激光诱导空化微冲裁实验研究

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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。
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