轴承上盖零件的滑柱式钻床夹具设计含2张CAD图
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激光能量对变形行为的影响在微尺度激光膨胀形成曹国伟 盛阳 钟霁 王魏液-固相的构造演化和加工材料重点实验室(MOE),山东大学材料科学与工程学院17923年17923年京师路,济南,中国文章历史:2010年6月11日收到修订后的形式收到2010年8月18日接受摘要关键词:微尺度激光隆起形成;激光冲击波;塑性变形;残余应力分布;吸收剂涂层表面形态微尺度激光隆起形成高应变率缩微过程方法使用高强度冲击脉冲激光辐照引起的波压力。这一过程可以作为快速建立和高精密技术打动微地形特征对薄板金属和制造业的前景复杂的小型设备。本文调查了使用数值的形成过程和实验方法。纯铜的激光能量对变形行为的影响进行了在细节上的讨论。采用3 d测量激光显微镜测量在不同变形区域激光能量水平。变形测量表明,实验和数值结果是一致的。验证仿真模型,在不同的残余应力分布激光能量是可以预测和分析的。弹力被发现是一个关键因素来确定的分布和压缩残余应力的大小。此外,吸收剂涂层和表面形态形成的样本通过扫描电子显微镜观察。冲击成形过程的观察证实,非热能保护吸收剂性涂料。1介绍自1960年代第一次实验研究使用大功率的激光脉冲产生的冲击波压力稳定目标,激光冲击技术已被广泛研究。激光冲击波压力的应用板料成形来源于修改曲率的能力金属目标的激光脉冲的影响。在此同时,周等人报道了超高的调查应变速率受激光冲击成形技术,并显示该技术有潜力成为一个灵活的制造过程方法具有优良的性能和制造时间短的特点。最近,迅速增加了小型化的要求设备显示了日益增长的需求开发新技术,不同于传统的生产更多复杂的微型产品。到目前为止已经有许多报道使用激光缩微过程的冲击技术,如风扇等。使用实验和数值方法研究了激光微弯铜条的过程的相互作用冲击波压力和金属目标过程中详细分析了。调查现象对凸、凹弯曲和关系残余应力分布模式的微尺度激光锤头形成方面。形成机制是解释的总和冲击载荷的影响,弯矩和诱导压应力的影响。亚奥理事会研究了激光微弯不锈钢在单面上配置数值模拟和实验,提出了一个在网上讨论工艺参数的影响弯曲的角度。激光成形和绘画进行了探讨激光冲击波在其中扮演了一拳,并且实现了一系列的实验揭示形成机制和工艺参数对变形的影响金属的行为,如纯铝、铜和不锈钢 等。系统的特点金属箔片后的显微组织和力学性能微尺度激光动态形成。他们表明,金属大幅升值冲击形成后由于精致的结构和位错密度高。进一步研究了微尺度激光的变形过程动态形成和讨论关键参数的影响基于实验,材料的变形行为数值模拟。显然,激光冲击缩微过程作为一个新技术吸引了广泛关注。 目前,我们有兴趣一个激光缩微过程的过程被称为微尺度激光隆起形成相结合的有利影响微尺度激光冲击锤击与优势的激光热成形和高应变率形成。按照其他激光冲击过程、微尺度激光胀成形是一种非热能的使用激光成形方法高烈度激光照射诱导激波压力。这一过程可以作为建立速度快,计算精度高方法打动薄板金属微地形特征。此外,由于激光可以提供非接触式、tool-less和出色的灵活性,可以使用生产过程复杂小型设备,尤其是在传统的案例过程是不可用的。在本文中,微尺度激光隆起形成使用数值和实验研究方法。变形行为的激光能量的影响纯铜进行了研究实验,实验结果而获得相应的数据从有限元分析模型。与仿真验证模型中,残余应力在不同激光能量分布水平是预测和分析。此外,激光的效果辐射吸收剂涂层的表面形态通过扫描电子形成样本观察显微镜(SEM)。2形成机理1 微尺度激光隆起形成源于能力驱动激波在单金属产生塑性变形高功率激光脉冲的影响。通常情况下,电源激光脉冲密度超过1瓦/厘米2和激光脉冲时间是在10 - 100 NS的范围。