激光动态柔性微成形实验与数值模拟研究

摘要

激光动态微成形是一种新颖的高速微成形工艺。高速微成形不仅可以解决传统准静态微成形工艺中的一些难题，而且可以提高微成形能力，所以激光动态微成形已成为当前微成形领域的研究热点。本文在剖析国内外有关激光动态微成形技术研究的基础上，为改善激光冲击波加载特性提高微成形性能，提出了激光动态柔性微成形技术。本文针对激光冲击软膜加载特性及工件在软膜动态加载下的成形规律开展了一系列基础研究，主要工作有以下几个方面:
　　探索了软膜对激光冲击波压力空间分布的均化机理。设计了软膜均化激光冲击波压力的对比实验，利用橡皮泥的形变来表征冲击波的空间压力分布，最终实验表明软膜可以有效地均化冲击波的空间压力分布。设计了软膜对于成形能力影响的对比实验，实验结果表明软膜可以吸收一部分冲击波能量，使得冲击波赋予工件的成形速度低于临界成形速度，避免了过早出现断裂，从而可以保证塑性成形的正常进行，提高激光动态微成形能力。
　　构建了微成形系统，研究了工艺参数对微成形的影响。用光学显微镜测量了不同激光能量下的微成形工件，用扫描电镜表征了失效工件的断口形貌。通过研究发现，当激光能量较低时工件具有良好的成形质量，当激光能量较大时工件产生了动态断裂，且断面有明显的氧化与融化现象，表明工件在失效之前产生了较大的塑性应变。研究发现当激光冲击次数达到一定阈值时，模具的表面会产生一些微缺陷。利用激光冲击靶材实验研究了冲击波对模具表面的退化机理，为微模具寿命周期的预测提供了指导。
　　利用TEM技术对工件断裂前后的微观组织进行了分析，归纳出工件可能经历的四个阶段:(1)最初的冲击加载阶段:产生了高密度的位错;(2)弯曲变形阶段:在冲击压缩形变下产生了动态再结晶，生成了纳米晶;(3)拉伸变形阶段:为了在这纳米晶区域产生高应变，晶界滑动(GBS)成为主要的变形模式，空洞很容易在拉伸状态下产生;(4)断裂阶段:随着拉伸变形的继续，温升导致的晶粒长大现象会降低材料的流动性能，同时局部的高拉伸应力会使空洞逐渐长大然后合并成裂纹，从而形成最终的剪切断裂。工件绝热剪切失效机理的揭示可更好地指导微成形工艺的设计。
　　研究了金属薄板与微模具之间的高速碰撞行为对工件表面状态以及成形精度的影响。针对模具成形中微成形件存在的反弹问题，对激光冲击软膜加载方式进行了改进，改进之处在于在软膜和工件之间增加一层橡皮泥，相当于间接增大了工件的刚度，同时橡皮泥可以吸收碰撞产出的冲击波能量。实验结果表明橡皮泥层的添加虽然会吸收一部分成形能量，但是可以有效抑制反弹，从而提高工件的成形精度。利用纳米压痕测试系统，选取了断裂和未断裂两种典型成形工件作为测试对象，表征了软膜动态加载对零件机械性能的影响。研究发现，成形区域的弹性模量和纳米硬度相对于原材都增大了。特别是当工件未断裂时，在模具入口圆角处，其弹性模量和纳米硬度大幅提高。
　　通过数值模拟研究了工件的动态响应，分为三类:胀形成形，拉伸分裂和剪切断裂，这三类不同的动态响应对应于实验中观察到的三种不同成形结果。从温度场和应力场这两方面表征了绝热剪切带的演变过程，在一定程度上弥补了实验研究绝热剪切带的演变过程的不足。研究了模具表面的微缺陷对工件表面质量和成形深度的影响。分析了模具成形中工件的碰撞行为，揭示了工件的反弹变形规律。
　　综上所述，本文系统地研究了激光冲击软膜加载的特征，并通过对自由成形和模具成形的实验和数值模拟研究，总结了金属薄板的微成形规律，为激光动态柔性微成形工艺的工程应用奠定了基础。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 金属薄板微成形技术及其研究现状

1．2．1 传统金属薄板微成形技术的研究现状

1．2．2 传统金属薄板微成形技术中存在的问题

1．2．3 新型金属薄板微成形技术的研究现状

1．3 激光动态微成形技术及其研究现状

1．3．1 激光动态微成形技术

1．3．2 激光动态微成形技术研究现状

1．3．3 激光动态微成形技术存在的问题与本课题的提出

1．4 本课题的研究目标与主要研究内容

1．4．1 研究目标

1．4．2 主要研究内容

第二章 激光冲击软膜加载特性的研究

2．1．1 激光烧蚀模式

2．1．2 激光器及其参数

2．1．3 成形检测装置

2．2 软膜对激光冲击波压力的均化效应

2．2．1 软膜均化激光冲击波压力的机理

2．2．2 软膜均化激光冲击波压力的实验

2．2．3 激光冲击软膜加载金属薄板的压力分布实验

2．2．4 软膜对工件表面状态的影响

2．3．1 软膜提高成形能力的机理

2．3．2 软膜提高成形能力的实验

2．3．3 软膜动态加载下工件的绝热温升

2．4 本章小结

第三章 激光冲击软膜加载下金属薄板自由成形实验研究

3．1 金属薄板自由成形的工艺研究

3．1．1 微模具的加工

3．1．2 激光能量对自由成形的影响

3．1．3 软膜厚度对自由成形的影响

3．2 金属薄板自由成形中的绝热剪切失效研究

3．2．1 自由成形中的绝热剪切带的介绍

3．2．2 自由成形中的绝热剪切现象

3．2．3 自由成形件的微观组织观察

3．2．4 自由成形件的绝热剪切失效机理

3．3 模具表面质量的退化及其对成形件的影响

3．3．1 模具的表面质量退化

3．3．2 退化的模具表面对样件表面质量的影响

3．3．3 模具表面质量的退化过程

3．4 本章小结

第四章 激光冲击软膜加载下金属薄板模具成形实验研究

4．1 金属薄板模具成形的工艺研究

4．1．1 模具成形原理及模具加工

4．1．2 微成形结果的观察与讨论

4．1．3 工件的贴模性

4．2 软膜动态加载对零件机械性能的影响

4．2．1 纳米压痕测量系统

4．2．2 未断裂工件的纳米压痕测量

4．2．3 断裂工件的纳米压痕测量

4．3 一种改进的激光动态柔性微成形工艺-提高贴模性

4．3．1 提高贴模性的原理

4．3．2 工件的贴模性

4．3．3 工件的断裂行为

4．4 本章小结

第五章 激光动态柔性微成形数值模拟研究

5．1 金属薄板自由成形的数值模拟研究

5．1．1 数值模型

5．1．2 材料的本构模型

5．1．3 数值模拟的验证

5．1．4 工件的动态响应

5．1．5 绝热剪切带的演变过程

5．2 模具表面质量的退化对成形的影响

5．2．1 微缺陷对工件表面的影响

5．2．2 微缺陷对工件成形深度的影响

5．2．3 微缺陷对工件成形形状的影响

5．3 金属薄板模具成形的数值模拟研究

5．3．1 激光能量对成形的影响

5．3．2 模拟结果与实验结果的对比

5．3．3 工件的反弹行为

5．3．4 工件的断裂行为

5．4 本章小结

第六章 研究工作总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文及其他科研成果