軸承上蓋零件的滑柱式鉆床夾具設計含2張CAD圖

軸承上蓋零件的滑柱式鉆床夾具設計含2張CAD圖,軸承,零件,滑柱式,鉆床,夾具,設計,CAD 激光能量對變形行為的影響在微尺度激光膨脹形成 曹國偉 盛陽 鐘霽 王魏 液-固相的構(gòu)造演化和加工材料重點實驗室(MOE),山東大學材料科學與工程學院 17923年17923年京師路,濟南,中國 文章歷史:2010年6月11日收到修訂后的形式收到2010年8月18日接受 摘要 關(guān)鍵詞:微尺度激光隆起形成；激光沖擊波；塑性變形；殘余應力分布；吸收劑涂層表面形態(tài) 微尺度激光隆起形成高應變率縮微過程方法使用高強度沖擊脈沖激光輻照引起的波壓力。這一過程可以作為快速建立和高精密技術(shù)打動微地形特征對薄板金屬和制造業(yè)的前景復雜的小型設備。本文調(diào)查了使用數(shù)值的形成過程和實驗方法。純銅的激光能量對變形行為的影響進行了在細節(jié)上的討論。采用3 d測量激光顯微鏡測量在不同變形區(qū)域激光能量水平。變形測量表明,實驗和數(shù)值結(jié)果是一致的。驗證仿真模型,在不同的殘余應力分布激光能量是可以預測和分析的。彈力被發(fā)現(xiàn)是一個關(guān)鍵因素來確定的分布和壓縮殘余應力的大小。此外,吸收劑涂層和表面形態(tài)形成的樣本通過掃描電子顯微鏡觀察。沖擊成形過程的觀察證實,非熱能保護吸收劑性涂料。 1介紹 自1960年代第一次實驗研究使用大功率的激光脈沖產(chǎn)生的沖擊波壓力穩(wěn)定目標,激光沖擊技術(shù)已被廣泛研究。激光沖擊波壓力的應用板料成形來源于修改曲率的能力金屬目標的激光脈沖的影響。在此同時,周等人報道了超高的調(diào)查應變速率受激光沖擊成形技術(shù),并顯示該技術(shù)有潛力成為一個靈活的制造過程方法具有優(yōu)良的性能和制造時間短的特點。 最近，迅速增加了小型化的要求設備顯示了日益增長的需求開發(fā)新技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的生產(chǎn)更多復雜的微型產(chǎn)品。到目前為止已經(jīng)有許多報道使用激光縮微過程的沖擊技術(shù)，如風扇等。使用實驗和數(shù)值方法研究了激光微彎銅條的過程的相互作用沖擊波壓力和金屬目標過程中詳細分析了。調(diào)查現(xiàn)象對凸、凹彎曲和關(guān)系殘余應力分布模式的微尺度激光錘頭形成方面。形成機制是解釋的總和沖擊載荷的影響,彎矩和誘導壓應力的影響。亞奧理事會研究了激光微彎不銹鋼在單面上配置數(shù)值模擬和實驗,提出了一個在網(wǎng)上討論工藝參數(shù)的影響彎曲的角度。激光成形和繪畫進行了探討激光沖擊波在其中扮演了一拳,并且實現(xiàn)了一系列的實驗揭示形成機制和工藝參數(shù)對變形的影響金屬的行為,如純鋁、銅和不銹鋼 等。系統(tǒng)的特點金屬箔片后的顯微組織和力學性能微尺度激光動態(tài)形成。他們表明,金屬大幅升值沖擊形成后由于精致的結(jié)構(gòu)和位錯密度高。進一步研究了微尺度激光的變形過程動態(tài)形成和討論關(guān)鍵參數(shù)的影響基于實驗,材料的變形行為數(shù)值模擬。顯然,激光沖擊縮微過程作為一個新技術(shù)吸引了廣泛關(guān)注。 目前,我們有興趣一個激光縮微過程的過程被稱為微尺度激光隆起形成相結(jié)合的有利影響微尺度激光沖擊錘擊與優(yōu)勢的激光熱成形和高應變率形成。按照其他激光沖擊過程、微尺度激光脹成形是一種非熱能的使用激光成形方法高烈度激光照射誘導激波壓力。