（机械制造及其自动化专业论文）激光驱动飞片微冲裁工艺研究.pdf

，于菇，轧q蕾善麓iq；，_、 j t、， 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许 论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论 文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本 论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布 ( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 | 本学位论文属于不保密团。 学位论文作者签名：王准马辱 年月 日 指导教师签名：刀1 年月 分垂 日 激光驱动飞片微冲裁工艺研究 r e s e a r c ho nm i c r o - - p u n c h i n gb yl a s e r - d r i v e nf l y e r 姓 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着微机电系统( m e m s ) 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x t z f g 型体视显微镜、a x i o c s m 7 0 0 真彩色共聚焦扫描显微镜和 k e y e n c ev h x 6 0 0 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i 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a n s y s f l _ _ s d y n a 软件为平台，利用f i n i t ee l e m e n tm e s h ( f e m ) 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 激光驱动飞片微冲裁工艺研究 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s m o o t h e dp a r t i c l eh y d r o d y n a m i c s ( s p h ) 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f e m 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f e m 和s p h 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。 关键字：微成形；微冲裁；激光驱动飞片；数值模拟；f e m ；s p h 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hi n c e s s a n td e v e l o p m e n to fm e m st e c h n o l o g y , m i c r o p r o d u c t i o n b e c o m e sat r e n do f m a n u f a c t u r i n g t h ei n c r e a s i n gd e m a n dm a k e st h e a s s o c i a t e dw i t hf a b r i c a t i o no fm i c r op a r tb e c a m e m o r ei m p o r t a n t t h e m i c r o p u n c h i n gb a s e do nt h et r a d i t i o n a lp u n c h i n gt e c h n o l o g yi s a l s oa n i m p o r t a n t m i c r o f o r m i n gt e c h n o l o g y b u t t h ec o n v e n t i o n a l p u n c h i n g t e c h n o l o g yi s l i m i t e dd u et ot h ed i f f i c u l t i e so ft o o lf a b r i c a t i o na n dt h e d i f f i c u l t i e so fp u n c h t o - - d i e a l i g n m e n tw h i c hm a k et h ep r o b l e mm o r e c o m p l i c a t e d i nr e c e n ty e a r s ，t os e a r c hf o rn e wm i c r op u n c h i n gp r o c e s s m e