激光驱动飞片加载薄膜层裂微成形研究

摘要

微机电系统技术和微电子技术的迅猛发展,使得具有轻、薄、小等特点的微器件的需求量不断增加,微型金属零部件的加工变得越来越重要,微塑性成形已成为微型器件制造领域的关键技术。20世纪90年代出现了基于传统塑性加工工艺的微塑性成形技术,可用于生产微纳米级尺寸的零件。然而目前微器件的制造方法受到尺寸效应、成形不均匀、加工效率低、成本高以及环境污染等问题的限制,使得基于传统塑性成形工艺的微成形技术很难得到迅速发展。近些年来,探索新的微成形方法逐渐成为了研究热点。
　　 本文研究了一种新的微成形方法,即激光驱动飞片加载基体/薄膜层裂微成形。首先,本文通过激光与物质相互作用机理分析了激光驱动飞片加载冲击波的理论;研究了激光驱动飞片的加载模型,其中包括飞片撞击工件的力学模型、飞片速度模型:描述了激光参数、飞片特性及约束层对飞片速度的影响。
　　 其次,本文结合冲击波在工件中的波形以及冲击波的传播、衰减和相互作用规律阐述了层裂微成形机理,通过数学建模分析了基体/薄膜的层裂特点,优化了层裂微成形工艺;描述了薄膜在高压冲击波加载下的动态响应及薄膜剪切断裂的形式与条件。
　　 再次,结合高速飞行的飞片与工件的碰撞机理以及薄膜材料的动态响应过程,运用ANSYS/LS-DYNA软件建立了激光驱动飞片加载基体/薄膜层裂微成形的数值仿真模型。考察了飞片、工件上一些关键节点的位移、速度和应变情况;给出了基体/薄膜层裂微成形过程;结合关键薄膜断口处节点的位移特点,分析并讨论了不同激光能量、不同薄膜厚度及不同薄膜种类下的数值模拟结果。
　　 最后,设计并完成了在不同模具下激光驱动飞片加载基体/薄膜层裂微成形实验,考察了激光能量、薄膜厚度及薄膜种类对薄膜层裂微成形的影响以及在不同模具特征大小下基体/薄膜层裂微成形的特点。实验表明,在激光驱动飞片加载下薄膜可以实现层裂微成形,且成形件的轮廓特征明显、表面质量良好。实验验证了数值分析的指导意义并证实了理论分析的合理性。