激光冲击掩模微成形实验与数值模拟研究

摘要

如今，随着产品微型化和精密化的迅猛发展，微器件在人们生活、工作等领域被广泛的关注和使用，随之而来的是出现了许多制造微零件的新型的微成形工艺，如激光冲击微成形工艺。本文在激光冲击动态加载作用下的微成形工艺基础上，提出了激光冲击掩模微成形的新工艺。该工艺是利用掩模来改变脉冲光斑形状，代替传统凸模，软模代替传统凹模，在脉冲激光作用下的一种新型无模成形工艺。本文对激光冲击掩模微成形的实验平台进行搭建，对提出的新型掩模微成形工艺进行系统性的研究，本文主要的研究内容与成果如下：
　　首先，对激光诱导冲击波形成的机理及力学模型进行阐述，并对激光功率密度和诱导冲击波峰值压力的计算方法进行推导；研究了激光高速加载条件下材料的应变率及塑性变形的屈服条件；分析探讨了Hall-Petch微塑性流动应力模型，为后续相关实验及模拟研究提供理论依据。
　　然后，利用微细电火花加工技术制造矩形掩模，复杂掩模(U形马鞍状和十字形)和矩形阵列掩模四种规格掩模。使用KEYENCE VHX-1000C、Axio CSM700等检测设备对冲击后约束层以及成形试样的3D形貌进行观测，研究了不同工艺参数(脉冲能量、冲击次数)对成形效果的影响，分析了成形试样的表面粗化行为以及对成形件的减薄率进行了测量。
　　矩形掩模实验结果表明：利用PMMA作为约束层不仅透光率好，而且抗冲击能力强。利用该成形工艺可以得到轮廓清晰，表面完整，形状类似矩形的试样，成形部分由直接成形区域和间接成形区域组成。单次脉冲下，试样的位移随着激光能量的增加而增加，在小能量下，冲击次数越多，成形深度越大。但是，在高能量下，冲击次数的增加，成形深度基本保持不变。另外，晶粒尺寸不同，成形效果也不同，相同能量下，粗晶件的成形深度和表面粗糙度都大于细晶件，而粗、细晶件的成形深度和表面粗糙度都随着激光能量的增加而增加；利用该新型微成形工艺可以得到减薄比较均匀的成形件，没有产生局部的颈缩破裂现象。
　　对复杂掩模与阵列掩模进行实验，实验结果表明：工件可以很好的成形出掩模所示的形状，U形形貌清晰可见，由于光斑没有对中，导致十字只显示部分，也从侧面说明掩模在成形过程中起到很好作用。对于矩形阵列掩模，实验结果表明：铜箔表面清晰成形出矩形阵列，且相互特征之间没有影响，表明激光冲击掩模微成形工艺是一种有效的成形方式。实验后，对成形试样进行了纳米硬度的测试与分析，发现相比较于基材，受到冲击后的区域其纳米硬度及弹性模量均得到不同程度的提高。
　　最后，基于-DYNAANSYSY/LS有限元软件对激光冲击掩模微成形进行了数值模拟，模拟分析了高应变率下的成形过程，结果表明：高应变率下的成形过程分为三个阶段：共同成形阶段；工件与软模分离阶段；工件与软模重合阶段。模拟研究了不同能量对位移场的影响并得到与实验趋势一致的结论，并且分析了两种硬度下工件的位移场分布与压力的传播情况，模拟结果显示位移场的分布很好的对应了压力的传播速度。
　　掩模作用下的激光冲击微成形工艺是一种新型的微成形工艺，本文的研究为无模条件下制造高性能的复杂零件开创了新的途径并提供理论和实验指导。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 激光冲击微成形技术的国内外研究现状

1.3 激光冲击掩模微成形工艺课题的提出

1.4 本课题研究的主要内容与意义

1.5 课题来源

第二章 激光冲击掩模微成形的理论研究

2.1 激光诱导冲击波的机理及力学模型

2.2高应变率下材料的塑性变形

2.3 Hall-Petch微塑性流动应力模型

2.4 本章小结

第三章 激光冲击掩模成形的实验研究

3.1 实验设备与装置

3.2 实验准备与选材

3.3 实验主要检测设备的介绍

3.4 实验结果分析与讨论

3.5 基于不同掩模的成形实验

3.6 纳米硬度试验

3.7本章小节

第四章 激光冲击掩模微成形的数值模拟

4.1 数值模拟分析方法

4.2 材料本构模型

4.3 数值建模与实验材料

4.4 结果分析

4.5 本章小节

第五章 总结与展望

5.1 研究工作总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及专利

致谢