激光动态柔性微弯曲成形尺寸效应研究

摘要

激光动态微成形技术（μLDF）结合了激光冲击喷丸和高速成形的优点，提高生产效率的同时改善了成形件的疲劳特性及成形能力，尤其适合高强度、复杂形状3D微零件的局部成形。虽然激光动态加载下箔板的成形机制与传统微成形截然不同，但材料的力学性能和塑性流动行为同样也表现出一定的尺寸效应。尺寸效应现象已成为微成形领域的研究热点。
　　本文基于激光冲击理论和柔性成形理论，以硅胶软模作为冲击波传递媒介，搭建激光动态柔性微弯曲成形工艺系统，并在此基础上展开高应变率尺寸效应机理及成形性能的相关研究。主要研究工作与成果如下:
　　(1)制备多特征微弯曲模具，利用能量平顶分布的激光器实现T2紫铜箔的大面积多特征等压弯曲成形。改变箔板厚度t、箔板晶粒尺寸d、微模具特征尺寸W等工艺参数以获得多种N值(t/d)、M值（W/t），定量表征试样晶粒尺寸效应与特征尺寸效应的相互耦合作用。并通过微弯曲成形深度、破裂形式间接探讨N值、M值对T2紫铜箔微弯曲力学性能的影响。实验发现，箔板的力学性能随N值的增大而减弱，N=0.4时，成形件圆角附近形成轴向分布的裂纹。
　　(2)分别从成形件的表面微塑性变形及截面塑性变形探讨高应变率箔板动态变形行为中的尺寸效应现象。将微弯曲件进行冷镶嵌并进行研磨、抛光处理，在成形件截面上沿槽宽和厚度方向分别进行维氏硬度及纳米压痕实验，通过微硬度分布定量表征材料沿各方向的硬化程度和均匀变形能力。结合成形件的截面厚度减薄率和金相微观结构，进一步揭示高速冲击下晶粒尺寸对箔板截面塑性变形均匀性的影响。结果显示:高应变率下的应变硬化、表面粗化、厚度减薄等变形行为受箔板厚度、晶粒尺寸及变形程度的影响。粗晶箔板的硬化能力明显高于细晶箔板，但其均匀塑性变形能力及几何成形精度较差，呈现不规则减薄率分布及不对称轮廓形状。退火态箔板的表面粗化程度随着塑性应变的增大而增加，且粗化速率随晶粒尺寸而加剧。关于激光动态加载箔板尺寸效应的研究为高速冲击微成形工艺及箔板精确成形提供一定的指导意义。
　　(3)尺寸效应引起的材料不均匀塑性流动在激光动态柔性加载下得到一定的改善。激光冲击区域材料发生明显冲击强化，材料原始晶界对塑性变形行为的影响减弱。实验中厚度30μm箔板受高应变率惯性效应、晶粒细化机制作用呈现出超塑性变形行为，最大减薄率可达50％～60％。适当提高激光能量可以使已粗化的表面凸起沿着模具型腔“削平”，避免材料发生局部颈缩，从而在一定程度上抑制了尺寸效应现象。
　　(4)利用LS-DYNA软件对不同激光能量、不同厚度箔板的微弯曲成形过程进行数值模拟分析，探究了激光冲击软模动态加载下箔板的微弯曲变形历程及微塑性变形规律。模拟分析了箔板的应力应变分布、成形深度、减薄率分布，整体变化趋势与实验结果基本一致。初步揭示激光动态柔性微弯曲的四个成形阶段:拉深阶段、碰撞回弹阶段、冲模阶段、弹性恢复阶段。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 金属薄板微弯曲成形技术

1．2．1 传统微弯曲成形技术

1．2．2 柔性弯曲成形技术

1．2．3 激光动态微弯曲成形技术

1．2．4 激光动态柔性微弯曲成形技术

1．3 塑性微成形尺寸效应研究现状

1．3．1 金属薄板尺寸效应研究分类

1．3．2 传统微成形中尺寸效应研究

1．3．3 动态微成形中尺寸效应研究

1．4 本课题的主要内容与意义

1．4．1 本课题的主要内容

1．4．2 本课题的研究意义

1．4．3 课题来源

第二章 激光动态柔性微弯曲成形理论研究

2．1 激光与物质的相互作用及其力效应模型

2．1．1 激光与物质的相互作用

2．1．2 激光功率密度及冲击波压力计算

2．1．3 冲击波在不同介质间的传播特性

2．1．4 材料应变速率效应

2．2 塑性微成形尺寸效应物理机理

2．3 第一类尺寸效应理论研究

2．3．1 晶界强化理论

2．3．2 表面层理论

2．4 第二类尺寸效应理论研究

2．4．1 应变梯度强化理论

2．4．2 应变梯度与几何必须密度的关系

2．4．3 Nix-Gao应变梯度塑性理论

2．4 本章小结

第三章 激光动态柔性微弯曲实验研究

3．1 实验准备

3．1．1 试样的制备及热处理

3．1．2 微模具设计制造

3．2 激光动态柔性微弯曲实验系统

3．2．1 微成形实验装置

3．2．2 微弯曲成形原理

3．2．3 实验设计及主要参数规划

3．3 软模对热烧蚀现象的影响

3．4 本章小结

第四章 激光动态柔性微弯曲尺寸效应研究

4．1 力学性能尺寸效应

4．1．1 流动应力尺寸效应

4．1．2 破裂形式尺寸效应

4．2 表面微塑性变形尺寸效应分析

4．2．1 表面粗化行为

4．2．2 尺寸效应对表面质量的影响

4．2．3 激光能量对表面质量的影响

4．3 截面塑性变形尺寸效应分析

4．3．1 截面减薄失效行为

4．3．2 尺寸效应对减薄行为的影响

4．3．3 截面组织形貌分析

4．4 加工硬化尺寸效应分析

4．4．1 激光冲击强化行为

4．4．2 尺寸效应对槽宽方向应变硬化影响

4．4．3 尺寸效应对厚度方向应变硬化的影响

4．5 本章小结

第五章 激光动态柔性微弯曲数值模拟

5．1 分析方法

5．2 数值建模

5．3 材料本构模型

5．3．1 铜箔板的本构模型

5．3．2 软模的超弹性本构模型

5．3．3 边界条件及冲击力加载

5．4 数值模拟结果分析

5．4．3 软模形变对微弯曲成形的影响

5．4．2 工件等效塑性应力分布

5．4．1 成形过程中的位移场分布

5．4．4 工件厚度对成形深度的影响

5．4．5 激光能量对成形深度的影响

5．4．6 工件厚度对厚度减薄率的影响

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究内容总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