汽车座椅 (b)铜-镍金属复合板制作的电池连接片Fig.1.1 (a) Car seat made by steel-aluminum metal composite sheets (b) Battery connector madeby copper-nickel metal composite sheets（5）代替贵重稀缺金属，减少成本。如采用碳钢与银、金、不锈钢等材料复合，成本可以降低 50%~90%[17]。除了上述场合外，层状金属复合板还有许多其他应用，例如用于各种散热器翅片和 LED 封装散热基板的铜-铝金属复合箔（如图 1.2(b)所示）、用于汽车水箱的铝-铝金属复合板、用于镍锌电池网带的锌-铜-锌金属复合带，等等，不一而足。

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Karajibani 等人[8]通过数值模拟研究了双层铝-铜金属复合板的成限图并用实验进行了验证；Darabi 等人[47]建立了一个预测金属复合板的成形的 M-K 模型，并通过对铝-碳钢金属复合板进行拉深实验研究验证了该理论。2018 年，史明东等人[48]研究了 Ti 的体积分数、层数和材料梯度分布对 Ti/A状复合材料抗侵彻性能的影响。除了传统成形工艺外，少数学者也研究了层状金属复合板的先进成形技连理工大学的宋文庆[49]研究了层状金属复合板等离子体弧柔性成形工艺的机理、失效机制、能量控制机制等。Al-Ghamdi 和 Hussain[50]研究了钢-铜金合板的单点渐进成形工艺；他们得到结论，通过单点渐进成形工艺得到的金合板零件中不会产生层裂，因此这种工艺相比传统塑性成形工艺更适于成形复合板。Riahi 等人[51]以及 Hoseinpour 和 Ameli[52]研究了双层铝-钢金属复合激光热应力弯曲成形工艺及成形后材料的机械性能和抗腐蚀性能。Seyedk人[53]研究了三层不锈钢-铜-不锈钢金属复合板激光热应力弯曲成形工艺。

【参考文献】