样品的表面激光辐射与吸收剂涂层,然后板由围覆盖。吸收剂涂层吸收激光能源和蒸发形成的等离子体降低击穿阈值比金属目标,因此保护金属的表面的激光烧蚀和融化。黑漆通常是选择作为吸收剂涂层由于其高能量吸收和后容易去除过程。围的覆盖范围等离子体的迅速扩张远离金属表面,导致更高的压力比露天的条件。石英玻璃通常充当围覆盖。所示图1,micro die放置在金属箔,持有人用于限制死腔外的材料。而金属是影响激光脉冲具有足够强度,吸水吗涂层瞬间蒸发,形成高温高压等离子体。等离子体的快速扩张在政权创建一个高烈度压力脉冲和随后的冲击波压力传播到金属目标。如果冲击波的峰值压力超过动态金属的屈服强度,塑性变形发生和装有隆起向模腔在极高的应变率(106 - 107 / s)。3实验条件 开关钕:钇铝石榴石(YAG)激光的波长1064 Aswan用于实验。激光脉冲持续时间是11 NS和激光光束直径设置为1毫米。激光脉冲进行到目标通过一系列的反映镜子和会聚透镜的焦距为100 mm。一层薄薄的黑漆(约50米厚)是均匀的手工样品的顶面作为吸收剂涂层。一个1毫米厚石英玻璃放置在样品封闭覆盖。每个实验由一个激光脉搏。 Micro die与通孔的直径1.2毫米生产激光隆起形成。纯铜薄片30米厚度的选择。铜通常用于微机电系统(MEMS)的材料,因为它有很好的可塑性、延展性和耐腐蚀。在冲击过程中,剩下的黑漆丙酮的解决方案,解决了采用无水酒精清洁样品的表面。奥林巴斯SZX12光学显微镜和LEXT OLS4000 3 d测量激光显微镜用于观察和测量变形。吸收剂涂层和表面形态的形成由扫描电子样本观察显微镜。4 数值模拟激光冲击波压力计算Fab bro的模型15。该模型假定激光辐照是统一和激波传播的局限覆盖和金属目标是一致的。冲击波压力P(t)和等离子体厚度L(t)可以表达当时间t的函数关系如下: 美联社(t),我(t)和吸收系数、激光功率密度和致力于内部能量的一部分分别为热能;Z = 2 /(1 / Z1 + 1 / Z2)冲击波阻抗,Z1金属目标和Z2的阻抗围的阻抗叠加。在当前的研究中,是0.1;纯铜的阻抗是3.83107 kg / m2年代吗石英玻璃的阻抗是1.31107 kg / m2。激光束的空间配置文件是不均匀的整个区域的位置和冲击波压力服从高斯分布空间分布提出的章子怡和姚明16。的空间统一的冲击波压力P(t)与空间不均匀有关冲击波压力P(r,t) 其中r是激光光束中心的径向距离;r0保存吗激光点的半径(r0保存当前研究)= 0.5毫米。约翰逊和库克首先提出的本构模型材料受到大应变、高应变率和高温17。模型被广泛用于高应变变形的金属。只在一个单一的激光冲击过程中,吸收剂涂层是蒸发,保护金属目标从激光热效应。因此,这里的温度效应可以忽略。A modified Johnson-Cook模型可以写为:动态屈服强度;在哪里是应变;是应变率和0是参考应变率(0 = 1 / s)A,B,C和n是材料常数。纯铜,= 90 MPa,B = 292 MPa,C = 0.025和0.31 n =17。商业MSC有限元代码。马克被雇佣完成微尺度激光隆起的数值模拟形成。仿真是由两个步骤组成的。首先,一个显式动态瞬态分析得到执行材料的动态响应。中心差分时间集成用于解决非线性运动方程的冲击系统。动态分析完成时,字段信息包括压力、位移和应力将进口MSC。马克再次执行静态分析。最终,回弹变形和残余应力场的稳定平衡得到了。MARC Men-tat提供了强大预处理和后处理能力模型的数值分析系统和评估计算结果在仿真中,一个轴对称变形状态假设自模孔的形状是圆的,金属受到一个圆形的激光点。在轴向方向是常数的大小5米,远远小于激光点半径的0.5毫米。模具内的金属部分孔是不受限制,这样就可以自由变形,而剩下的材料的模孔是固定的位置,因为它是夹夹紧。