大数据-算法-激光冲击掩模微成形实验与数值模拟研究.pdf

【激光冲击掩模微成形】是一种新型的微成形工艺，它利用激光脉冲产生的冲击波对微小部件进行成形。在这个过程中，掩模用于调整脉冲光斑的形状，取代传统的硬模（凸模），而软模则替代凹模。这种工艺在无模具的情况下，能够在脉冲激光的作用下实现微零件的成形。 【激光诱导冲击波形成机理】是激光冲击掩模微成形的基础。激光功率密度和诱导冲击波峰值压力的计算方法对于理解成形过程至关重要。激光在高速加载条件下，材料的应变率和塑性变形遵循特定的屈服条件。文章中还分析了Hall-Petch微塑性流动应力模型，为后续实验和模拟提供了理论依据。 【掩模制造】部分，作者利用微细电火花加工技术制作了不同类型的掩模，包括矩形掩模、复杂掩模（如U形马鞍状和十字形）以及矩形阵列掩模。通过对冲击后约束层及成形试样的3D形貌观测，研究了工艺参数（如脉冲能量、冲击次数）对成形效果的影响。 【实验结果】显示，使用PMMA作为约束层能获得良好的透光性和抗冲击性能。矩形掩模实验中，成形部分由直接成形区域和间接成形区域组成，成形深度与激光能量和冲击次数有关。在低能量下，增加冲击次数可增加成形深度，但在高能量下，成形深度基本保持不变。此外，晶粒尺寸对成形效果有显著影响，粗晶件的成形深度和表面粗糙度均大于细晶件。 【数值模拟】方面，使用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对激光冲击掩模微成形进行了模拟，揭示了高应变率下成形过程的三个阶段：共同成形阶段、工件与软模分离阶段和工件与软模重合阶段。模拟还研究了不同能量对位移场的影响，以及不同硬度下工件的位移场分布和压力传播情况。 【总结】，激光冲击掩模微成形工艺为无模条件下制造高性能复杂零件提供了新的方法，并通过实验和数值模拟提供了理论指导。这种工艺能够得到轮廓清晰、形状准确的微零件，且成形效果均匀，没有局部颈缩破裂现象，提高了材料的纳米硬度和弹性模量。