這一過程可以作為建立速度快,計算精度高方法打動薄板金屬微地形特征。此外,由于激光可以提供非接觸式、tool-less和出色的靈活性,可以使用生產(chǎn)過程復雜小型設備,尤其是在傳統(tǒng)的案例過程是不可用的。在本文中,微尺度激光隆起形成使用數(shù)值和實驗研究方法。變形行為的激光能量的影響純銅進行了研究實驗,實驗結(jié)果而獲得相應的數(shù)據(jù)從有限元分析模型。與仿真驗證模型中,殘余應力在不同激光能量分布水平是預測和分析。此外,激光的效果輻射吸收劑涂層的表面形態(tài)通過掃描電子形成樣本觀察顯微鏡(SEM)。 2形成機理 1． 微尺度激光隆起形成源于能力驅(qū)動激波在單金屬產(chǎn)生塑性變形高功率激光脈沖的影響。通常情況下,電源激光脈沖密度超過1瓦/厘米2和激光脈沖時間是在10 - 100 NS的范圍。樣品的表面激光輻射與吸收劑涂層,然后板由圍覆蓋。吸收劑涂層吸收激光能源和蒸發(fā)形成的等離子體降低擊穿閾值比金屬目標,因此保護金屬的表面的激光燒蝕和融化。黑漆通常是選擇作為吸收劑涂層由于其高能量吸收和后容易去除過程。圍的覆蓋范圍等離子體的迅速擴張遠離金屬表面,導致更高的壓力比露天的條件。石英玻璃通常充當圍覆蓋。所示圖1,micro die放置在金屬箔,持有人用于限制死腔外的材料。而金屬是影響激光脈沖具有足夠強度,吸水嗎涂層瞬間蒸發(fā),形成高溫高壓等離子體。等離子體的快速擴張在政權(quán)創(chuàng)建一個高烈度壓力脈沖和隨后的沖擊波壓力傳播到金屬目標。如果沖擊波的峰值壓力超過動態(tài)金屬的屈服強度,塑性變形發(fā)生和裝有隆起向模腔在極高的應變率(106 - 107 / s)。 3實驗條件 開關(guān)釹:釔鋁石榴石(YAG)激光的波長1064 Aswan用于實驗。激光脈沖持續(xù)時間是11 NS和激光光束直徑設置為1毫米。激光脈沖進行到目標通過一系列的反映鏡子和會聚透鏡的焦距為100 mm。一層薄薄的黑漆(約50米厚)是均勻的手工樣品的頂面作為吸收劑涂層。一個1毫米厚石英玻璃放置在樣品封閉覆蓋。每個實驗由一個激光脈搏。 Micro die與通孔的直徑1.2毫米生產(chǎn)激光隆起形成。純銅薄片30米厚度的選擇。銅通常用于微機電系統(tǒng)(MEMS)的材料,因為它有很好的可塑性、延展性和耐腐蝕。在沖擊過程中,剩下的黑漆丙酮的解決方案,解決了采用無水酒精清潔樣品的表面。奧林巴斯SZX12光學顯微鏡和LEXT OLS4000 3 d測量激光顯微鏡用于觀察和測量變形。吸收劑涂層和表面形態(tài)的形成由掃描電子樣本觀察顯微鏡。 4 數(shù)值模擬 激光沖擊波壓力計算Fab bro的模型[15]。該模型假定激光輻照是統(tǒng)一和激波傳播的局限覆蓋和金屬目標是一致的。沖擊波壓力P(t)和等離子體厚度L(t)可以表達當時間t的函數(shù)關(guān)系如下: 美聯(lián)社(t),我(t)和?吸收系數(shù)、激光功率密度和致力于內(nèi)部能量的一部分分別為熱能;Z = 2 /(1 / Z1 + 1 / Z2)沖擊波阻抗,Z1金屬目標和Z2的阻抗圍的阻抗疊加。在當前的研究中,?是0.1;純銅的阻抗是3.83×107 kg / m2年代嗎石英玻璃的阻抗是1.31×107 kg / m2。 激光束的空間配置文件是不均勻的整個區(qū)域的位置和沖擊波壓力服從高斯分布空間分布提出的章子怡和姚明[16]。的空間統(tǒng)一的沖擊波壓力P(t)與空間不均勻有關(guān)沖擊波壓力P(r,t) 其中r是激光光束中心的徑向距離;r0保存嗎激光點的半徑(r0保存當前研究)= 0.5毫米。 