激光冲击软膜加载金属多层板微弯曲温成形研究

摘要

金属多层板因其具有优良的机械性能和功能性能，在微型产品方面具有广泛应用，引发了研究人员对金属多层板微成形的关注。本文提出了一种激光冲击软膜加载金属多层板微弯曲温成形新工艺，首先，实验研究了金属多层板微弯曲温成形规律；其次，实验研究了金属多层板失效形式；最后，采用热力耦合数值模拟研究了金属多层板微弯曲温成形过程及其性能。本文主要内容及结论如下： 首先，搭建了激光冲击软膜微弯曲温成形实验系统，研究了激光能量、成形温度、模具特征尺寸对金属多层板成形深度、表面粗糙度、成形精度、厚度减薄率、硬度分布的影响。研究发现：随着模具特征尺寸的增加，工件成形深度、厚度减薄率以及显微硬度呈现升高的趋势；随着激光能量的升高，工件厚度减薄率与显微硬度值升高，工件成形深度、表面粗糙度与贴模性先升高后降低；随着成形温度提高，工件成形深度与成形精度增加，贴模性与对称性升高，而表面粗糙度与厚度减薄率降低。 其次，进行了金属多层板微弯曲温成形失效形式实验研究，研究了模具特征尺寸、激光能量和成形温度对工件表面氧化，工件颈缩与断裂的影响规律。通过扫描电子显微镜和X射线显微分析系统对工件成形性能进行检测。结果表明：随着激光能量的升高，工件与模具之间摩擦力增大、工件材料流动性降低，工件发生颈缩与断裂，且镍层先于铜层发生断裂失效；随着成形温度的提高，金属多层板界面处发生元素扩散，金属表面氧化现象加重，且铜层表面的氧化程度高于镍层，工件断裂消失，颈缩也得以缓解。 最后，采用ANSYS/LS-DYNA构建激光冲击软膜加载金属多层板微弯曲温成形热力耦合数值模型，对工件的微弯曲温成形工艺进行模拟，讨论了成形温度、激光能量以及模具特征尺寸对工件成形的影响规律。首先验证了模拟的可靠性，发现模拟结果在位移分布上可以很好地验证实验结果；揭示了工件微弯曲成形的四个主要阶段；分析了工件成形深度、工件温度、等效应力和等效塑性应变分布，其中工件成形深度随模具特征尺寸和成形温度的增加而增加，等效应力和等效塑性应变的变化规律与工件成形过程的四个阶段相吻合。

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