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温度辅助的金属箔板激光冲击微成形性能

光学学报 2014年第B12期34卷 269-273页

作者：戴磊周建忠黄舒孟宪凯苏纯韩煜航江苏大学机械工程学院江苏镇江212013 常州工学院江苏省数字化电化学加工重点建设实验室江苏常州213002

激光冲击微成形技术作为一种新颖的高能率微细加工技术，其利用脉冲激光诱导的冲击波压力使金属箔板塑性成形微结构件。由于微尺度效应的存在，激光冲击微成形件一定程度上受各向异性靶材的影响发生材料流动不均匀、塑性变形程度不一致... 详细信息

激光冲击微成形技术作为一种新颖的高能率微细加工技术，其利用脉冲激光诱导的冲击波压力使金属箔板塑性成形微结构件。由于微尺度效应的存在，激光冲击微成形件一定程度上受各向异性靶材的影响发生材料流动不均匀、塑性变形程度不一致和起皱现象。为了提高激光微成形件的成形性能，探究了温度辅助的激光冲击微成形工艺，以微凹模作为支撑，对厚度为50 μm的铜箔材进行了温热条件下激光冲击微拉深成形实验，利用形貌测量仪对获得的微拉深试样进行了三维形貌测试。结果表明：温热条件下激光冲击微拉深件的塑性变形均匀性得到显著改善，成形高度较室温下得到进一步提升，在微凹模孔径0.8 mm和130 ℃时微拉深件成形极限为208.9 μm。

关键词：激光光学激光微成形金属箔板微尺度效应成形极限

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激光驱动飞片加载金属箔板成形机理研究

中国机械工程 2009年第7期20卷 865-869页

作者：刘会霞杨昆王霄王匀李保春高传玉周明江苏大学镇江212013

分析了激光驱动飞片加载金属箔板成形的机理，结合激光驱动飞片模型和高速碰撞动力学理论，得到激光驱动飞片加载金属箔板成形时工件的应变率高达10^6～10^7S^-1，并给出了飞片加载的速度范围。从冲击温升、相变、位错密度等方面阐述了... 详细信息

分析了激光驱动飞片加载金属箔板成形的机理，结合激光驱动飞片模型和高速碰撞动力学理论，得到激光驱动飞片加载金属箔板成形时工件的应变率高达10^6～10^7S^-1，并给出了飞片加载的速度范围。从冲击温升、相变、位错密度等方面阐述了高压高应变率下成形的特点，从理论上说明了激光驱动飞片加载技术能够提高金属箔板的成形能力，设计并完成了实验，实现了10μm厚铝箔的激光驱动飞片加载成形。

关键词：微成形激光驱动飞片应变率金属箔板

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激光驱动飞片加载金属箔板成形及数值模拟

塑性工程学报 2009年第1期16卷 25-30页

作者：王霄杨昆刘会霞王匀李保春沈宗宝江苏大学机械工程学院江苏省光子制造科学与技术重点实验室镇江212013

探讨了一种利用激光驱动飞片微塑性成形的新技术,介绍了激光驱动飞片代替激光冲击加载的原理和特点,设计并完成激光驱动飞片加载铝箔成形的实验,在体视显微镜下观察发现成形铝箔的表面质量优异,利用形貌仪测量发现成形深度与激光光斑能... 详细信息

探讨了一种利用激光驱动飞片微塑性成形的新技术,介绍了激光驱动飞片代替激光冲击加载的原理和特点,设计并完成激光驱动飞片加载铝箔成形的实验,在体视显微镜下观察发现成形铝箔的表面质量优异,利用形貌仪测量发现成形深度与激光光斑能量分布一致,通过实验得到了激光能量与成形深度的关系。采用适合高压高应变率的Johnson-Cook模型,利用LS-DYNA软件模拟了激光驱动飞片加载铝箔微成形,模拟结果能够比较好地解释试验现象,证实了数值模型的合理。