四边形轴对称环元素用于分析。金属板各向同性和采用冯米塞斯屈服准则。图2显示了微尺度激光所建立的有限元模型胀形成。5结果与讨论5.1。变形和仿真模型验证3d measuring定量描述变形激光显微镜是用来配置文件在不同变形区域激光能量水平。图3(a)和(b)显示横断面测量和形成的三维图示例。可以看到,杯状样品具有良好的几何,指示一个在形成过程中发生强烈塑性变形。注意杯子是圆的直径为1.2毫米,这是相应的模具直径。图 3。测量形成的示例使用3 d测量激光显微镜:(一)测量截面;(b)的3 d图形成样本。脉冲能量E = 400 mj。从测量、概要和最大变形深度得到并与模拟。图4(a)显示了铜的概要文件和样品激光脉冲能量400年乔丹。每个实验数据点的平均值三个功能,误差棒表示标准偏差。见图4(a),模拟配置文件通常同意实验结果,然而有些差异的边缘激光点。实验测量表明平滑在这个地区。这可能是由于这样一个事实:在模拟假设激光冲击波传播的轴向方向的叠加和金属目标,它在实践中展开三维。图4(b)显示了最大变形的变化深度随激光脉冲能量的增加。显然,模拟杯的高度根据测量良好。清单,杯的深度增加而增强激光能量。这是可以理解的,因为当激光能量增加,吸收剂的烧蚀涂层变得更有效率,更可以生成等离子体。之后,一个更强大的冲击波压力诱导和传播金属目标。结果,杯深度以来加速形成能源是可用的。图4。(一)比较数值和实验资料的E = 400 mJ;(b)最大变形深度在不同激光能量水平。此外,如图4所示(b),导致明显的塑料变形、激光脉冲能量在微尺度激光隆起形成不能太小。另一方面,激光能量不能太高了。太多的脉冲吸收剂涂层样品,导致严重的热效应。此外,当塑性变形超过可能发生断裂材料的成形极限。在这项研究中,能量范围200 - 400年乔丹可以产生足够的塑性变形而失败30米铜。应该强调,这里没有结果显示代表最优或最大的好处条件的特殊材料。有趣的是,一个薄金属板可以获得大冲击过程中的变形。的变形深度E = 400 MJ可以达到159分钟的实验。的一代大塑性变形的薄金属可能归因于两个机制。在微尺度激光胀成形、塑性应变速度可以达到106 / s。它在流动行为有显著的影响的材料和有助于提高当地的变形能力。另一个原因是,惯性效应也可以改善成形性薄的金属。的反应在材料激光冲击是动态的,惯性效应不可忽视。它有被发现在拉伸试样断裂时可以推迟惯性力量相对较大。这种现象有关惯性力量稳定发展的脖子在样例(13、18)。因此,成形性的薄铜样品可以好改进,可以得到连续的塑性变形。5.2。残余应力分布微尺度激光隆起紧张类型的形成是一个过程。材料在激光点隆起向死亡腔当生成的压力超过动态屈服金属的强度。剩下的材料在模孔内也延伸到腔由于材料的连续性。注意到,没有材料外模孔会流入模腔的监禁。塑料变形的样品取决于减少厚度和径向和切向方向的伸长。因此,材料受到轴向压缩应变和切向和径向方向的拉伸应变体积恒定的原则。在变形过程中,轴向应力小于径向和切向的方向,因此,金属板可以被认为是在双轴拉伸压力。图5展示了在应力、应变状态变形过程。在冲击过程的动态分析,材料向下扩展和变形后所得的惯性装船的时间。而动态分析完成后,静态的执行分析,直到回弹完成和示例达到一个稳定的机械状态。因此,最终的形状样品和残余应力的分布是依赖回弹。图6显示了径向应力分布的轮廓结束时的动态分析和静态分析。如图6所示(一个)、径向应力r是拉伸在广泛的区域材料。然而,入口周围的材料上明显的压力梯度;也就是说,上层是拉应力,而底端改变压缩。由于监禁持有人,持有人下的材料是固定的,没有材料流入模腔。这就解释了为什么发生在入口附近。而回弹发生,弹性应变能量释放和应力场是重新分配。图6(b)显示了结果的应力松弛。