微型温挤压温度分布机制及结构优化研究

论文摘要

随着微器件需求的日益增多,LIGA(德文Lithograpie GalvanoformungAbformtmg)、光刻、蚀刻等传统微细加工技术,已无法满足大批量三维复杂微器件的生产要求。而塑性加工具有生产效率高、成本低和产品精度高等特点,所以结合塑性加工方法的微挤压、微冲压等微塑性成形技术得到了广泛的发展。目前,微挤压研究多数集中在冷挤压上,但是微冷挤压变形抗力大,充模不均匀。传统温挤压不仅可以减少变形抗力,而且可以增加材料的流动性,因此微温挤压技术有更好的发展前景。但传统的加热装置复杂且不易控制,将会影响微型产品的质量和成本。激光辅助加热可控性好,效率高,可以实现有选择性的加热,因此激光加热技术与微成形技术的结合为微塑性成形技术的发展提供了新的途径。本文阐述了激光加热技术和微型温挤压技术的基本理论,讨论了激光加热有限元模型,运用数值模拟技术对激光加热温度场进行研究,在此基础上对微型温挤压成形过程进行了模拟。本文的主要研究内容如下:1.阐述了微型温挤压的特点,讨论了微型温挤压和传统温挤压的差异;研究了仿真建模中的关键问题,包括网格的划分、热力耦合模型的建立和摩擦模型的处理等。2.论述了传热学的基本理论;实验研究了激光加热铝合金温度场的分布;借助有限元软件ABAQUS建立激光加热的有限元模型,对激光功率、光斑大小和加热时间等参数对微器件温度场分布的影响进行了研究。3.提出了激光双面加热的方法,基于激光加热的有限元模型,对激光功率、光斑大小和加热时间进行组合得到均匀分布的温度场;设计了激光双面加热系统,并介绍了激光器、激光光路和检测控制装置。4.建立了微型温挤压成形的有限元模型,基于激光双面加热得到的均匀分布温度场,运用正交试验的方法,对凹模入模锥角、工作带长度和圆角半径三个结构参数进行优化,得到了微型温挤压的最优结构参数。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微成形的应用与发展
• 1.2.1 微成形的应用
• 1.2.2 微成形的发展
• 1.3 国内外研究状况
• 1.3.1 微挤压成形的研究现状
• 1.3.2 微挤压系统的研究现状
• 1.4 课题研究背景及来源
• 1.5 本文的主要研究内容
• 1.6 本章小节
• 第2章 温挤压微成形理论研究及数值模拟关键技术
• 2.1 引言
• 2.2 材料的加热方法
• 2.3 温挤压成形技术
• 2.3.1 挤压基本理论
• 2.3.2 温挤压基本理论
• 2.4 温挤压微成形理论研究
• 2.4.1 微型温挤压的特点
• 2.4.2 微型温挤压的发展方向
• 2.5 仿真建模中的关键问题
• 2.5.1 ABAQUS简介
• 2.5.2 网格自适应
• 2.5.3 热力耦合模型
• 2.5.4 摩擦模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 激光加热的微型温挤压温度场研究
• 3.1 引言
• 3.2 传热学基本理论
• 3.2.1 传热的基本方式
• 3.2.2 传热学的边界条件
• 3.2.3 传热控制方程
• 3.3 激光加热温度场实验研究
• 3.3.1 实验装置介绍
• 3.3.2 材料参数和激光控制参数
• 3.3.3 实验结果与分析
• 3.4 激光加热温度场数值模拟研究
• 3.4.1 激光加热数学模型
• 3.4.2 激光加热的二维几何模型
• 3.4.3 数值模拟结果及分析
• 3.5 激光控制参数对温度场的影响
• 3.5.1 激光功率的影响
• 3.5.2 光斑大小的影响
• 3.5.3 加热时间的影响
• 3.6 其它因素对温度场的影响
• 3.7 本章小结
• 第4章 激光加热温度场均匀化研究及加热系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 温度场分布均匀化理论研究
• 4.2.1 温度场分布均匀化简介
• 4.2.2 影响温度场均匀分布的主要因素
• 4.3 激光加热温度场均匀化方案研究
• 4.3.1 加热位置的确定
• 4.3.2 温度场均匀分布评定方法
• 4.3.3 加热工艺参数的确定
• 4.4 温度场模拟结果及均匀化分析
• 4.5 微型温挤压激光双面加热系统设计
• 4.5.1 激光器选择
• 4.5.2 激光光路设计
• 4.5.3 检测控制装置
• 4.6 本章小节
• 第5章 微型温挤压成形过程模拟及模具结构优化
• 5.1 引言
• 5.2 正交试验法确定模具结构方案
• 5.2.1 正交试验法简介
• 5.2.2 实验原理
• 5.2.3 实验方案
• 5.3 微型温挤压成形过程有限元建模
• 5.3.1 挤压材料描述
• 5.3.2 几何模型建立
• 5.3.3 分析步设置
• 5.3.4 边界条件设定
• 5.4 模拟计算结果
• 5.5 模拟结果分析
• 5.6 模具最优参数确定
• 5.7 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士在读期间发表的论文
• 硕士在读期间申请的专利
• 硕士在读期间参与的课题