激光驱动飞片微塑性温成形工艺研究

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近年来,随着产品的不断微型化,微成形加工技术被越来越广泛地应用于微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)中,尤其是生产制造电子产品、医疗器械、通信零件等。激光驱动飞片微成形因其生产效率高、成本低、成形件疲劳寿命长等优点,是一种很有前景的微塑性成形技术。  本文基于激光驱动飞片微成形理论,构建了激光驱动飞片微塑性温成形系统。在国家自然基金(强脉冲激光驱动飞片加载金属箔板微成形基础研究)项目的支持下,进行了激光驱动飞片微塑性温成形实验,研究了各工艺参数对微成形件的粗糙度、表面质量、成形深度的影响;进行了纳米压痕实验,探讨了温成形过程的成形机理;针对激光驱动飞片微塑性温成形过程进行了热力耦合数值模拟研究。主要研究成果如下:  搭建了激光驱动飞片微塑性温成形系统,利用自行设计的温成形模具对关键工艺参数(成形温度、激光器能量、软膜厚度)与温成形性能之间的关系进行定性、定量实验研究,探讨了激光驱动飞片微塑性温成形常见的失效形式,并讨论了各工艺参数对T2紫铜成形件的表面粗糙度和三维形貌的影响。结果发现,T2紫铜工件成形区域和未成形区域的表面粗糙对随温度的升高变化不明显,在2~2.5μm范围内轻微波动;随着成形温度的升高(25、100、150、200℃)和激光能量(1020、1380、1690、1900 mJ)的增强,T2紫铜成形件的的温成形性能提高了;与无软膜成形相比,硅橡胶软膜可以避免飞片与工件直接接触而烧蚀失效,改善T2紫铜工件的成形精度。实验研究证明了利用硅橡胶软膜辅助激光驱动飞片微塑性温成形工艺可以提高工件的成形能力,为开展高应变率下材料的温成形机理研究提供实验依据。  针对不同成形温度对成形件表面微硬度及弹性模量的影响开展了纳米压痕实验研究,揭示了T2紫铜成形件成形区域和未成形区域纳米压痕硬度和弹性模量随温度变化的规律,理论研究了成形温度和硅橡胶软膜对激光驱动飞片微塑性温成形机理的影响。结果发现,本实验条件下,与基材硬度相比,紫铜成形区域表面纳米压痕硬度相对于基材硬度都提高了,但提高幅度随着温度升高而下降;弹性模量随成形温度的升高呈降低趋势,工件中心成形区域弹性模量在50-120GPa范围内变化。分析认为,激光驱动飞片微塑性温成形是激光冲击强化作用和温度软化作用共同作用的结果。激光驱动飞片微塑性温成形工艺可以适度提高成形件力学性能,对进一步开展温成形机理研究具有一定的理论参考价值。  利用LS-DYNA软件对不同激光能量、不同温度下工件的成形过程进行热力耦合数值模拟分析,研究了成形件的温度场、位移场、应力场的分布规律。随着激光能量的增大和成形温度的升高,工件的最大位移增大,最大应力出现在成形区域中心处,这与实验结果是一致的;进一步研究探讨了工件减薄率、应变速率变化规律,初步揭示了激光驱动飞片微塑性温成形成形机理。
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