激光間接沖擊金屬薄板微沖裁工藝研究.pdf

1、科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，先進(jìn)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(gè)趨勢(shì)。具有微孔特征的微器件在電子信息、生物醫(yī)療和微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，與之相關(guān)的微孔制造技術(shù)也成為研究的熱點(diǎn)。基于傳統(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(fù)雜對(duì)中和微細(xì)沖裁間隙調(diào)控等工藝難題的限制，所以對(duì)新的微沖裁方法的探索具有重要的意義。
　　本文是對(duì)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(shí)現(xiàn)了復(fù)雜輪

2、廓模孔微沖裁模具的精密制造，在其基礎(chǔ)上展開了激光驅(qū)動(dòng)飛片間接沖擊微沖裁工藝和機(jī)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(qiáng)脈沖激光誘導(dǎo)沖擊波的力效應(yīng)機(jī)理，沖擊波峰值壓力的計(jì)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(dòng)載荷作用下金屬薄板工件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和斷裂機(jī)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(jìn)行了激光驅(qū)動(dòng)飛片與激光沖擊軟膜間接沖擊微沖裁實(shí)驗(yàn)研究，分別進(jìn)行了單次激光脈沖作用下單孔、陣列孔以及復(fù)雜輪廓微孔陣列的微沖裁實(shí)驗(yàn)，使用KEYENCE VHX-1000C、AxioCSM700以及SEM等設(shè)備對(duì)微沖裁的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了檢測(cè)分析。
　　在激光驅(qū)動(dòng)飛片間接沖擊微沖裁實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(duì)金屬薄板微沖裁的影響;檢測(cè)方孔和復(fù)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(dòng)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(dòng)飛片間接沖擊微沖裁對(duì)復(fù)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(shí)驗(yàn)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(dòng)飛片間接沖擊微沖裁實(shí)驗(yàn)中的一致;并針對(duì)軟膜動(dòng)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(zhǎng)800μm的方孔陣列，微孔沖裁質(zhì)量良好，動(dòng)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(duì)微孔沖裁效果的影響，重點(diǎn)分析了動(dòng)載荷加載下沖裁斷面輪廓的特點(diǎn)和形成原因，并將兩種激光間接沖擊微沖裁工藝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)激光驅(qū)動(dòng)飛片微沖裁的能量利用率更高，對(duì)光路對(duì)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?zèng)_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(dòng)力學(xué)光滑粒子法(SPH)以ANSYS/

7、LS-DYNA為主要的軟件平臺(tái)分別對(duì)兩種工藝的微沖裁過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。在激光驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)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(jì)進(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)，揭示包括最初粒子失效、材料流動(dòng)以及工