激光間接沖擊金屬薄板微沖裁工藝研究.pdf

1、科學技術(shù)發(fā)展日新月異，先進制造理念推陳出新，產(chǎn)品的微型化成為工業(yè)制造的一個趨勢。具有微孔特征的微器件在電子信息、生物醫(yī)療和微機電系統(tǒng)等領(lǐng)域應用廣泛，與之相關(guān)的微孔制造技術(shù)也成為研究的熱點?；趥鹘y(tǒng)沖裁工藝發(fā)展起來的微沖裁技術(shù)發(fā)揮了重要的作用，但其發(fā)展受到精密沖裁工具制造、復雜對中和微細沖裁間隙調(diào)控等工藝難題的限制，所以對新的微沖裁方法的探索具有重要的意義。
　　本文是對激光間接沖擊金屬薄板微沖裁工藝的研究，利用新的工藝實現(xiàn)了復雜輪

2、廓?？孜_裁模具的精密制造，在其基礎(chǔ)上展開了激光驅(qū)動飛片間接沖擊微沖裁工藝和機理的深化研究，并借鑒軟模具無間隙沖裁技術(shù)和軟膜微成形工藝提出了激光沖擊軟膜間接沖擊微沖裁方法，并展開了相關(guān)研究。本文主要的研究方法和成果如下:
　　首先，研究了強脈沖激光誘導沖擊波的力效應機理，沖擊波峰值壓力的計算方法，分析了兩種工藝中的能量耦合方式和加載特性，探究了動載荷作用下金屬薄板工件的動態(tài)響應和斷裂機理等激光間接沖擊金屬薄板微沖裁過程中涉及的關(guān)鍵

3、基礎(chǔ)理論。
　　然后，使用SpitLight2000和GAIA Nd-YAG激光器進行了激光驅(qū)動飛片與激光沖擊軟膜間接沖擊微沖裁實驗研究，分別進行了單次激光脈沖作用下單孔、陣列孔以及復雜輪廓微孔陣列的微沖裁實驗，使用KEYENCE VHX-1000C、AxioCSM700以及SEM等設(shè)備對微沖裁的實驗結(jié)果進行了檢測分析。
　　在激光驅(qū)動飛片間接沖擊微沖裁實驗中，分別在厚度17μm的鋁箔、20μm的銅箔以及15μm的鈦箔工件上

4、沖裁出邊長800μm的方孔、300μm的方孔陣列以及外接圓直徑500μm的梅花狀微孔陣列，微孔沖裁質(zhì)量良好，形狀和尺寸精度較高，毛刺得到了抑制。研究了激光脈沖能量、工件材料與厚度、飛片材料以及吸收層等因素對金屬薄板微沖裁的影響;檢測方孔和復雜輪廓微孔的輪廓特征和落料形貌特征，分析其形成原因，并探討激光驅(qū)動飛片的加載特性，結(jié)果顯示:飛片的平面性使沖裁力分布均衡，激光驅(qū)動飛片間接沖擊微沖裁對復雜輪廓微孔陣列具有良好的沖裁加工能力。
　

5、　在激光沖擊軟膜間接沖擊微沖裁實驗中，利用聚氨酯橡膠軟膜作為沖擊波的壓力傳遞媒介，使用SpitLight2000的小能量段脈沖在厚度17μm的鋁箔工件上沖裁出方形單孔、方孔陣列以及梅花孔陣列，微孔尺寸與激光驅(qū)動飛片間接沖擊微沖裁實驗中的一致;并針對軟膜動載荷加載的特性，使用GAIA大功率激光器在厚度50μm的鋁箔工件上沖裁出邊長800μm的方孔陣列，微孔沖裁質(zhì)量良好，動載荷沖裁輪廓特征明顯，圓角帶過渡明顯，斷面毛刺得到抑制。研究了吸收層

6、、軟膜厚度以及激光脈沖能量等主要工藝參數(shù)對微孔沖裁效果的影響，重點分析了動載荷加載下沖裁斷面輪廓的特點和形成原因，并將兩種激光間接沖擊微沖裁工藝的實驗結(jié)果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)激光驅(qū)動飛片微沖裁的能量利用率更高，對光路對中的依賴性更小，但激光沖擊軟膜微沖裁具有更加寬泛的能量設(shè)置與加工范圍，主要能夠避免在大激光能量條件下可能發(fā)生的高速沖擊焊接現(xiàn)象。
　　最后，本文使用有限網(wǎng)格單元法(FEM)和流體動力學光滑粒子法(SPH)以ANSYS/

7、LS-DYNA為主要的軟件平臺分別對兩種工藝的微沖裁過程進行了數(shù)值模擬研究。在激光驅(qū)動飛片加載工件微沖裁模擬中，利用FEM方法研究了工件沖裁斷面的形成過程，揭示絕熱剪切帶在沖裁斷面上首先出現(xiàn)的位置;利用SPH方法探究了工件的動態(tài)響應過程。在激光沖擊軟膜間接沖擊微沖裁模擬中，利用APDL批量化參數(shù)設(shè)計進行FEM模擬，研究了軟膜厚度、工件厚度和最低沖裁能量之間的關(guān)系;利用SPH方法分析工件材料的動態(tài)響應，揭示包括最初粒子失效、材料流動以及工