T2紫铜激光冲击微挤压成形的数值模拟与实验研究

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随着微机电系统和微系统技术的迅猛发展,对微型零件及微成形技术提出了更高的要求。微挤压成形工艺作为微成形技术的一个重要分支,在电子工业、通信技术、生物医疗及航空航天等诸多领域有着广泛的应用。本文在激光冲击微成形的基础上,利用微型凹模的约束作用,实现了利用激光支持爆轰波诱导冲击压力作用于板料表面,使其实现微挤压成形。根据所提的方法和理论,本文对T2紫铜的激光冲击微挤压成形进行了系统的研究,详细分析了激光参数、材料属性、凹模孔径等因素对其成形性能的影响,并分析了各种失效形式。本文主要研究工作及成果如下:   (1)介绍了微成形技术研究进展和尺寸效应对微成形的影响,论述了激光冲击微成形机理、爆轰波的传播及演化过程,建立了峰值压力的计算模型,讨论了激光冲击微挤压成形的影响因素。设计了T2紫铜的拉伸实验,实验结果表明随着试样尺寸的减小,流动应力随之降低,与流动应力尺寸效应相符。   (2)运用ABAQUS软件对T2紫铜的激光冲击微挤压成形进行了数值分析,研究峰值压力、板料厚度、凹模孔径三个因素对成形性能的影响。分析结果表明:成形深度随着峰值压力和凹模孔径的增大而增大,但不是线性关系;成形深度随着板料厚度的增大而减小,因为尺寸越大,流动应力越大。等效应力随着峰值压力和凹模孔径的增大而增大,随着板料厚度的增大而减小。中心区域的等效应力一般较小,这是由于应力空洞现象所造成的;凹模口处的等效应力最大,故此处是裂纹及破裂的易产生区。   (3)根据数值分析结果设计了T2紫铜的激光冲击微挤压成形实验,主要采用了激光能量、板料厚度、晶粒尺寸和凹模孔径四个影响因素。运用Veeco形貌测量仪检测了成形深度,运用X-350A型残余应力测定仪检测了成形背面的残余应力。检测结果表明:成形深度随着激光能量、晶粒尺寸和凹模孔径的增大而增大,随着板料厚度的增大而减小。对于晶粒尺寸的影响,可用Hall-Petch公式和表面层模型进行解释。试样背面中心区域的残余应力主要表现为拉应力,其大小与成形深度相关。   (4)将模拟结果与实验结果进行了对比分析,模拟结果一般比实验结果偏大,因为模拟时考虑的都是理想的状态。但是二者的趋势基本相同,因而验证了激光冲击微挤压成形方法的合理性和实用性。   (5)分析总结了实验过程当中的三种主要失效形式,并可据此对实验进行进一步的改善。
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