t h o d a c t i v e l yh a sg r a d u a l l yb e c o m e t h er e s e a r c hf o c u s i nt h i sp a p e r , an e wm i c r op u n c h i n gm e t h o db a s e do nt h el a s e r - d r i v e n f l y e ri ss t u d i e d f i r s t ，t h ec r i t i c a lb a s i ct h e o r yo fl a s e r - d r i v e nf l y e rl o a d i n g t h e w o r k p i e c ew a ss t u d i e d ，i n c l u d i n gt h er o l eo ft h el a s e ri r r a d i a t i o no nm a t e r i a l ， t h et e c h n i c a lp r i n c i p l eo fl a s e r d r i v e nf l y e r , t h ec o l l i s i o nm e c h a n i s mb e t w e e n t h ef l y e ra n dt h ew o r k p i e c e ，t h em a t e r i a ld y n a m i c r e s p o n s eu n d e rh i g h i m p a c t l o a d sa n dt h ep r o b l e mo ft h es h e a rz o n ea n ds oo n s e c o n d ，l a s e r - d r i v e nf l y e rm i c r op u n c h i n ge x p e r i m e n tw a sd e s i g n e da n d a c c o m p l i s h e d t h ee f f e c to fd e f o c u s i n g ，l a s e re n e r g y , w o r k p i e c et h i c k n e s s a n dt h eb e v e lc h a m f e ro fm i c r o m o l dc a v i t yo nt h ep u n c h i n gr e s u l t sw a s i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y b e s i d e ，t oa c h i e v et h eb a t c hp u n c h i n ga n d n o n c i r c u l a r p u n c h i n g o n w o r k p i e c eu s i n gt h em o l d sw i t ha r r a ya n d n o n - c i r c u l a rf e a t u r e s t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sw e r eo b s e r v e d b y s t e r e o m i c r o s c o p e ( x t z f g ) ，s c a n n i n gm i c r o s c o p e ( a x i o c s m 7 0 0 ) a n d d i g i t a lm i c r o s c o p e ( k e y e n c ev h x 一6 0 0 ) i tc a nb ef o u n dt h a tt h ew o r kp i e c e h a sah i g hs p a t i a lr e s o l u t i o na tt h em i c r o n l e v e la n dt h eg o o ds u r f a c eq u a l i t y i sa c c o m p l i s h e d t h e n ，a na n a l y s i sp r o c e d u r ei n c l u d i n gd y n a m i ca n a l y s i sp e r f o r m e db y a n s y s l s - d y n au s i n gt h em e t h o do ff i n i t ee l e m e n tm e s h ( f e m ) i s i i i 激光驱动飞片微冲裁工艺研究 p r e s e n t e di nd e t a i lt oa t t a i nt h es i m u l a t i o np r o c e s so fl a s e r - d r i v e nf l y e rm i c r o p u n c h in gt op r e d i