激光動(dòng)態(tài)柔性微成形實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究.pdf

1、激光動(dòng)態(tài)微成形是一種新穎的高速微成形工藝。高速微成形不僅可以解決傳統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)微成形工藝中的一些難題，而且可以提高微成形能力，所以激光動(dòng)態(tài)微成形已成為當(dāng)前微成形領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文在剖析國內(nèi)外有關(guān)激光動(dòng)態(tài)微成形技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，為改善激光沖擊波加載特性提高微成形性能，提出了激光動(dòng)態(tài)柔性微成形技術(shù)。本文針對(duì)激光沖擊軟膜加載特性及工件在軟膜動(dòng)態(tài)加載下的成形規(guī)律開展了一系列基礎(chǔ)研究，主要工作有以下幾個(gè)方面:
　　探索了軟膜對(duì)激光沖擊波壓力空

2、間分布的均化機(jī)理。設(shè)計(jì)了軟膜均化激光沖擊波壓力的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，利用橡皮泥的形變來表征沖擊波的空間壓力分布，最終實(shí)驗(yàn)表明軟膜可以有效地均化沖擊波的空間壓力分布。設(shè)計(jì)了軟膜對(duì)于成形能力影響的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明軟膜可以吸收一部分沖擊波能量，使得沖擊波賦予工件的成形速度低于臨界成形速度，避免了過早出現(xiàn)斷裂，從而可以保證塑性成形的正常進(jìn)行，提高激光動(dòng)態(tài)微成形能力。
　　構(gòu)建了微成形系統(tǒng)，研究了工藝參數(shù)對(duì)微成形的影響。用光學(xué)顯微鏡測量了不同激

3、光能量下的微成形工件，用掃描電鏡表征了失效工件的斷口形貌。通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光能量較低時(shí)工件具有良好的成形質(zhì)量，當(dāng)激光能量較大時(shí)工件產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)斷裂，且斷面有明顯的氧化與融化現(xiàn)象，表明工件在失效之前產(chǎn)生了較大的塑性應(yīng)變。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光沖擊次數(shù)達(dá)到一定閾值時(shí)，模具的表面會(huì)產(chǎn)生一些微缺陷。利用激光沖擊靶材實(shí)驗(yàn)研究了沖擊波對(duì)模具表面的退化機(jī)理，為微模具壽命周期的預(yù)測提供了指導(dǎo)。
　　利用TEM技術(shù)對(duì)工件斷裂前后的微觀組織進(jìn)行了分析，歸納出

4、工件可能經(jīng)歷的四個(gè)階段:(1)最初的沖擊加載階段:產(chǎn)生了高密度的位錯(cuò);(2)彎曲變形階段:在沖擊壓縮形變下產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，生成了納米晶;(3)拉伸變形階段:為了在這納米晶區(qū)域產(chǎn)生高應(yīng)變，晶界滑動(dòng)(GBS)成為主要的變形模式，空洞很容易在拉伸狀態(tài)下產(chǎn)生;(4)斷裂階段:隨著拉伸變形的繼續(xù)，溫升導(dǎo)致的晶粒長大現(xiàn)象會(huì)降低材料的流動(dòng)性能，同時(shí)局部的高拉伸應(yīng)力會(huì)使空洞逐漸長大然后合并成裂紋，從而形成最終的剪切斷裂。工件絕熱剪切失效機(jī)理的揭示可更

5、好地指導(dǎo)微成形工藝的設(shè)計(jì)。
　　研究了金屬薄板與微模具之間的高速碰撞行為對(duì)工件表面狀態(tài)以及成形精度的影響。針對(duì)模具成形中微成形件存在的反彈問題，對(duì)激光沖擊軟膜加載方式進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)之處在于在軟膜和工件之間增加一層橡皮泥，相當(dāng)于間接增大了工件的剛度，同時(shí)橡皮泥可以吸收碰撞產(chǎn)出的沖擊波能量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明橡皮泥層的添加雖然會(huì)吸收一部分成形能量，但是可以有效抑制反彈，從而提高工件的成形精度。利用納米壓痕測試系統(tǒng)，選取了斷裂和未斷裂兩種典

6、型成形工件作為測試對(duì)象，表征了軟膜動(dòng)態(tài)加載對(duì)零件機(jī)械性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，成形區(qū)域的彈性模量和納米硬度相對(duì)于原材都增大了。特別是當(dāng)工件未斷裂時(shí)，在模具入口圓角處，其彈性模量和納米硬度大幅提高。
　　通過數(shù)值模擬研究了工件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分為三類:脹形成形，拉伸分裂和剪切斷裂，這三類不同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)中觀察到的三種不同成形結(jié)果。從溫度場和應(yīng)力場這兩方面表征了絕熱剪切帶的演變過程，在一定程度上彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)研究絕熱剪切帶的演變過程的不足