基于激光冲击波效应的微冲裁研究

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本课题提出一种基于激光冲击波效应的微冲裁技术(LSMB, laser shock micro blanking),使用入射激光作为柔性冲头,成功实现了SUS304不锈钢工件上的精确微孔冲裁。论文的具体工作和结论如下:  (1)对SUS304不锈钢工件进行了LSMB实验,研究了不同的工艺参数(激光能量,压边圈孔径、压边圈厚度、工件厚度)对冲裁质量(包括尺寸误差、断面形貌和冲落件变形深度)的影响。实验结果表明,随着激光能量(压边圈孔径,工件厚度)的增大,工件的尺寸误差和冲落件变形深度会增大,而断面的光亮带比例会减小,断裂带比例和毛刺数量会增多,即整体断面质量下降;而压边圈厚度为1000μm时,工件的尺寸误差和冲落件变形深度最小,断面的光亮带比例最大,断裂带比例最小,整体断面质量最好。  (2)利用ABAQUS软件,采用显式动态分析建立了LSMB的有限元模型,分析了工件在载荷作用下的动态响应过程;通过分析刃口附近工件关键点的速度变化、正应力和切应力的时程曲线,掌握了 LSMB 下工件的动态断裂过程,结果表明:随着冲击载荷的增大,工件中心节点所获速度也逐渐增大,当增大到一定程度后工件才可以发生断裂;随着光斑直径的增大,工件刃口外侧和内侧节点的相对速度逐渐增大,外侧反向变形也逐渐增大,当相对速度合适时,工件可以断裂,当相对速度过大时工件不能断裂;随着冲击载荷(光斑直径,工件厚度)的增大,工件断面质量逐渐变差,原因是随着冲击载荷(光斑直径,工件厚度)的增大,工件在X向所受正应力逐渐增大,在Z向所受剪应力逐渐减小。模拟结果与实验结果吻合良好。  (3)对 SUS304 不锈钢箔材进行了热处理得到不同晶粒尺寸的材料,研究了尺寸效应对冲裁质量的影响。实验结果表明随着材料晶粒尺寸的增大,工件的尺寸误差和冲落件变形深度会增大,而断面的光亮带比例会减小,断裂带比例和毛刺数量会增多,即整体断面质量下降。同时断面分层不均性变得显著。主要原因是晶粒尺寸的增大导致晶粒之间的协调变形能力下降。  本文研究为制备微零件(尤其是微孔类零件)提供了一种新途径并奠定了理论基础。
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