关键词：微成形激光驱动飞片数值模拟金属箔板

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激光间接冲击金属箔板剪切微铆接工艺研究

激光间接冲击金属箔板剪切微铆接工艺研究

作者：李聪江苏大学

学位级别：硕士

随着生物医疗器械和微机电系统的迅猛发展,产品的精密化和微型化成为了工业制造发展的一个重要趋势,而在精密微器械的制造过程中离不开异种轻质材料的耦合使用,因此微制造业迫切需要可以连接异种箔板材料的高效微连接技术。本文结合激... 详细信息

随着生物医疗器械和微机电系统的迅猛发展,产品的精密化和微型化成为了工业制造发展的一个重要趋势,而在精密微器械的制造过程中离不开异种轻质材料的耦合使用,因此微制造业迫切需要可以连接异种箔板材料的高效微连接技术。本文结合激光冲击成形技术和无铆钉铆接技术提出了一种激光间接冲击金属箔板剪切微铆接新工艺,旨在实现微尺度下同种或异种金属箔板的连接,以扩大基于材料塑性变形的连接技术的应用范围。本工艺采用脉冲激光代替传统微冲头,利用软膜作为冲击压力的传递媒介,结合微细电火花加工的微凹模完成微尺度下金属箔板的铆接过程。本文从基础理论、可行性分析、工艺参数三个方面对激光间接冲击金属箔板剪切微铆接工艺进行了研究:首先,研究了激光与物质之间相互作用产生等离子体的机理,确立了冲击波峰值压力的数学模型;讨论了软膜和工件之间的阻抗匹配;探讨了高应变率下材料的塑性变形屈服条件;研究了传统剪切铆接技术中连接点的形成过程和连接机理。其次,进行了激光间接冲击金属箔板剪切微铆接工艺的可行性实验研究。实验结果表明:单次脉冲下无法形成较大内锁,需要使用多次脉冲激光并结合适中的激光能量才能解决该问题;材料组合总厚度与模具深度之间存在匹配关系,随着总厚度的增加,能够使其形成较大内锁的模具深度也相应增大;本工艺更适合连接上板厚于下板的材料组合;在可形成内锁的激光能量区间内,随着激光能量的增大,两层金属箔板之间的内锁尺寸逐渐增大,而上层箔板的最小厚度逐渐减小;相同的板厚条件下,Al/SS材料组合的拉伸强度最高,约为Al/Cu与Cu/Cu材料组合的三倍;另外,Cu/Cu、Al/Cu、Al/SS三种材料组合经过拉伸剪切实验后的失效形式各不相同,分别为:下板部分剪切、完全脱扣以及上板部分剪切。最后,采用脉冲激光能量更大的激光器验证了该工艺在连接较厚箔板时的适用性,改进了激光间接冲击金属箔板剪切微铆接工艺的实验系统,研究了新系统中工艺参数对金属箔板连接效果的影响,通过拉伸剪切实验探讨了内锁尺寸和上板颈部厚度对拉伸强度及其失效模型的影响,通过纳米压痕实验测试了连接点处上下层金属箔板纳米硬度的变化。实验结果表明:吸收层厚度对箔板的材料流动和内锁的形成有很大影响,实验中可根据所使用激光能量的大小来选取最优的吸收层厚度;相比其余厚度的软膜,厚度为100μm的软膜更适合激光间接冲击金属箔板剪切微铆接工艺;在单层板厚小于200μm的范围内,本工艺的最优模具深度可由近似80%的上板厚度与下板厚度相加得到;连接点的拉伸强度及其失效模型都取决于内锁尺寸和上板颈部厚度,连接点只有同时具备较大的内锁尺寸和较大的上板颈部厚度才能具有较高的连接强度;经过激光冲击后连接点处的材料纳米硬度都有所提高,且材料塑性变形程度越大的区域其相应的纳米硬度越高。本文研究为微尺度下金属箔板的连接提供了新途径并为进一步应用奠定了理论基础。