在激光点,生成一个压缩残余应力底部一侧(相反的表面激光震惊)有一个拉伸残余应力在顶面(激光震惊表面)。然而,应该指出的是,有一个不受欢迎的复杂的应力分布在激光点,这可能影响后期处理属性。为了避免这外围应力分布,激光辐照面积足够大的移动形成外的应力状态区域。图6。径向应力分布的轮廓:(a)动态分析结果;(b)静态分析的结果。脉冲能量E = 400 mJ。检查激光能量对残余应力的影响分布,激光能量的200、300和400年乔丹的使用模拟。图7显示了径向残余应力的分布在顶部和底部表面在不同激光能量水平。这是明显,残余应力的样品有相同的模式分布在三个能量水平。在激光的内部点,板面主要是拉应力,一边是底部抗压。然而,拉伸残余应力是不可取的,这并没有改变激光能量的增加。根据调查在宏观尺度上激光冲击成形回弹扮演重要的角色在决定是否拉伸震惊了表面残余应力将发生。对于一个考虑到金属板厚度,增加了激光强度可以改变拉伸残余应力为压的吗震惊的表面,由于回弹的抑制19。这一趋势也观察到微尺度激光弯曲成形铜的衬托和两个能级。202 j的脉冲能量,样品是向下弯曲,拉伸和板面底侧压。当脉冲能量增加280 j,样品弯曲向上,和压缩残余强调双方诱导7。因此,进一步加大激光能量可能是一个可行的尝试获得的状态残余压缩震惊表面的隆起。然而,每个人都应该记住,激光能量不能太大超过材料的成形极限。一个有趣的现象也在图7所示(b),也就是说,随着激光能量的增加压缩有所下降。结果是不同的在激光冲击处理,抗压的大小残余应力通常是改进的增强激光强度。一种解释是,不同的材料两个进程之间的变形条件,从而得到在不同的回弹效应。对于激光冲击处理,金属目标通常是放置在刚性衬底,以防止任何运动的底部表面。因此,塑性变形主要发生在顶面。很明显,更高的激光能量顶部表面上能引起更大的塑性变形。当冲击荷载被移除,顶部表面的弹性恢复受到周围的物质,一种高压缩的状态残余应力可能会离开。然而,对于微尺度激光胀成型,金属目标的底部是不受限制模孔内的材料可以自由变形。不断增加的激光能量主要是发布的塑性变形。因此,会产生一个更深的杯和更多的弹性应变能被存储在示例。在应力松弛,金属试图回到原来的形状和回弹发生在整个材料在模腔内。尺寸变化可能更大更高的激光能量由于更多的释放弹性应变能,这可能会削弱压缩残余压力在底部表面。然而,对于深入理解的现象,可能需要结合的影响考虑包括激波的相互作用,特定的金属特性和加工条件图7。r(a)的径向残余应力分布在顶部;(b)的底部表面不同的激光能量水平。此外,它可以注意到在图7(b)最大值压缩残余应力在底部表面不是发生在冲击的中心。类似的现象也带来了激光冲击材料处理一个圆形的激光点。中心残余应力下降归因于同时到来的径向波来了从激光震惊的边缘地区(20、21)。图8。分布的径向轴向残余应力沿对称轴r在不同激光能量水平方向。图8显示了r径向残余应力的分布对称性轴在轴向方向在不同激光能量的水平。应该指出的是,x = 0代表的中心入射激光束对称轴经过的地方。为三能级,径向残余应力r显示相同的在轴向方向的趋势。虽然有拉应力方面,它逐渐减少和交换机为压应力顶部表面的距离增加。它也可以看到没有明确的激光能量对压缩的深度的影响残余应力。5.3。激光辐照对吸收剂涂层的影响图9显示了吸收剂涂层的SEM显微图之前和之后的激光冲击成形。当大功率激光器照射黑漆,它将进行一些融化,再凝固立即。见图9(a),它可以被发现有一个明显的热影响区在激光点,和小球迅速凝固的黑漆和分散外的地方。图9(b)显示的放大观察激光辐照区,由于激光一系列空间离开烧蚀。虽然去除体积的一个黑漆激光脉冲测量,这的确是不到的厚度吸收剂涂层(50米)由于能源短。事实上,除去大量的石墨层小于4米每脉冲使用Nd:YAG激光系统波长1064海里的0.336毫米的地方权力的5 w22。