3003铝合金激光冲击微挤压成形研究

3003铝合金激光冲击微挤压成形研究

王匀;范苏湘;甘斐;王荣茂;徐国峰;殷苏民

【摘要】The micro-bulk forming with laser shock under the restriction of micro-extrusion die is a kind of new forming technology , which utilizes shockwave induced by laser to produce volume deformation of local sheet metal under the constraint of the die .A model of micro-extrusion of laser shock was developed to analyze the forming depth of different sheet thickness (0.12mm, 0.15mm, 0.17mm and 0.22mm) of 3003 aluminum alloy under different diameters of the micro-dies (0.4mm, 0.7mm, 0.9mm and 1.1mm).After establishing finite element model for numerical analysis , theoretical analysis and experimental verification were carried out and the data of the forming depth were obtained under different thickness and different diameters of the micro-dies.The results show that the forming depth increases sharply , then slowly with the increase of sheet thickness .For the same thickness , the sheet forming depth increases with the increase of diameter of the micro-die in a non-linear way.For the single shock, the number of shock has a great influence on the sheet forming depth.It is found that the simulation results are in accordance with experimental results , which gives support for the quality control of micro-bulk forming .%微挤压模约束下的激光冲击微体积成形技术是利用激光诱导的冲击波使局部金属在凹模约束下产生体积变形的一种成形新技术。为了分析不同板厚（0．12mm，0．15mm，0．17mm和0．22mm）的3003铝合金在不同凹模孔径（0．4mm，0．7mm，0．9mm和1．1mm）约束下的成形深度，采用建

立有限元模型进行数值分析的方法，进行了理论分析和实验验证，取得了不同板厚和不同孔径成形下成形深度的数据。结果表明，成形深度随板厚的增大而增大趋势逐渐减小；对于同一厚度，板料成形深度随孔径的增大呈非线性增大趋势；对于同一点冲击，冲击次数对板料的成形深度影响很大。数值分析结果与实验吻合度较好，这一结果对微体积成形质量控制是有帮助的。

【期刊名称】《激光技术》

【年(卷),期】2013(000)006

【总页数】5页(P820-824)

【关键词】激光技术;微挤压成形;数值分析;微凹模

【作者】王匀;范苏湘;甘斐;王荣茂;徐国峰;殷苏民

【作者单位】江苏大学机械工程学院，镇江212013;江苏大学机械工程学院，镇

江212013;江苏大学机械工程学院，镇江212013;江苏大学机械工程学院，镇江212013;江苏大学机械工程学院，镇江212013;江苏大学机械工程学院，镇江212013

【正文语种】中文

【中图分类】TG485

微挤压成形工艺是在传统的冲压工艺基础上发展起来，具有高效率、低成本的特点，在微机电系统零件成形方面的应用越来越广［1］。本试验中所采用的材料为

Al3003，其突出特点为耐蚀、导电导热性能好、可加工性好，尤其是良好的防磁

和抗干扰性能使其在微机电系统领域应用广泛。目前主要是采用传统挤压微型化的方法进行零件成形，由于表面效应和尺寸效应的存在，使得微成形工艺和理论尚不

成熟。另一方面，自1963年发现脉冲强激光与金属靶材作用会在表面形成等离子体区域并产生应力波以来［2］，国内外一直高度重视对激光冲击强化（laser shock processing，LSP）技术的研究和应用［3］。

激光冲击成形是通过高功率短脉宽强激光作用于覆盖在板材表面的能量转换体，吸收层吸收激光能量后形成急速膨胀的等离子体并向板材内部传播，当形成的爆轰波峰值超过板材动态屈服极限时，板材实现塑性变形［4-5］。但是目前主要研究板料成形，而实际上在亚毫米级及微米尺度下，板料的微小区域就相当于微体积成形坯料，其成形高度和板厚在同一数量级，利用微模具，选用超快短脉冲激光产生的超高应变率冲击波能够实现微构件的体积成形，因此借助激光冲击实现微挤压成形并开展相关方面的研究有重要意义。本文中主要针对Al3003，研究不同工艺参量对激光冲击微挤压成形深度的影响规律。

激光冲击微挤压成形试验示意如图1所示。实验中所使用的材料为Al3003，其化学成分见表1。物理性能参量如下：密度为2740kg/m3，泊松比为0.33，杨氏模量为72000MPa，抗拉强度为320MPa。板厚为0.12mm～0.22mm，微凹模孔

径为0.4mm～1.1mm。试验中使用的激光器为Nd：YAG GAIAⅡ激光器。试验

中激光参量如下：功率密度为1.2GW/cm2～1.4GW/cm2，脉冲波长为1.06μm，脉宽为13ns，光斑直径为3mm。铝箔为吸收层，厚度为0.1mm；流水为约束层，厚度为1mm。成形深度的测试在VEECO WYKO NT1100非接触光学轮廓仪上进行。试验前后试样见图2和图3。

2.1 数值分析模型的建立

模拟所用的板材为10mm×10mm的Al3003方形板，板厚分别为0.12mm，

0.15mm，0.17mm和0.22mm，选用的凹模尺寸为10mm×10mm×2mm，凹

模孔径分别为0.4mm，0.7mm，0.9mm和1.1mm，材料性能参量见表1。基于结构对称性，取模型1/4进行数值分析，x-z面和y-z面为对称面，并在相应对称