c tt h ep u n c h i n g r e s u l t t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v es h o w nt h e d i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r eh i s t o r i e so fs o m en o d e sf r o mt h e f l y e ra n dw o r k p i e c e i na d d i t i o n ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t su n d e r d i f f e r e n tl a s e r e n e r g y a n dw o r k p i e c et h i c k n e s sw e r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d ，a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa b o u tw o r k p i e c ed e f o r m a t i o nw e r eg i v e n f i n a l l y , t h el a s e r - d r i v e nf l y e rm i c r op u n c h i n gp r o c e s sw a ss i m u l a t e d a g a i nu s i n gt h em e t h o do fs m o o t h e dp a r t i c l eh y d r o d y n a m i c s ( s p ii ) ，l i s t i n g s o m ed i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n ds t r e s sc u r v e so ft h es e l e c t e dp a r t i c l e s m o r e o v e r , c o m p a r i n g t h es i m u l a t e dr e s u l t so ff e ma n ds p h ，a n d s u m m a r i z i n gt h e i rr e s p e c t i v ed i f f e r e n c e s ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，t h e n o v e lp r o c e s so fp u n c h i n gw a sn u m e r i c a l l ys t u d i e db yf i n i t ee l e m e n tm e s h a n ds m o o t h e dp a r t i c l eh y d r o d y n a m i c s ( s p h ) l a y st h e f o u n d a t i o nf o r o p t i m i z in gt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa n dr e d u c i n gt h en u m b e r o fe x p e r i m e n t s w i t hf u r t h e rd e v e l o p m e n t ，t h el a s e r - d r i v e nf l y e rp u n c h i n gt e c h n o l o g y m a y b e c o m ea ni m p o r t a n tm i c r o p u n c h i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi sc h a r a c t e r i z e d b yn o n - c o n t a c t ，w e l l - c o n t r o l l e d ，l o wc o s t ，a n dh i g he f f i c i e n c y k e yw o r d s ：m i r c of o r m i n g ；m i c r op u n c h i n g ；l a s e r d r i v e nf l y e r ；n u m e r i c a l i v s i m u l a t i o n ；f e m ；s p h 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论 1 1 弓l 言1 1 2 微冲裁的研究概况2 1 3 激光冲击成形技术概述4 1 3 1 激光冲击成形技术4 1 3 2 激光冲击成形国内外研究现状5 1 4 激光驱动飞片微冲裁工艺方法8 1 4 1 激光驱动飞片技术机理8 1 4 2 激光驱动飞片技术国内外研究概况9 1 4 3 激光驱动飞片微冲裁机理。