激光预冲击辅助激光动态柔性微成形工艺研究

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激光动态柔性微成形技术(μLDFF)结合了高应变率成形和柔性微成形技术的优点,提高生产效率的同时能够保证工件的成形效率,尤其适合高强度材料复杂特征微零件的生产,在实际生产中有着广阔的前景。由于微成形中尺寸效应的存在,材料的力学性能与塑性流动影响着微成形件的成形质量,特别是在加工工件厚度与其晶粒尺寸相当时,微成形件的成形精度及表面质量无法得到保证,这制约了激光动态柔性微成形技术的进一步发展。本文提出将激光预冲击引入激光动态柔性微成形中的新工艺,基于激光冲击成形及柔性微成形相关理论,展开了一系列研究。主要的研究工作与成果如下:(1)设计了T2紫铜箔的激光预冲击实验,分析了不同激光能量参数对不同晶粒尺寸的紫铜箔的影响。实验结果表明激光预冲击对工件晶粒尺寸的细化和表面质量的改善有着积极作用。激光预冲击能够改善铜箔的表面质量,预冲击铜箔的表面粗糙度随着激光预冲击能量的增加呈现出先减小后增大的趋势,且伴随着不同程度的回弹现象,过大的激光能量造成的回弹不可忽视,这也为后续预处理工艺的参数选择提供了导向。(2)制备微胀形模具,进行了相应的微胀形实验,从胀形深度、表面粗糙度、成形均匀性等方面研究了相关工艺参数(激光脉冲能量、模具特征尺寸、晶粒尺寸及纳米硬度)对微胀形件成形质量的影响规律。晶粒尺寸的增大及表面粗化导致微胀形件的成形质量降低,激光预冲击的引用有利于微胀形件成形质量的改善。这是因为激光预冲击细化了工件内部晶粒,一定程度抑制了表面粗化现象。尤其对于粗晶件,激光预冲击工件晶粒尺寸减小了21.0%,微胀形件表面粗糙度降低了13.7%。预冲击微胀形件成形质量的提高体现在厚度分布及成形对称性的改善上,并抑制了局部颈缩的产生。对于固定特征尺寸的工件,存在合适的模具特征尺寸区间以保证较好的成形质量,模具特征尺寸的增加导致成形均匀性降低,而模具特征尺寸的减小则导致表面质量恶化。激光预冲击的引入扩大了微胀形工艺的窗口。(3)利用SEM观察了微胀形破裂件的微观组织,重点分析了表面粗化引起的局部颈缩以及提前断裂现象。对于细晶件,局部颈缩往往发生表面粗化最严重的位置,即胀形中心区域;较大的晶粒尺寸使得粗晶件的局部颈缩位置往往不能预测,多发生于晶粒尺寸分布不均匀的位置上,这是因为晶粒取向的差异及表面粗化造成局部应力应变集中。局部颈缩是裂纹产生的先兆,裂纹产生的位置多与局部颈缩的位置相吻合。裂纹的扩展方向随机但一般沿着晶界处,并伴随着强烈的晶界滑移痕迹,裂纹边缘处出现的急剧厚度减薄是裂纹扩展的标志。(4)制备微冲裁模具,进行了相应的微冲裁实验,从断面形貌、尺寸精度及形状精度等方面研究了相关工艺参数(激光脉冲能量、晶粒尺寸)对微冲裁件成形质量的影响规律。实验结果表明,微冲裁件断裂表面上无断裂带,只存在圆角带、剪切带及毛刺三个区域,预冲击微冲裁件剪切带明显增大,表面质量得到提高。激光预冲击普遍提高了微冲裁件的形状精度及尺寸精度,尤其对于粗晶件,通过抑制表面粗化及细化厚度方向上的晶粒,提高了激光动态柔性微冲裁工艺的稳定性。
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