论文部分内容阅读
科学技术发展日新月异,先进制造理念推陈出新,产品的微型化成为工业制造的一个趋势。具有微孔特征的微器件在电子信息、生物医疗和微机电系统等领域应用广泛,与之相关的微孔制造技术也成为研究的热点。基于传统冲裁工艺发展起来的微冲裁技术发挥了重要的作用,但其发展受到精密冲裁工具制造、复杂对中和微细冲裁间隙调控等工艺难题的限制,所以对新的微冲裁方法的探索具有重要的意义。 本文是对激光间接冲击金属薄板微冲裁工艺的研究,利用新的工艺实现了复杂轮廓模孔微冲裁模具的精密制造,在其基础上展开了激光驱动飞片间接冲击微冲裁工艺和机理的深化研究,并借鉴软模具无间隙冲裁技术和软膜微成形工艺提出了激光冲击软膜间接冲击微冲裁方法,并展开了相关研究。本文主要的研究方法和成果如下: 首先,研究了强脉冲激光诱导冲击波的力效应机理,冲击波峰值压力的计算方法,分析了两种工艺中的能量耦合方式和加载特性,探究了动载荷作用下金属薄板工件的动态响应和断裂机理等激光间接冲击金属薄板微冲裁过程中涉及的关键基础理论。 然后,使用SpitLight2000和GAIA Nd-YAG激光器进行了激光驱动飞片与激光冲击软膜间接冲击微冲裁实验研究,分别进行了单次激光脉冲作用下单孔、阵列孔以及复杂轮廓微孔阵列的微冲裁实验,使用KEYENCE VHX-1000C、AxioCSM700以及SEM等设备对微冲裁的实验结果进行了检测分析。 在激光驱动飞片间接冲击微冲裁实验中,分别在厚度17μm的铝箔、20μm的铜箔以及15μm的钛箔工件上冲裁出边长800μm的方孔、300μm的方孔阵列以及外接圆直径500μm的梅花状微孔阵列,微孔冲裁质量良好,形状和尺寸精度较高,毛刺得到了抑制。研究了激光脉冲能量、工件材料与厚度、飞片材料以及吸收层等因素对金属薄板微冲裁的影响;检测方孔和复杂轮廓微孔的轮廓特征和落料形貌特征,分析其形成原因,并探讨激光驱动飞片的加载特性,结果显示:飞片的平面性使冲裁力分布均衡,激光驱动飞片间接冲击微冲裁对复杂轮廓微孔阵列具有良好的冲裁加工能力。 在激光冲击软膜间接冲击微冲裁实验中,利用聚氨酯橡胶软膜作为冲击波的压力传递媒介,使用SpitLight2000的小能量段脉冲在厚度17μm的铝箔工件上冲裁出方形单孔、方孔阵列以及梅花孔阵列,微孔尺寸与激光驱动飞片间接冲击微冲裁实验中的一致;并针对软膜动载荷加载的特性,使用GAIA大功率激光器在厚度50μm的铝箔工件上冲裁出边长800μm的方孔阵列,微孔冲裁质量良好,动载荷冲裁轮廓特征明显,圆角带过渡明显,断面毛刺得到抑制。研究了吸收层、软膜厚度以及激光脉冲能量等主要工艺参数对微孔冲裁效果的影响,重点分析了动载荷加载下冲裁断面轮廓的特点和形成原因,并将两种激光间接冲击微冲裁工艺的实验结果进行对比分析,发现激光驱动飞片微冲裁的能量利用率更高,对光路对中的依赖性更小,但激光冲击软膜微冲裁具有更加宽泛的能量设置与加工范围,主要能够避免在大激光能量条件下可能发生的高速冲击焊接现象。 最后,本文使用有限网格单元法(FEM)和流体动力学光滑粒子法(SPH)以ANSYS/LS-DYNA为主要的软件平台分别对两种工艺的微冲裁过程进行了数值模拟研究。在激光驱动飞片加载工件微冲裁模拟中,利用FEM方法研究了工件冲裁断面的形成过程,揭示绝热剪切带在冲裁断面上首先出现的位置;利用SPH方法探究了工件的动态响应过程。在激光冲击软膜间接冲击微冲裁模拟中,利用APDL批量化参数设计进行FEM模拟,研究了软膜厚度、工件厚度和最低冲裁能量之间的关系;利用SPH方法分析工件材料的动态响应,揭示包括最初粒子失效、材料流动以及工件振动等响应过程。 激光间接冲击金属薄板微冲裁是以激光应用技术为基础的比较新颖的微制造技术,本文进行了基本的理论和实验研究,揭示动载荷微冲裁的一般规律,为进一步将其推进到工业生产制造的应用中奠定了基础。