图9。吸收剂涂层的SEM显微图:(a)和(b)在激光冲击形成;(c)在激光冲击成形。脉冲能量E = 400 mj。5.4。表面形态图10显示了扫描电镜显微图的顶视图样品。剩下的黑漆由丙酮解决方案,和采用无水酒精清洁表面的样品。可以看到,表面没有融化或消融,和轧制是保持不变,揭示冲击成形非热能的过程。吸收剂涂层保护从激光热效应。因此,塑性变形引起的机械作用下的交互冲击波压力与金属23。我们的观察支持出版10的50米铝箔吗被一个TEA-CO2影响激光脉冲能量1500 MJ。图10。形成样品的扫描电镜显微图:(a)的一般视图示例的顶面;(b)震惊的本地视图区域更高的放大倍数。脉冲能量E = 400MJ。6.结论总之,微尺度激光隆起形成的纯铜用实验和数值方法研究。影响激光能量薄铜进行了研究实验,实验结果进行比较从有限元分析获得相应的数据模型。残余应力分布在不同激光能量水平根据验证模型是预测和分析。的吸收剂涂层的表面形态形成的样本也通过扫描电子显微镜观察。得到以下结果:(1)具有良好的几何的杯状样品可以获得在激光能量的范围200 - 400 mJ。最大变形深度E = 400 mJ是高达159米实验,这表明薄金属板显示了改善成型性能由于超高和应变率效应惯性。(2)在给定的激光能量水平下,径向的分布在顶部和底部表面残余应力r显示相同的模式。而正面主要是拉应力,底部的一面主要是抗压。回弹是一个关键因素来确定抗压残余的分布和大小压力。然而,没有明显的激光能量对深度的影响压缩残余应力。(3)吸收剂涂层厚度可以约50米保护金属目标从激光消融时有效影响400年乔丹激光能量和一个单脉冲。冲击后过程中,样品的震惊表面显示没有融化或消融和滚动标志保持不变,提供的事实非热能的冲击形成的过程。应答这项工作得到了国家自然科学基金的支持中国(50775131)、自然科学基金山东省(分列Y2007F24 Y2007F55)的科学为归侨学者研究基础(国家教育部),研究生自主创新山东大学此前没有的基础。yzc09053)。引用1得到发展白色,弹性波生成电子轰击或电磁波吸收。34(1963)2123 - 1963。2激光冲击处理:回顾物理学和应用程序,选择定量。27(1995)1213 - 1229。3激光冲击处理及其影响金属合金的微观结构和性能。24(2002)1021 - 1036。4l海克哈里斯,轮廓由激光喷丸成形的金属,美国专利号6410884(2002)。5激光冲击成形的金属板为特征塑性变形。91(2002)5501 - 5503。6交互变形过程中。98(2005)104904 - 2005。7能量对变形机制的影响在微尺度激光锤头形成过程。9(2007)1 - 12。8短脉冲激光缩微过程薄金属板的MEMS制造,达成协议。254(2007)997 - 1001。9激光冲击缩微过程薄金属板,255(2009)2009 - 5633。10非热能的激光拉伸成形法。6 - 8(2005)433 - 440。11机械和激光微拉深。344(2007)2007 - 799。12激光深化。3(2009)1 - 8。13组织和力学性能特征微尺度激光动态形成后的金属箔期刊。101(2007)063108 - 2007。14变形行为和重要参数在微尺度激光动态成型。131(2009)051011 - 051021。15等离子体物理的研究在几何。68(1990)775 - 1990。16微尺度激光冲击处理的金属组件。124(2002)369 - 2002。17齿轮金属受到本构模型18增强的成形性在高板牙的过程工艺。45(1994)595 - 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