关键词：激光冲击成形金属箔板剪切铆接微连接工艺参数

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激光柔性冲击金属箔板微胀形研究

激光柔性冲击金属箔板微胀形研究

作者：孙先庆江苏大学

学位级别：硕士

随着微型化和集成化趋势的日益突出,具有微特征零件的应用越来越广泛,推动了微成形技术的发展。其中,金属箔板微成形技术成为当前研究的热点。本文结合激光冲击微胀形技术和软模微胀形技术建立激光柔性冲击微胀形工艺。该工艺基于微胀... 详细信息

随着微型化和集成化趋势的日益突出,具有微特征零件的应用越来越广泛,推动了微成形技术的发展。其中,金属箔板微成形技术成为当前研究的热点。本文结合激光冲击微胀形技术和软模微胀形技术建立激光柔性冲击微胀形工艺。该工艺基于微胀形模具,利用激光冲击软模作为柔性冲头,实现单脉冲激光能量下金属箔板的微胀形成形。本文通过实验研究和数值模拟展开了激光柔性冲击金属箔板微胀形的性能研究,其主要研究内容和成果如下:首先,对304不锈钢箔板进行激光柔性冲击微胀形实验,研究了不同激光能量和工件厚度对微胀形件的表面形貌、深度、厚度减薄率和截面硬度分布的影响。通过SEM对微胀形件的表面形貌进行观测,发现随着工件厚度的增加和激光能量的减小,其形貌从近似球面过渡到球面;底部缺陷随着工件厚度和激光能量的增加从微裂纹发展到微层裂。通过基恩士VHX-1000C超景深三维显微镜对微胀形件的深度和厚度进行测量,结果表明:随着工件厚度的减小和激光能量的增加,深度和厚度减薄率均增加。通过纳米压痕仪对微胀形件截面的硬度进行测试,发现不同胀形区域的硬度均有一定的提高。通过TEM观测胀形区域的微观组织,发现经过激光柔性冲击后的材料内部出现晶粒细化现象。然后,进行了激光柔性冲击铜箔微胀形的尺寸效应实验,研究了晶粒尺寸和模具特征尺寸对材料变形行为的影响。通过基恩士VHX-1000C超景深三维显微镜对微胀形件的胀形深度进行检测,结果表明:胀形深度以及其变形不均匀性随着晶粒尺寸和模具特征尺寸的增加而增加。通过Axio CSM700真彩色共聚焦显微镜对微胀形件的表面质量进行观测,发现微胀形件的表面粗化程度随着晶粒尺寸的增大而增加;随着模具特征尺寸的增加,表面粗化程度先增加后减小。通过测量微胀形件的厚度发现:随着晶粒尺寸的增加,底部厚度越小,且胀形件截面塑性变形不均匀性增加。随着模具特征尺寸增加,截面厚度变化明显,尤其从模具1变化到模具2;而从模具2变化到模具3,其厚度变化相似。最后,利用ANSYS/LS-DYNA和LS-PREPOST软件模拟分析了不同激光能量、不同厚度的304不锈钢箔板的激光柔性冲击微胀形成形,研究了激光柔性冲击加载下金属箔板的微胀形历程和不同参数对材料微塑性变形规律的影响。揭示了激光柔性冲击金属箔板微胀形成形两个阶段:弯曲阶段和胀形阶段。模拟分析了箔板微胀形的深度、厚度减薄率、工件的弹塑性响应速度和等效应力与等效塑性应变分布,其中胀形深度和厚度减薄率的变化趋势与实验结果一致。

关键词：激光柔性冲击金属箔板微胀形尺寸效应数值模拟

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激光冲击软模大面积微弯曲成形方法

光学精密工程 2014年第9期22卷 2292-2298页

作者：王霄张迪顾春兴沈宗宝刘会霞江苏大学机械工程学院江苏镇江212013

为了实现金属箔板大面积微弯曲成形,本文结合激光冲击微弯曲成形技术与软模成形技术的优点,提出了激光冲击软模大面积微弯曲成形方法。该方法是在脉冲激光冲击波压力下,将软模作为柔性冲头作用于金属箔板来实现工件成形的。实验中使用了... 详细信息

