激光冲击金属箔板微复合成形的研究

摘要

激光冲击微成形是一种新型的制造微型金属零部件的工艺方法，具有生产效率高、成本低、成形件疲劳寿命长等优点。然而现有的激光冲击微成形基本都是简单的单工艺成形，其成形件都是简单的微凹坑、微孔或简单的微弯曲零件，还未涉及多工艺复杂零件的复合成形。因此开展激光冲击箔板微复合成形的探究具有重要的理论意义与实际应用价值。
　　本文在国家自然基金项目“强脉冲激光驱动飞片加载金属箔板微成形基础研究”的支持下，搭建了激光搭接冲击微压印与微落料的复合成形和激光冲击软模微冲裁与微落料的复合成形实验平台，对激光冲击金属箔板微复合成形展开了系统性的研究，本文的主要工作和研究成果如下:
　　首先，研究激光诱导冲击波的力学效应、成形机理及冲击波峰值压力的计算方法。描述了流体动力学处理方法及冲击波在不同阻抗介质中的传播特性，揭示了高应变率下材料的动态屈服强度以及工件内部应力波的传播特点。
　　其次，使用Spit Light2000 Nd-YAG激光器在厚度为17μm的铜箔板上进行激光冲击微压印与微落料的复合成形实验研究。研究了搭接率为50％的激光搭接冲击条件下激光冲击能量对成形件成形性能的影响。工件成形后，对成形件的表面形貌、表面粗糙度及微观组织变化进行检测，结果发现成形的落料零件成功地复制了模具表面的微特征，成形的落料零件与微模具的表面形貌和表面粗糙度值基本一致，而且成形件表面形成了微纳米组织结构。
　　接着，使用GAIA Nd-YAG激光器并利用聚氨酯橡胶作为柔性动态加载媒介分别在厚度为50μm的铜箔和35μm的钛箔板上进行了激光冲击软模微冲裁与微落料的复合成形实验研究。实验所用的高精度微成形模具是由微细电火花加工与光学曲面磨制造而成。在实验中，研究了约束层的变化状况以及软模的作用，观测了冲裁孔的形貌以及落料零件的三维形貌、表面粗糙度、成形深度以及机械性能的变化。实验结果表明在合适的激光能量下，可以成形边缘轮廓较为清晰的冲裁孔以及质量良好的微落料零件，而且微落料零件很好地复制了微模具的轮廓。随着激光能量的增大，落料零件微凹坑的成形深度不断增加，凹坑部位的表面粗糙度值也不断地增加，而凹坑周围的表面粗糙度值不断减小。纳米压痕测试实验结果表明激光冲击后零件的纳米硬度、塑性及弹性模量均得到了提高。
　　最后，基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件平台对激光搭接冲击微压印与微落料的复合成形和激光冲击软模微冲裁与微落料的复合成形过程进行了数值模拟。采用Johnson-Cook和Mooney-Rivlin本构模型分别模拟了金属试样和聚氨酯橡胶软模的动态响应行为，经过数值模拟发现上述材料模型可以很好的预测试样的动态响应行为。讨论了两种工艺条件下复杂零件的成形过程、应变的变化、Z轴坐标变化历程及工件在不同部位的厚度减薄情况。数值模拟与实验结果对比发现，模拟结果与实验的结果吻合度较高，说明了数值模型的正确性以及可靠性。
　　激光冲击金属箔板微复合成形是一种新型的微成形加工工艺，本文研究为高性能复杂零件的成形的实际应用奠定了理论基础和实验指导。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 激光冲击成形技术概述

1．2．1 激光冲击成形技术

1．2．2 激光冲击成形技术国内外研究现状

1．3 软模成形技术研究现状

1．4 本课题研究的主要内容、方法及课题来源

1．4．1 主要研究内容及方法

1．4．2 课题来源

第二章 激光冲击金属箔板微复合成形的理论研究

2．1 激光诱导冲击波的机理及其力学模型

2．1．1 激光与物质的相互作用

2．1．2 等离子体冲击波形成机理

2．1．3 激光功率密度计算

2．1．4 激光诱导冲击波的压力计算

2．1．5 冲击波流体动力学处理方法

2．1．6 冲击波作用软模与冲击压力传递

2．1．7 软模加载工件的特点与冲击波阻抗匹配增压原理

2．2 高应变率下材料的动态屈服强度

2．2．1 激光加载下应变率的计算

2．2．2 高应变率下材料动态屈服强度的计算

2．3 工件内部的应力波——塑性波和弹性波

2．4 本章小结

第三章 激光搭接冲击金属箔板微复合成形的实验研究

3．1 实验设备与装置

3．1．1 激光器设备

3．1．2 实验光路设计

3．1．3 检测设备与方法

3．1．4 微复合成形装置

3．2 实验准备及选材

3．2．1 模具制造和实验准备

3．2．2 实验设计

3．2．3 实验原理

3．3 实验结果与分析

3．3．1 复合成形工艺过程

3．3．2 成形零件及微模具的形貌特征

3．3．3 成形零件及模具的表面粗糙度

3．3．4 微观组织结构

3．4 本章小结

第四章 激光冲击软模金属箔板微复合成形的实验研究

4．1 实验设备与装置

4．1．1 激光器设备与实验光路设计

4．1．2 检测设备与方法

4．2 实验准备及选材

4．2．1 模具的设计及加工

4．2．2 实验材料及准备

4．2．3 实验设计

4．2．4 实验原理

4．3 实验结果与分析

4．3．1 激光冲击能量对约束层的影响

4．3．2 激光冲击能量对成形工件的影响

4．3．3 软模对成形件的影响

4．4．4 粗糙度的测量

4．3．5 纳米硬度、弹性模量及塑性的测量

4．4 本章小结

第五章 激光冲击金属箔板微复合成形的数值模拟

5．1 数值分析方法

5．2 材料的本构模型及失效模型

5．2．1 工件材料的本构模型

5．2．2 软模的超弹性材料本构

5．2．3 工件材料的断裂失效模型

5．3 激光诱导冲击波的压力模型

5．4 激光搭接冲击金属箔板微复合成形的有限元模拟

5．4．1 激光搭接冲击金属箔板微复合成形的有限元模型

5．4．2 激光冲击金属箔板微复合成形结果与讨论

5．5 激光冲击软模金属箔板微复合成形的有限元模拟

5．5．1 激光冲击软模金属箔板微复合成形的有限元模型

5．5．2 冲击成形过程

5．5．3 减薄率的变化

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及专利

致谢