紫铜箔材激光冲击微胀形/微冲孔工艺尺度效应实验研究

摘要

微型零件的广泛应用推动了微制造技术的发展，其中具有高效率、高加工精度等技术优势的激光冲击微成形成为研究热点之一。激光冲击微成形是利用冲击波力效应使材料在高应变率下发生塑性变形以获得微型零件。随着零件的微型化，其特征尺寸由宏观尺度减小到微观尺度，尺度效应的出现使材料的力学性能不同于宏观尺寸下材料的力学性能，导致材料的塑性变形行为呈现出特殊的现象，影响微成形工艺过程和成形质量。因此，研究激光冲击微成形中的尺度效应问题对于明确尺度参数作用规律和提升微成形件质量具有重要的理论意义。本文采用实验的方法研究了激光冲击直接/间接微胀形和激光冲击直接/间接微冲孔中尺度效应、激光功率密度和橡胶对微成形质量的影响。主要工作及结论如下:
　　(1)在激光冲击直接微胀形中，选择最大胀形高度、板厚分布、显微硬度、晶粒尺寸和表面形貌为微胀形件成形质量指标。以经过退火处理50μm的T2紫铜箔材为研究对象，分析了晶粒尺度效应和激光功率密度对微胀形件成形质量的影响，研究发现随着晶粒尺寸增加，提高了微胀形件的最大胀形高度，降低了板厚和显微硬度，而且板厚的显微硬度分布不均匀，增大了晶粒细化程度，但表面仍趋于粗化;随着激光功率密度增加，提高了微胀形件最大胀形高度，减小了板厚，提高了显微硬度，板厚和显微硬度分布都不均匀，晶粒略有细化，表面略有粗化。然而激光功率密度不能过高，否则微胀形件发生破裂失效。
　　(2)在激光冲击间接微胀形中，微胀形件成形质量的评估指标同激光冲击直接微胀形。以经过退火处理80μm和100μm的T2紫铜为研究对象，探讨了晶粒尺度效应、特征尺度效应、橡胶以及激光功率密度对微胀形件成形质量的影响，研究发现晶粒尺寸和激光功率密度对微胀形件成形质量的影响规律与激光冲击直接微胀形工艺中一致;随着铜箔厚度的增加，微胀形件最大胀形高度和最大厚度减薄率降低，显微硬度提高。比较激光冲击直接/间接微胀形件可以发现，使用橡胶可以提高微胀形件的最大胀形高度和成形质量的稳定性，并且使微胀形件的板厚分布更均匀。
　　(3)在激光冲击直接微冲孔中，以退火处理30μm的T2紫铜箔材为研究对象，研究晶粒尺度效应和激光功率密度对微冲孔件成形质量的影响，选取形状精度、尺寸精度和断面质量为评估成形质量的指标。通过激光冲击直接微冲孔的实验研究发现，随着晶粒尺寸增加，微冲孔件形状精度和尺寸精度降低，断面质量下降;随着激光功率密度增加，细晶铜箔微冲孔件形状精度会提高，然而粗晶铜箔微冲孔件形状精度并不能得到改善，微冲孔件断面质量没有显著改善，在某些情况下甚至会降低。
　　(4)在激光冲击间接微冲孔中，以经过退火处理20μm、30μm、40μm和50μm的T2紫铜箔材为对象，研究晶粒尺寸效应、特征尺寸效应、工艺尺寸效应、橡胶以及激光功率密度对微冲孔件成形质量的影响，微冲孔件成形质量的评估指标同激光直接冲击微冲孔。通过激光冲击间接微冲孔的实验研究发现，晶粒尺度效应和激光功率密度对微冲孔件成形质量的影响与激光冲击直接微冲孔一致;同时发现了上述四种厚度铜箔微冲孔件的形状精度都较高，圆度在20μm～55μm之间变化:然而当凹模直径小1.6mm时，随着铜箔厚度增加微冲孔件的形状精度降低，当凹模直径大于1.6mm时，铜箔厚度变化对微冲孔件的形状精度基本无影响;此外，当凹模直径等于1.0mm时，微冲孔件的尺寸精度都很低，当凹模直径大于1.0mm时，30μm铜箔微冲孔件的尺寸精度最高，而凹模直径的变化对尺寸精度几乎没影响。比较激光冲击直接/间接微胀形件可以发现，使用橡胶可以提高微冲孔件的形状精度和尺寸精度。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 激光冲击微成形工艺概述

1．2．1 激光冲击微成形

1．2．2 激光冲击间接成形

1．2．3 激光冲击微胀形

1．2．4 激光冲击微冲孔

1．3 微成形尺度效应概述

1．3．1 晶粒尺度效应研究

1．3．2 特征尺度效应研究

1．3．3 工艺尺度效应研究

1．4 目前研究存在的主要问题

1．5 本课题研究内容

第二章 激光冲击微成形基础理论与实验研究方法

2．1 引言

2．2 激光冲击微成形理论基础

2．2．1 激光与材料相互作用过程

2．2．2 约束层与吸收层

2．2．3 冲击波峰值压力计算及其传播

2．2．4 变形过程中的温升

2．3 实验研究方法

2．3．1 实验装置

2．3．2 实验材料

2．3．3 实验方法

2．3．4 检测方法

2．4 本章小结

3．1 引言

3．2 激光冲击直接微胀形实验

3．2．1 实验方案

3．2．2 成形质量检测方法

3．3 尺度效应对微胀形件成形质量的影响

3．3．1 尺度效应对微胀形件最大胀形高度的影响

3．3．2 尺度效应对微胀形件板厚分布的影响

3．3．3 尺度效应对微胀形件显微硬度的影响

3．3．4 尺度效应对微胀形件表面形貌的影响

3．3．5 尺度效应对微胀形件微观结构的影响

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 激光冲击间接微胀形实验

4．2．1 实验方案

4．2．2 成形质量检测方法

4．3 尺度效应对微胀形件成形质量的影响

4．3．1 晶粒尺度效应对微胀形件成形质量的影响

4．3．2 特征尺度效应对微胀形件成形质量的影响

4．3．3 激光功率密度对微胀形件成形质量的影响

4．4 本章小结

5．1 引言

5．2 激光冲击直接微冲孔实验

5．2．1 实验方案

5．2．2 成形质量检测方法

5．3 尺度效应对微冲孔件成形质量的影响

5．3．1 尺度效应对微冲孔件形状精度的影响

5．3．2 尺度效应对微冲孔件断面形貌的影响

5．3．3 尺度效应对微冲孔件微观结构的影响

5．4 本章小结

6．1 引言

6．2 激光冲击间接微冲孔实验

6．2．1 实验方案

6．2．2 成形质量检测

6．3 橡胶对微冲孔件成形质量的影响

6．3．1 橡胶对微冲孔件形状精度的影响

6．3．2 橡胶对微冲孔件尺寸精度的影响

6．3．3 橡胶对微冲孔件断面形貌的影响

6．4 尺度效应对微冲孔件成形质量的影响

6．4．1 晶粒尺度效应对微冲孔件成形质量的影响

6．4．2 特征尺度效应对微冲孔件成形质量的影响

6．4．3 工艺尺度效应对微冲孔件成形质量的影响

6．4．4 激光功率密度对微冲孔件成形质量的影响

6．5 本章小结

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间完成的学术论文