激光驱动复合飞片微弯曲成形研究

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微型化产品已成为制造业的一种发展趋势,对应的微加工技术显得越来越重要。因在批量生产方面的优势,传统的微塑性成形工艺得到了广泛应用。但是,传统的微塑性加工工艺相对复杂,且难以完成一些难成形、高硬度等材料的加工,限制了其在工业生产中的应用。因此,探寻新的微成形加工工艺成为国内外学者的研究热点。  本文在国家自然基金项目“强脉冲激光驱动飞片加载金属箔板微成形基础研究”项目支持下,开展了激光驱动复合飞片微弯曲成形实验研究。  首先,论文阐述了激光驱动复合飞片微弯曲成形的基础理论,主要包括激光与物质作用的力效应模型、飞片结构、激光驱动飞片过程的影响因素以及飞片与工件高速撞击的冲击动力学特性等几方面内容。  其次,对激光驱动复合飞片的制备及压力测量进行了实验研究。该复合飞片由吸收层、烧蚀层和冲击层构成。其中,采用磁控溅射工艺完成吸收层钛膜和烧蚀层铝膜的制备,并通过低粘度环氧树脂将冲击层粘贴于烧蚀层中心处形成多层飞片结构。同时搭建了激光驱动飞片的压力测量系统,采用PVDF压电传感器对复合飞片和单飞片的冲击压力进行了测量,获得了不同激光能量下的冲击压力数据,证实了该复合飞片能够运用在激光驱动飞片技术中,并具有较高的冲击成形压力。  接着,对激光驱动复合飞片加载铜箔微弯曲成形进行了实验研究,探讨了激光驱动复合飞片的成形能力以及成形过程中对工件微弯曲成形性能的影响因素。利用Keyence VHX-1000超景深三维显微镜对基于微弯曲模具条件下的工件在不同激光能量下的成形深度和表面成形质量进行了测量。实验结果表明激光驱动复合飞片具有更好的成形能力,采用复合飞片的成形工件具有更大的成形深度和成形区域,成形形貌更加均匀对称,表面粗糙度较小,具有更好的成形质量。同时,通过成形实验探究了激光能量、工件厚度、吸收层、烧蚀层以及复合飞片冲击层对工件成形性能的影响。在工件没有发生成形失效前,工件的成形深度随着能量的增加而增加;采用较小的工件厚度时,工件的成形深度较大;采用反射率较低的钛膜吸收层时,工件的成形深度较大;烧蚀层不能太厚也不能太薄,对工件的成形深度具有一定的影响;采用非金属冲击层聚氨酯橡胶时,工件的成形深度较大,成形质量较好。  最后,采用ANSYS/LS-DYNA软件对基于单槽U形模具的激光驱动复合飞片加载金属箔板微弯曲成形过程进行了数值模拟。对激光驱动复合飞片微成形的实验测量结果和模拟结果进行了对比研究,证实了激光驱动复合飞片微弯曲工艺的可行性。结合冲击载荷作用机理和工件动态响应过程,对复合飞片冲击层以及工件厚度对工件成形的影响进行了研究分析,为优化复合飞片结构以及微弯曲成形工艺提供了依据。  作为一种新型的微塑性成形工艺,激光驱动复合飞片微弯曲成形技术具有较高的研究价值和良好的应用前景,本文研究为脉冲激光微弯曲成形的工程应用提供了技术基础。
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