为了实现金属箔板大面积微弯曲成形,本文结合激光冲击微弯曲成形技术与软模成形技术的优点,提出了激光冲击软模大面积微弯曲成形方法。该方法是在脉冲激光冲击波压力下,将软模作为柔性冲头作用于金属箔板来实现工件成形的。实验中使用了Innolas Gmbit公司生产的Spitlight 2000THG脉冲激光器,将250μm厚的聚氨酯橡胶薄膜作为软模,采用德国LPKF-ProtoMat-C60型雕刻机在印刷电路板上加工出深度为120μm的U型多槽模具,实现了在厚度为30μm的铜箔板上一次性对3个U型凹槽冲击成形。用KEYENCE VHX-1000C超景深三维显微系统进行工件观测,结果显示工件上的微成形槽具有良好的轮廓质量。以ANSYS/LS-DYNA为平台,使用有限元建模(FEM)方法对微弯曲过程进行了数值模拟。实验和模拟结果均表明,加载软模的工件与模具的U型凹槽特征在形状上更加接近,成形工件更加均匀,而且具有较好的表面质量,其最大平均成形深度可达110μm,大于激光直接冲击成形的最大深度(88μm),说明使用软模提高了充型能力。

关键词：激光冲击金属箔板软模成形微弯曲成形大面积成形

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激光驱动飞片加载软模微弯曲成形方法

光学学报 2014年第B12期34卷 274-280页

作者：张迪王霄顾春兴沈宗宝杜道忠马友娟刘会霞江苏大学机械工程学院江苏镇江212013

为了研究激光驱动飞片加载软模微弯曲成形，提出的激光驱动飞片加载软模微弯曲成形方法是在脉冲激光冲击波压力下，利用软模作为柔性冲头作用于金属箔板使工件成形。实验中使用Innolas Gmbit公司生产的Spitlight 2000 THG脉冲激光器作... 详细信息

为了研究激光驱动飞片加载软模微弯曲成形，提出的激光驱动飞片加载软模微弯曲成形方法是在脉冲激光冲击波压力下，利用软模作为柔性冲头作用于金属箔板使工件成形。实验中使用Innolas Gmbit公司生产的Spitlight 2000 THG脉冲激光器作为激光源，聚氨酯橡胶薄膜作为软模，采用德国LPKF-ProtoMat-C60型雕刻机在印刷电路板上加工出深度为115 μm的U型槽模具特征，在厚度为30 μm的铜箔板上冲击成形U型凹槽。对工艺参数（激光能量、软模厚度）对成形的影响进行了研究，以及对采用飞片和软模组合作用于工件与采用飞片直接作用于工件进行了对比实验。实验结果表明采用飞片和软模作用于工件能够增大工件的最大成形深度，而且能够提高该技术的成形能力和质量。

关键词：激光技术微弯曲成形软模激光驱动飞片金属箔板

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激光诱导空化微孔冲裁试验研究

现代制造工程 2020年第4期 13-17页

作者：黄兴郭钟宁陈铁牛王亮亮谢明广东工业大学机电工程学院广州510006

针对微尺度下金属箔模具冲孔存在模具挤压磨损、对中困难,激光打孔存在烧蚀、吸收层无法补偿等问题,提出通过激光诱导空泡对金属箔进行加载来实现冲裁小孔的方法。研究了不同激光焦点位置(H=0~4 mm)、激光能量(E=10.3~50.8 mJ)和铜箔厚... 详细信息

