激光冲击软模微弯曲成形数值模拟与实验研究

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基于传统弯曲成形技术发展起来的微弯曲成形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难以控制,以及由于尺度效应的影响等使得问题变得复杂。近些年来,积极探索寻求新的微弯曲成形工艺逐渐成为了研究热点。   本文提出了一种新颖的激光冲击软模微弯曲成形工艺方法。首先,研究了激光冲击软模微弯曲成形技术的关键基础理论,包括其技术原理、激光与物质作用的力效应模型、冲击波在不同阻抗介质之间传播的特性、高冲击载荷下材料的动态响应等问题。   其次,根据冲击载荷的作用机理以及材料动态响应过程,采用ANSYS/LS-DYNA软件对基于单槽模具的激光冲击软模微弯曲成形过程进行了模拟仿真,其中软模为聚氨酯橡胶材料,工件为铜箔。采用Johnson-cook模型及Mooney-Rivlin模型模拟了软模的硬度和厚度、激光能量、工件厚度、模具深径比对微弯曲的影响。分析结果显示,工件成形深度随着软模硬度或厚度的减小而增加,随着工件厚度的降低而增加,随着激光能量的增大而增加,随着模具深径比的减小而增加。并且对激光冲击软模微弯曲成形和激光直接冲击弯曲成形进行了对比模拟分析,结果显示,采用软模比激光直接冲击获得的工件成形深度深很多、轮廓形状更均匀、与模具形状更接近,说明了冲击波由软模传播到铜箔时获得了增压效果,而且验证了软模有很好的充型和均压功能。本文还对基于多槽模具的激光冲击软模微弯曲成形和激光直接冲击弯曲成形进行了对比模拟仿真,结果显示采用软模获得的成形工件上的多槽特征比较均匀,说明软模具有很好的均压作用。   接着,根据数值模拟分析获得的合理参数设计了基于单槽模具的激光冲击软模微弯曲成形实验,利用Spitlight2000 THG脉冲激光器研究了软模厚度和激光能量对弯曲成形的影响,同时还分别进行了基于单槽和多槽模具的激光冲击软模微弯曲成形与激光直接冲击弯曲成形对比实验。利用AxioCSM700真彩色共聚焦扫描显微镜和KEYENCE VHX-1000-超景深三维显微系统对成形后的工件进行了观察,发现软模微弯曲成形工件更加均匀,质量更加优异,并且与模具形状更加接近,说明聚氨酯橡胶在成形过程中起到了很好的均压、减小激光空间分布与提高充型能力的作用。结果显示,实验获得了与模拟分析比较吻合的结果和结论,说明数值模拟分析能清楚地揭示成形过程,并能很好的预测实际实验结果。   最后,还进行了激光驱动飞片加载软模微弯曲成形实验,验证了该工艺方法的可行性,也验证了采用飞片和软模组合获得了更好的均压效果,工件成形质量更加优异,改善了激光驱动飞片加载金属箔板微弯曲成形技术。   随着对激光冲击软模微弯曲成形和激光驱动飞片加载软模微弯曲成形技术的进一步深入研究,这两种工艺将会成为新颖、经济和高效的微弯曲成形工艺。
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