激光驱动飞片加载微塑性成形的研究

论文摘要

随着现代科学技术的发展,产品微型化的趋势日趋加快,对微、小型零件的需求量也越来越大,特别是微机电系统(MEMS)领域的飞速发展,使微成形技术和微型模具制造成为工业界重点研究的对象。尽管应用微细加工方法可以直接成形用于MEMS的微小构件,但通过微型模具成形微小制件更易于保证质量,且成形工艺容易控制,便于自动化生产,是大批量成形微型制件的重要工艺发展方向。开发了一种新型激光微成形技术。激光驱动飞片微成形技术采用激光热力耦合原理,利用激光驱动飞片模式,成功在铝箔表面复制出微米尺度三维结构。飞片高速撞击产生的平面应力冲击波,复制出三维微米尺度的高空间分辨率结构。复制的过程不仅能够大面积得到微米高分辨率,而且复制的微结构的成本基本上与具体结构的复杂程度无关。因此我们认为这种新型激光微加工技术是一种低成本批量生产微器件和其他具有微米特征尺寸元件的关键技术。重点研究了激光驱动飞片微成形过程中的工艺参数对微成形性能的影响,并结合有限元模拟分析了金属材料在微成形过程中应力应变的变化。结果表明:激光参数,冲击成形力,微模具的尺寸结构参数对微成形过程有着重要的影响。激光诱导的峰值压力增加,材料变形程度增大,贴合模板度也加大。但是太高的压力容易使材料破损失效,而且容易造成微模板变形扭曲,降低模板的可重复利用性。合理的脉冲应力波形加载,能增加材料的变形程度,加大与模板的贴合。脉冲应力作用时间越长,底边中心点和角点的应力波动幅值越小。但是过短的脉冲应力作用时间,容易在角点处材料由于应力集中,而产生拉伸断裂破坏。脉冲激光直接大面积制作或复制三维微机械、微模具金属结构,将是一种低成本,高效率,少污染的新型激光微加工技术,具有广阔的工业应用前景。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 “激光成形技术”的国内外研究现状
• 1.2.1 激光宏观成形技术的研究
• 1.2.2 激光微塑性成形技术的进展
• 1.3 当前微成形研究中存在的问题
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 1.5 研究方案，技术路线与关键问题
• 第2章 激光微塑性成形的原理与试验方法
• 2.1 激光微塑性成形的原理
• 2.1.1 激光应力波的激发
• 2.1.2 激光驱动飞片加载的原理
• 2.2 激光微塑性成形的实验与方法
• 2.2.1 激光微塑性成形的实验系统
• 2.2.2 激光微塑性成形的实验方法
• 第3章 激光驱动飞片加载机制的研究
• 3.1 引言
• 3.2 激光驱动飞片的力学原理
• 3.3 激光驱动飞片的运动学模型
• 3.4 激光驱动飞片加载实验
• 3.5 激光驱动飞片的数值模拟
• 3.5.1 模型建立
• 3.5.2 模拟结果与分析
• 3.5.3 影响飞片速度因素分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 激光微成形工艺的研究
• 4.1 引言
• 4.2 复杂三维结构的激光微塑性成形
• 4.2.1 凹模的选择
• 4.2.2 成形过程与结果
• 4.3 激光驱动飞片微成形的工艺研究
• 4.3.1 工艺研究实验路线图
• 4.3.2 工艺参数对激光微成形性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 激光微成形的数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 有限元数值模拟
• 5.2.1 运动方程
• 5.2.2 本构方程
• 5.2.3 边界条件
• 5.2.4 初始条件
• 5.2.5 求解算法
• 5.3 ABAQUS模拟
• 5.3.1 脉冲激光动载荷的输入
• 5.3.2 ABAQUS模拟参数求解与输出
• 5.3.3 应力波在成形零件中的传播及成形过程图
• 5.4 模拟结果与分析
• 5.4.1 不同载荷加载下的应力分布
• 5.4.2 边中心点和角点的应力时变特性
• 5.4.3 应力脉冲作用时间对应力时变特性的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文与专利