1 1 1 s 本课题研究的主要内容和研究意义1 2 1 5 1 主要内容1 2 1 5 2 研究意义。1 2 第二章激光驱动飞片加载下靶材动态行为的理论研究 2 1 激光驱动飞片的力学原理1 3 2 2 激光与物质相互作用及等离子体冲击波形成机理1 4 2 2 1 激光与物质作用及功率密度计算1 4 2 2 2 等离子冲击波的形成。1 5 2 3 激光驱动飞片加载工件速度模型1 6 2 3 1 激光功率密度计算1 6 2 3 2 激光冲击波压力计算。1 6 2 3 3 激光驱动飞片速度计算1 7 2 4 激光驱动飞片加载下工件的冲击动力学特性。1 9 2 4 1 飞片与工件碰撞机理1 9 2 4 2 冲击波的流体动力学处理方法。2 0 2 4 3 飞片与工件界面间的碰撞压力。2 1 2 4 4 工件内部应力波的波形2 2 2 5 激光驱动飞片加载工件过程中的动态断裂2 4 v 激光驱动飞片微冲裁工艺研究 2 5 1 动态断裂的基本模式2 4 2 5 2 工件动态变形中的剪切带2 5 2 5 3 应力波作用下的层裂一2 6 2 6 本章小结2 7 第三章激光驱动飞片微冲裁工艺研究 2 8 3 1 试验系统概述2 8 3 1 1 激光器参数介绍2 8 3 1 2 实验光路图。2 9 3 1 3 成形检测装置2 9 3 2 基于小圆孔特征模具的微冲裁实验3 1 3 2 1 模具与上压块的加工一3 1 3 2 2 实验材料及准备3 2 3 2 3 离焦量的选择3 2 3 2 4 所需激光能量理论计算3 2 3 2 4 激光能量对冲裁效果的影响3 3 3 2 5 工件厚度对冲裁效果的影响3 6 3 3 基于阵列圆孔特征模具的微冲裁实验3 8 3 3 1 模具的加工3 8 3 3 2 实验材料与准备一3 9 3 3 2 离焦量的选择3 9 3 3 3 成形工件4 0 3 4 基于具有斜边倒角阵列特征模具的微冲裁实验4 0 3 4 1 模具的加工。4 0 3 4 2 实验材料及准备4 2 3 4 3 离焦量的选择4 2 3 4 4 实验结果。4 2 3 5 本章小结4 4 第四章基于f e m 方法的激光驱动飞片微冲裁数值模拟研究 4 5 4 1 分析方法一4 5 r 。_ _ _ 。_ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ 。 江苏大学硕士学位论文 【。1 。1 。1 。1 。 4 2 材料本构模型4 6 4 3 材料失效模型4 8 4 4 冲击压力模型4 9 4 5 有限元模型5 0 4 6f e m 方法下冲裁数值模拟结果与分析5 0 4 6 1 微冲裁过程数值模拟分析5 0 4 6 2 激光能量对微冲裁结果的影响5 4 4 6 3 工件厚度对微冲裁结果的影响5 5 4 6 4 工件的减薄5 6 4 7 本章小结5 7 第五章基于s p h 方法的激光驱动飞片微冲裁数值模拟研究5 9 5 1 s p h 简介5 9 5 1 1s p h 方法的背景与特点5 9 5 1 2s p h 基本思想6 0 5 1 3s p h 基本方程6 1 5 1 4 常用光滑函数6 4 5 2s p h 模型6 5 5 3s p h 方法下冲裁数值模拟结果与分析6 6 5 3 1 微冲裁过程分析6 6 5 3 2 基于具有圆角特征模具的微冲裁数值模拟一7 3 5 4f e m 与s p h 对比分析7 4 5 5 本章小结7 6 第六章总结与展望7 8 6 1 研究工作总结7 8 6 2 展望7 9 参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文及专利。 致谢 。8 0 错误! 未定义书签。 错误! 未定义书签。 v n 江苏大学硕士学位论丈 1 1 引言 第一章绪论 随着电子产品、生物、医疗器械以及微机电系统( m e m s ) 的快速发展，使得 具有轻、薄、短、小、多功能特点的微型产品需求量不断增加，与之相关的微型金 属零部件的加工也显得越来越重要，从而带动了金属做成形技术的发展【1 一。图1 1 是 利用微成形技术制造的一些器件。近年来，基于传统的成形工艺( 冲裁、弯曲、拉 伸、超塑挤压、压印。注射等) 的微加工技术成为研究热点【3 ，但是由于尺度效应 的影响往往使得加工制造问题变得复杂。为了满足不同种类的微金属零件的加工需 求：一方面需要在传统加工工艺的基础上不断地改进；另一方面，需要积极得寻求 新的微成形工艺【8 d 1 1 。 图1 1 微塑成形技术制造的零件 f i g 1 1t h ep a r t sm a d eb ym i c r o - p l a s t i cf o r m i n g 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技术，作为金属 零件上微小孔制造的主要工艺，一直是人们研究的热点【1 2 。1 5 1 。目前，微冲裁技术在 电子产品工业和i c 产业领域中有着广泛的应用。