激光動態(tài)柔性沖裁微齒輪研究.pdf

1、針對現(xiàn)階段微齒輪制造工藝中存在的工藝復雜、效率低、不適于大批量生產(chǎn)的問題，而利用微沖裁工藝制造微齒輪又存在微沖頭與微模具之間對中性復雜、微沖裁驅(qū)動裝置要求高等技術(shù)難題。結(jié)合激光沖擊微成形技術(shù)和軟模微沖裁技術(shù)，本文提出了一種激光動態(tài)柔性沖裁微齒輪的新工藝。該工藝結(jié)合微細電火花加工的微模具，利用激光沖擊軟模作為柔性沖頭，實現(xiàn)了動載荷作用下金屬箔片上微齒輪的精確沖裁。論文從激光對物質(zhì)的作用機理、工藝參數(shù)、尺寸效應和數(shù)值模擬方面進行了研究：

2、r>　　首先，研究了激光對物質(zhì)的作用及等離子體的形成機理，確立了激光沖擊波峰值壓力的數(shù)學模型；研究了沖擊波在軟模中的傳播特性和由于阻抗錯配產(chǎn)生的增壓效應；研究了材料在高應變率下的力學響應及斷裂機制，為進一步研究激光動態(tài)柔性沖裁微齒輪提供了理論基礎(chǔ)。
　　其次，進行了激光動態(tài)柔性沖裁鋁箔實驗，得到了輪廓清晰、尺寸精度高的微齒輪。研究了不同的激光脈沖能量、軟模厚度與硬度、壓邊力等工藝參數(shù)對沖裁質(zhì)量的影響，并利用KEYENCE VHX-

3、1000C超景深三維顯微鏡分別對微齒輪的尺寸及形貌進行觀測。實驗結(jié)果顯示：激光脈沖能量對微齒輪的尺寸精度和工件的斷裂形式有很大影響。合適厚度和硬度的軟模能起到良好的均壓效果。另外，相同脈沖能量下，使用較大的壓邊力更有利于沖裁過程的實現(xiàn)，提高沖裁精度，因為較大的壓邊力提供了較大的側(cè)向壓力，從而阻礙了材料的軸向流動。
　　然后，進行了激光動態(tài)柔性沖裁黃銅箔板實驗，研究了不同的工件厚度和晶粒尺寸引起的尺寸效應對尺寸精度和圓角帶大小的影響

4、。利用KEYENCE VHX-1000C超景深三維顯微鏡測量微齒輪的尺寸和圓角帶直徑，結(jié)果顯示：工件厚度對實驗效果影響較為明顯，工件越厚，沖裁后的微齒輪的尺寸精度越差，而且圓角帶越大。對于同一厚度的工件而言，沖裁質(zhì)量與沖裁方向上晶粒的個數(shù)密切相關(guān)。沖裁方向上的晶粒較多且分布均勻時，晶粒之間的協(xié)調(diào)、滑移能力更強，沖裁后尺寸精度較高，但是圓角帶也越大。利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測沖裁斷面的特征，結(jié)果顯示：沖裁斷面上有較大的圓角帶，而毛刺

5、高度幾乎可以忽略。還利用納米壓痕儀表征了沖擊前后工件的納米硬度、彈性模量的變化情況。結(jié)果顯示：激光沖擊后的工件出現(xiàn)了晶粒細化的現(xiàn)象，使得納米硬度和彈性模量都有所增加，并且符合Hall-Petch關(guān)系，這表明了激光的沖擊作用提高了齒輪的剛度和表面強度。
　　最后，利用ANSYS/LS-DYNA和Ls-Prepost分析軟件，采用顯式動態(tài)分析模型，建立了激光動態(tài)柔性沖裁微齒輪的有限元模型，模擬分析了沖裁微齒輪過程中最大沖裁力隨時間的變