激光動態(tài)柔性微成形實驗與數(shù)值模擬研究.pdf

1、激光動態(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，所以激光動態(tài)微成形已成為當(dāng)前微成形領(lǐng)域的研究熱點。本文在剖析國內(nèi)外有關(guān)激光動態(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，提出了激光動態(tài)柔性微成形技術(shù)。本文針對激光沖擊軟膜加載特性及工件在軟膜動態(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方面:
　　探索了軟膜對激光沖擊波壓力空

2、間分布的均化機理。設(shè)計了軟膜均化激光沖擊波壓力的對比實驗，利用橡皮泥的形變來表征沖擊波的空間壓力分布，最終實驗表明軟膜可以有效地均化沖擊波的空間壓力分布。設(shè)計了軟膜對于成形能力影響的對比實驗，實驗結(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行，提高激光動態(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)激光能量較低時工件具有良好的成形質(zhì)量，當(dāng)激光能量較大時工件產(chǎn)生了動態(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)達到一定閾值時，模具的表面會產(chǎn)生一些微缺陷。利用激光沖擊靶材實驗研究了沖擊波對模具表面的退化機理，為微模具壽命周期的預(yù)測提供了指導(dǎo)。
　　利用TEM技術(shù)對工件斷裂前后的微觀組織進行了分析，歸納出

4、工件可能經(jīng)歷的四個階段:(1)最初的沖擊加載階段:產(chǎn)生了高密度的位錯;(2)彎曲變形階段:在沖擊壓縮形變下產(chǎn)生了動態(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(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)象會降低材料的流動性能，同時局部的高拉伸應(yīng)力會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理的揭示可更

5、好地指導(dǎo)微成形工藝的設(shè)計。
　　研究了金屬薄板與微模具之間的高速碰撞行為對工件表面狀態(tài)以及成形精度的影響。針對模具成形中微成形件存在的反彈問題，對激光沖擊軟膜加載方式進行了改進，改進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，同時橡皮泥可以吸收碰撞產(chǎn)出的沖擊波能量。實驗結(jié)果表明橡皮泥層的添加雖然會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象，表征了軟膜動態(tài)加載對零件機械性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，成形區(qū)域的彈性模量和納米硬度相對于原材都增大了。特別是當(dāng)工件未斷裂時，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，這三類不同的動態(tài)響應(yīng)對應(yīng)于實驗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，在一定程度上彌補了實驗研究絕熱剪切帶的演變過程的不足