但是在传统的微冲裁系统中，微冲 头的制造，以及微冲头和微模具之间的对中性等问题一直是技术难点【1 6 , 1 7 。随着加 工孔径尺寸的减小，微冲头的尺寸也就越小，其刚度也就越低。此外，当加工的金 属零件的厚度小于0 1 m m 时，微冲头和微模具之间的配合间隙需要小于o 0 0 5 m m 1 8 1 。 随着微冲头与微模具配合间隙的减小以及冲压次数的增加，随之带来的问题就是冲 头和模具的使用寿命将会大大降低【1 9 捌。由于这些难题的存在，人们开始尝试探索 新的微孔制造工艺，以克服传统微冲裁工艺系统中出现难题。 激光驱动飞片微冲裁工艺研究 1 2 微冲裁的研究概况 ，4 目前，在电子产品工业和i c 产业领域中，微型化趋势日益明显，微冲裁技术的应 用越加广泛。微冲裁是在零件上制造微小孔的主要工艺，对于微冲裁工艺来说，有 两方面问题需要解决：制造冲头和模具；调整冲头和模具使用时的间隙均匀【2 1 】。 微冲裁成形件尺寸的微小化对成形设备和模具提出了新的要求，各国学者对这 个问题进行了大量的研究。 早些年前，f u j i n o 剀等人开发了一种基于线电极磨削机理的微冲裁系统，这种系 统可以用在厚度为5 0 岬的青铜或聚酰亚胺塑料薄膜上制造出直径为5 0 岫的阵列微 孔。该系统中的微冲头以及微模具的加工制作都是基于线电极磨削机理，而且二者 之间的偏心问题出得到了很好的解决。r e n n 和c h e r n l 2 3 】利用以比例电磁铁作为动力 装置的冲裁机器成功的在厚度为1 0 0 m 的s u s 3 0 4 不锈钢薄膜上制作出直径分别为 1 0 0 1 l t m 和2 0 0 1 x m 的阵列微孔。g w o l i a n qc h e r n 等人 2 4 1 对原有的微电火花冲裁设备进 行j ，改进，引入了振动电火花技术，该技术避免了电火花微冲裁设备在冲裁过程中 出现的电器短路等现象，提高了设备的利用率。g w o l i a n qc h e r n 等人利用改进后的 设备连续在黄铜薄膜上制造了长方形、三角形以及六边形等非圆形微孔。 日本学者s k u r i m o t o 研制了一套微冲孔压力机，该压力机由计算机控制的压电 材料驱动机构驱动，利用压力传感器和位移传感器测量载荷行程曲线，可以在薄板 上超精密微冲孔【2 5 1 。在冲裁成形中，要保证凸凹模的同轴以及凸凹模之间的间隙均匀 是非常困难的。日本的j o o 2 6 】等对微冲压系统进行了研究，采用高精度的导向装置来 保证凸模的运动精度，由一套带有c c d 摄像头的观测装置来调整和保证凸凹模的同 轴和间隙均匀。利用这套高精度的微冲压设备，在板厚为1 0 0 1 x m 的黄铜板上成功地加 工出直径为 m m 的孔。 b y u n g - y u nj o o 等人【刎设计了一种新型冲床系统，利用钨硬质合金刀具作为微冲 头。该系统具有较高的自由度，且与传统的冲压模座不同，该系统中的模具可在x y 平面内移动。通过系统控制器驱动步进电机并带动模具，使得模具和微冲头之间具 有精准的对中性。b y u n g - y u nj o o 等人利用该冲床系统分别在厚度为1 0 0 t x m 、5 0 l t m 以 及2 5 1 x m 的黄铜和不锈钢薄膜上冲裁出直径为1 0 0 1 l t m 、5 0 1 t m 弄t 2 5 1 t i n 等一系列的圆孔。 为了提高冲裁器件的成形质量以满足微冲裁成形的需求，提高微冲头性能、改 良冲裁机器相关设备等都是很好的途径。但是考虑到经济和效率等多方面因素，积 极寻找新的成形工艺方法显得十分有必要。一些学者在冲裁过程中尝试利用不同的 工艺方法和工具去代替金属类冲头，不仅克服了冲头制造和对中性等难题，而且还 2 江苏大学硕士学位论文 取得了很好的实验效果。 m a k o t om u r a t a 等人【1 8 l 利用超高压气代替冲头，在厚度为5 0 p m 和1 0 0 i _ t m 的铝膜和 铜膜上冲裁出直径从1 0 m m n 5 m m 的系列小孔。实验过程的气体压力可以控制，实验 得到的网孔具有较好的质量，因为实验中不需要制造冲头所以提高了冲裁效率，整 个实验过程不需要润滑剂保持了实验的清洁性。 k u r o s a k i 冽利用硅聚合物作为压力介质，结合金属模具成功的在厚度为5 。1 0 0 1 x m 的铜膜上制造出一系列直径为5 0 1 0 0 i - t m 的圆孔。t a k a h a s h i l 2 9 1 等人利用橡胶冲头和碳 化钨模具，在厚度为2 5 p m 的非晶体合金薄膜上冲裁出毫米级的复杂形状。w a t a r i 3 0 1 等人使用钢模具以及利用聚氨酯板材作为压力介质，完成了对厚度分别为5 0 i _ t m 和 1 0 0 i t m 的s u s 3 0 4 不锈钢薄膜的单一圆孔冲裁，冲裁后的圆孔直径为l 。5 m m 。s h r h i m t 3 1 】等人使用聚合物冲头和硅芯片模具，成功的在金属薄膜上冲裁出直径为 2 1 0 1 x m 的大面积阵列圆孔。 日本的s k u r i m o t o 哺3 在自行开发的微型冲压机上，利用直径为1 4 9 m 的s i c 纤维作 为冲头，因为s i c 纤维在极小的尺寸下没有缺陷，圆度非常好，其强度可以与金属相 媲美。