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随着微机电系统(MEMS)的不断发展,使得微器件的需求不断增加,与之相关的微金属零部件的微成形加工技术也显得越来越重要。基于传统冲裁技术发展起来的微冲裁技术是一种重要的微成形加工技术,但是由于微冲头的制造、微冲头和微模具之间对准性和配合间隙难以控制等使得问题变得复杂。近些年来,积极探索寻求新的微孔制造成形工艺逐渐成为了研究热点。
本文提出了一种激光驱动飞片微冲裁的工艺方法。首先,本文研究了激光驱动飞片加载工件的关键基础理论,包括激光与物质作用的力效应模型、激光驱动飞片技术原理、飞片与工件碰撞的碰撞机理、高冲击载荷下材料的动态响应以及动态变形中的剪切带等问题。
其次,本文设计了微冲裁实验,分析了离焦量、激光能量、工件厚度和微模具凹腔的斜边倒角对与激光驱动飞片微冲裁结果的影响;结合阵列特征以及非圆形微凹模,实现了金属薄板的批量冲裁和非圆孔冲裁;利用XTZ-FG型体视显微镜、AxioCSM700真彩色共聚焦扫描显微镜和KEYENCE VHX-600-超景深三维显微系统分别对微冲裁后的式样结果进行了观察,发现加工出来的工件不仅具有良好的表面质量、轮廓特征明显,而且冲裁后的工件孔壁具有较好的光洁度。
接着,围绕激光驱动飞片作用机理、飞片加载工件的碰撞机理以及工件材料的动态响应过程建立了激光驱动飞片微冲裁的数值仿真模型,以ANSYS/LS-DYNA软件为平台,利用Finite Element Mesh(FEM)方法对激光驱动飞片的冲裁过程进行数值仿真,考察了飞片和工件上一些节点的位移、速度和温升变化情况;分析与讨论了不同激光能量和工件厚度下的数值模拟结果,给出了工件变形和减薄情况。
最后,利用Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH)方法对激光驱动微冲裁过程再次进行数值仿真,给出了一些特殊位置上粒子的位移、速度以及应力变化曲线;将该方法下的模拟结果与FEM数值模拟结果进行对比分析,总结出两种数值模拟方法的异同点及各自优势和劣势。通过利用FEM和SPH两种不同方法对微冲裁过程的数值模拟,为选择合理方案,减少实验次数、优化工艺参数奠定了基础。
随着对激光驱动飞片微冲裁工艺的进一步深入研究,该工艺将会成为一种新颖、经济和高效的微冲裁工艺。