针对微尺度下金属箔模具冲孔存在模具挤压磨损、对中困难,激光打孔存在烧蚀、吸收层无法补偿等问题,提出通过激光诱导空泡对金属箔进行加载来实现冲裁小孔的方法。研究了不同激光焦点位置(H=0~4 mm)、激光能量(E=10.3~50.8 mJ)和铜箔厚度(T=20~70μm)对铜箔冲孔的影响,发现激光焦点位置影响明显,当铜箔变形平均深度达到147.0μm后,铜箔发生剪切断裂,可实现冲裁,并且制备的小孔边缘正表面无烧蚀、毛边、裂纹和卷边等缺陷。同时,利用高速摄影仪对激光诱导空化微孔冲裁过程进行研究,结果表明激光诱导空化微孔冲裁过程是激光等离子体冲击波、空泡溃灭冲击波和微射流共同加载的过程。

关键词：激光诱导空化微孔金属箔板冲裁

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激光诱导空化微冲裁实验研究

激光诱导空化微冲裁实验研究

作者：黄兴广东工业大学

学位级别：硕士

针对微尺度下金属箔板冲裁件的加工,利用精密模具冲裁方法存在冲头使用寿命有限、模具挤压磨损、模具对中困难,激光打孔技术存在烧蚀、吸收层无法补偿等问题,提出利用激光诱导空化产生的等离子体冲击波、溃灭冲击波和微射流代替刚性冲... 详细信息

针对微尺度下金属箔板冲裁件的加工,利用精密模具冲裁方法存在冲头使用寿命有限、模具挤压磨损、模具对中困难,激光打孔技术存在烧蚀、吸收层无法补偿等问题,提出利用激光诱导空化产生的等离子体冲击波、溃灭冲击波和微射流代替刚性冲头对工件进行加载实现冲裁加工;并且激光诱导空泡具有可控性强、可重复性高以及定位精准的优点,能够实现压力作用位置与凹模刃口的精准对中;同时,每次冲裁后,液体可以自动进行补充,能够实现连续冲裁加工。论文的主要工作如下:首先,利用高速摄影仪对激光诱导空化微冲裁过程进行研究。分析不同激光焦点位置、不同激光能量条件下冲裁过程,研究表明:激光诱导空化微冲裁过程是激光等离子体冲击波、空泡溃灭冲击波和微射流共同加载的过程。铜箔承受的第一次冲裁力来自于等离子体冲击波,第二次冲裁力来自于溃灭冲击波和微射流。其次,利用ANSYS有限元数值分析软件主要进行了两个方面的机理研究。分析了激光诱导产生的空泡在膨胀、破裂及溃灭等不同阶段的脉动特性,并与高速摄影拍摄结果对比,进一步研讨了激光击穿液体产生的冲击波的传播特性。通过建立激光参数与铜箔应力、应变分布仿真模型,探究在空泡压力加载作用下铜箔应力分布、应变分布情况,并且将仿真结果与实验结果进行了比较,检验所建仿真模型的正确性。再次,实验研究了不同激光焦点位置（H=0～4 mm）、激光能量（E=10.3～50.8m J）、激光作用次数（N=1～6次）和铜箔厚度（T=20～70μm）对铜箔冲孔的影响,发现随着激光焦点位置、激光能量发生改变,铜箔会经历激光烧蚀、等离子体烧蚀、等离子体冲击波、溃灭冲击波和微射流等作用过程。激光等离子体冲击波在水中传播时会迅速衰减,但在一定距离范围内,当冲击波衰减后的强度大于材料的断裂强度时,铜箔便可完成冲裁。随后,完成了正交实验,实验得到了各因素对铜箔平均变形深度的影响次序,并得到优化参数。经过观测工件,激光诱导空泡加载冲裁的小孔边缘表面可以有效避免烧蚀,并且无明显毛边、裂纹和卷边等缺陷现象。冲裁断面经过观测,光亮带比例较高,达到百分之六十,冲裁断面质量较好。最后,利用激光诱导空化微冲裁技术在其他金属材料上冲制多样化形状小孔,探索了激光诱导空化微冲裁技术实际应用前景。

关键词：激光诱导空化冲裁微孔金属箔板数值仿真