实验中对厚度为1 0 0 i - t m 的铝、铍铜合金以及不锈钢板材进行了多次叠加冲孔实 验。实验结果表明，使用该方法对铝和铍铜合金薄板冲孔约1 0 0 0 次，对不锈钢薄板冲 孔几百次时，成形后的微孔依然具有较高的成形质量。 近些年来迅速发展的激光冲击技术为解决在金属零件微小孔制造中遇到的一些 难题提供了一条新途径，国内一些学者【3 2 】研究金属板料在激光冲击下的成形性能时， 通过借助微凹模具，发现由于凹模孔对于板料产生了强烈的剪切作用，当激光能量 达到一定程度时，板料沿凹模孔口被剪断，实现了对其微冲孔的目的。图1 2 为激光 微冲裁工件。 图1 2 激光微冲裁工件 f i g 1 2t h ep u n c h i n gw o r k p i e c eb yl a s e rs h o c k 3 激光驱动飞片微冲裁工艺研究 激光冲击成形技术是近午来才提出的一种新型的板料成形工艺口割，主要利用激 、。 光与物质作用力效应成形，该成形工艺在金属微成形方面有较大的应用价值。 1 3 激光冲击成形技术概述 1 3 1 激光冲击成形技术 激光冲击成形技术是基于激光的力效应，其机理是利用高功率密度( 1 0 9 w c m 2 级) 短脉冲( 1 0 - 9 s 级) 激光辐射照射到金属材料，使得金属材料表面涂层迅速汽化， 形成高温、高压等离子体层，该等离子体层迅速向外喷射，由于约束层的存在，等离 子体的膨胀受到约束限制，导致等离子体压力迅速升高，结果施与靶面一个冲击加 载，产生向金属内部传播的强冲击波。此高压冲击波向材料内部传播，若其峰值压 力超过材料的h u g o n i o t 弹性极限强度，将在材料表面及其内部发生塑性形变，从而得 到所需零件的形状，同时在成形区域产生的残余压缩应力，改善了成形件的疲劳和 腐蚀性能。与激光热应力成形所不同的是，前者是利用激光产生的热量在板料内形 成温度梯度使金属板料产生塑性变形，是利用激光的热效应；而激光冲击成形由于 激光冲击的时间极短，工件几乎没有受到热影响，其表面的温度仅在1 5 0 0 c 左右，其 热效应可以忽略不计。所以是利用了其高压力效应而不是热效应。故可以将激光冲 击成形归为冷加工工艺。图1 3 为激光冲击机理图。 t i t 光 1 1 11 3 激光冲击机理图 f i g 1 3t h em e c h a n i s m o fl a s e rs h o c k 激光冲击成形大多数时候不采用模具，虽然具有较好的柔性，但是由于激光产生 的冲击波以很快的速度在工件中传递，并且带来材料的速度、应力和密度的瞬间变 化，最终得到的形状却很难控制【3 4 1 。这时候可以利用微凹模即在工件下方放置一个 4 江苏大学硕士学住论文 微模具，激光冲击成形后就能得到与凹模相似的形状，属于靠模成形，同样这种方 法可以用于激光冲击弯曲成形，只需要设计不同的弯曲模具，其原理如图1 4 所示。 图1 4 靠模法激光直接冲击弯曲成形 f i g 1 4t h e l a s e rd i n x ! ts h o c kb e n d i n g f o r m i n gu s i n gt h em o l d 1 3 2 激光冲击成形国内外研究现状 2 0 世纪6 0 年代初期，a s k a r y o n 与m o r e z l 3 5 】首次发现了激光诱导产生等离子体冲 击波现象，他们利用调q 激光照射到金属靶材表面，得到了大约0 1 g p a 的冲击压力。 后来，a n d e r h o l m 和o k e e f e 3 6 , 3 7 均发现在靶材表面涂上一层吸收物质可以极大的提 高冲击压力幅值。再后来，c l a u e r 等人【4 蝴】采用金属靶面上加黑色涂层和透明约束 层的结构，冲击波的幅值又进一步提高到g p a 量级，从而形成现在常用的带约束层 和吸收层的激光冲击处理方法【3 8 , 3 9 】。在这之后，很多学者对激光冲击处理技术的应 用进行了研究。 2 0 0 2 年美国l i v e r m o r e 国家实验室h a c k e l 4 5 1 提出激光冲击成形的新概念，是利用 脉冲激光照射板材时所产生的等离子体爆轰波致使板材发生塑性变形的新技术。 2 0 0 3 年美国的t h o r dt h o r s l u n d ，f r a n z - j o s e fk a h l e n ，a r a n v i n d a 陆【蛔等人发表 了题为t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n ds t r e s sd u r i n gl a s e rs h o c kp r o c e s s i n g 的文章，文中对 激光冲击过程中的温度、冲击波压力以及残余应力进行了研究，并介绍了计算温度、 压力和应力的数学模型，并指出当冲击波的压力超过板料的动态屈服强度时，板料 会发生塑性变形。r f a b b r o 等人【钥根据约束层对激光诱导冲击波压力的影响，进行 了系统的研究，并根据能量守恒原理，推导出冲击波的峰值压力计算公式。 随着研究的深入和激光冲击技术应用范围的扩大，哥伦比亚大学y a o y l 科研 团队f 徭5 2 】将激光冲击技术引入到m e m s 领域，采用微米尺度的激光光斑对铝、铜等 金属进行了激光冲击强化，冲击区的残余应力和显微硬度都得到较大提高。随后美 国格伦比亚大学机械工程系的y o u n e n gw a n g ，l a w r e n c ey a o 等人【5 3 , s 4 1 在美国国家科 5 激光驱动飞片微冲裁工艺研究 学基金、通用电气和i 籼的联合资助下完成了超薄板材( 1 0 0 斗m ，2 0 0 i l m ) 的微弯曲， 从而确立了脉冲激光微冲击成形的新概念。 2 0 0 5 年美国哥伦比亚大学的y f a n 等【5 5 】对激光冲击成形过程中冲击波的发生、 传播过程建立模型并运用有限元软件进行数值模拟，模拟过程分为两步：首先用显式 分析激光冲击波的产生、传播，再用隐式分析计算材料在冲击波作用后的释放变形， 并做了一系列的实验来验证模型的正确性。用x 射线同步衍射仪测量残余应力，用 轮廓仪测量变形量，发现实验与模拟结果很一致。分析和模拟结果发现冲击波速率 在蝗性变形阶段受等效塑性应变影响，而激光冲击成形过程中冲击波的衰减取决于 载倚状态。模拟结果可用来进行进一步的分析以获得对激光产生的冲击波的相互作 用，包括冲击波的衰减和冲击波速率改变，以更好的指导激光冲击成形技术的应用。 2 0 0 5 至2 0 0 9 年德国学者v o l l c r t s c n 和n i e h o f f 5 6 。5 8 】借助于微凹模对铝、铜、不锈 钢板材进行激光冲击实验完成了微拉深，其实验流程和成形样件分别为图1 5 和图 1 6 。实验表明，由于铜具有较好的延展性，其获得了较好的成形效果。铜在激光成 形中的应用使得这种工艺对电子工业更具有吸引力。 6 銮戛噩爱至豆量囊至至 ：。，。4：。，。，o二。一。-。od：。，。，。，：。m- 图1 5 靠模法激光冲击成形的过程闭 h g 1 5t h ep r o c e s so fl a s e rs h o c kf o r m i n gu s i n gt h em o l d 一一 i 赫虢t 锄 w 射。妇n 啦h ： 1 0 6 0 0r t m p i l b o 科怕嵋y ： 3 j s a m t ot h i d o l o ：5 0o m b l a n k k 0 4 d e r f o 随4 n m a t o r i a l ：5 e - c a tm a t e r i a l ：i j u m u m p u l s e s ： 1 2 0 0番p 嘶8 ：8 3 c 峰h 蚶l t ： 1 0 4 mc u ph g h t ： 5 7 嗍 图1 6 靠模法激光冲击成形样件【蜘 f i g 1 6t h ef o r m i n gs a m p l em a d eb yl a s e rs h o c kf o r m i n gu s i n gt h em o l d 2 0 1 0 年美国普渡大学的h u a n gg a o 和g a r yj c h e n g l 5 9 】对激光冲击成形样件成形 一嚣刍峥竺下酋 下竺一 工口 江苏大学硕士学位论丈 区域的厚度变化情况进行了研究，并通过纳米压痕实验表明金属薄膜的强度得到了 加强。同一年，美国普渡大学的j iu 和g a r yj c h e n 9 1 6 0 1 将单脉冲激光动态成形扩展 到多脉冲激光动态成形，总的激光能量均匀的分配在不同的激光脉冲中，使得成形 速度低于材料成形速度的阀值，这样可有效减少薄膜的脱离现象，加强了激光动态 成形的成形能力。 国内的激光冲击成形技术研究主要集中在南京航空航天大学、江苏大学、中国 科技大学、华中科技大学、上海交通大学和山东大学【6 “5 1 ，采用不同激光、不同牺 牲层、针对不同板料的l s f 进行了实验和模拟研究，在热力耦合冲击改性、工艺优 化、工件应力应变分布规律、冲击后的性能检测和表征、数值建模、理论分析等方 面做了有益工作，板料l s f 已经拓展到弯曲、拉伸、压印等工艺，成形实验材料有 铝合金、钛合金、a l - m g s c 合金、奥氏体不锈钢、4 5 刚和4 9 c r 等。但是上述工作 主要还停留在宏观尺度上实现板料冲击成形的研究阶段【6 5 1 。 南京航空航天大学的研究者阁对t a 2 、t c 4 钛合金板进行了初步的宏观的激光冲 击成形实验。 江苏大学张永康，周建忠，周明等人【6 1 , 6 7 - 7 3 已经对4 5 钢、3 0 4 不锈钢、4 0 c r 、 l d 3 1 铝合金等材料进行了初步的激光冲击实验，但其研究主要集中在大尺度与宏观 领域，该课题组也对非光滑表面，圆孔特征等表面的激光冲击强化进行了研究 7 4 - 7 7 。 此外，江苏大学的研究者还将激光冲击技术应用到压印成形技术中【7 8 】。 中国科技大学高强度激光研究所的x i nh o n g 等人【硎通过对激光冲击过程中约束 层和吸收层作用的实验