約翰遜和庫克首先提出的本構(gòu)模型材料受到大應變、高應變率和高溫[17]。模型被廣泛用于高應變變形的金屬。只在一個單一的激光沖擊過程中,吸收劑涂層是蒸發(fā),保護金屬目標從激光熱效應。因此,這里的溫度效應可以忽略。A modified Johnson-Cook模型可以寫為: 動態(tài)屈服強度;在哪里ε是應變;ε是應變率和ε˙0是參考應變率(ε˙0 = 1 / s)A,B,C和n是材料常數(shù)。純銅,= 90 MPa,B = 292 MPa,C = 0.025和0.31 n =[17]。 商業(yè)MSC有限元代碼。馬克被雇傭完成微尺度激光隆起的數(shù)值模擬形成。仿真是由兩個步驟組成的。首先,一個顯式動態(tài)瞬態(tài)分析得到執(zhí)行材料的動態(tài)響應。中心差分時間集成用于解決非線性運動方程的沖擊系統(tǒng)。動態(tài)分析完成時,字段信息包括壓力、位移和應力將進口MSC。馬克再次執(zhí)行靜態(tài)分析。最終,回彈變形和殘余應力場的穩(wěn)定平衡得到了。MARC Men-tat提供了強大預處理和后處理能力模型的數(shù)值分析系統(tǒng)和評估計算結(jié)果 在仿真中,一個軸對稱變形狀態(tài)假設自模孔的形狀是圓的,金屬受到一個圓形的激光點。在軸向方向是常數(shù)的大小5米,遠遠小于激光點半徑的0.5毫米。模具內(nèi)的金屬部分孔是不受限制,這樣就可以自由變形,而剩下的材料的?？资枪潭ǖ奈恢?因為它是夾夾緊。四邊形軸對稱環(huán)元素用于分析。金屬板各向同性和采用·馮·米塞斯屈服準則。圖2顯示了微尺度激光所建立的有限元模型脹形成。 5結(jié)果與討論 5.1。變形和仿真模型驗證3d measuring定量描述變形激光顯微鏡是用來配置文件在不同變形區(qū)域激光能量水平。圖3(a)和(b)顯示橫斷面測量和形成的三維圖示例?？梢钥吹?杯狀樣品具有良好的幾何,指示一個在形成過程中發(fā)生強烈塑性變形。注意杯子是圓的直徑為1.2毫米,這是相應的模具直徑。圖 3。測量形成的示例使用3 d測量激光顯微鏡:(一)測量截面;(b)的3 d圖形成樣本。脈沖能量E = 400 mj。 從測量、概要和最大變形深度得到并與模擬。圖4(a)顯示了銅的概要文件和樣品激光脈沖能量400年喬丹。每個實驗數(shù)據(jù)點的平均值三個功能,誤差棒表示標準偏差。見圖4(a),模擬配置文件通常同意實驗結(jié)果,然而有些差異的邊緣激光點。實驗測量表明平滑在這個地區(qū)。這可能是由于這樣一個事實:在模擬假設激光沖擊波傳播的軸向方向的疊加和金屬目標,它在實踐中展開三維。圖4(b)顯示了最大變形的變化深度隨激光脈沖能量的增加。顯然,模擬杯的高度根據(jù)測量良好。清單,杯的深度增加而增強激光能量。這是可以理解的,因為當激光能量增加,吸收劑的燒蝕涂層變得更有效率,更可以生成等離子體。之后,一個更強大的沖擊波壓力誘導和傳播金屬目標。結(jié)果,杯深度以來加速形成能源是可用的。圖4。(一)比較數(shù)值和實驗資料的E = 400 mJ;(b)最大變形深度在不同激光能量水平。此外,如圖4所示(b),導致明顯的塑料變形、激光脈沖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。太多的脈沖吸收劑涂層樣品,導致嚴重的熱效應。此外,當塑性變形超過可能發(fā)生斷裂材料的成形極限。在這項研究中,能量范圍200 - 400年喬丹可以產(chǎn)生足夠的塑性變形而失敗30米銅。應該強調(diào),這里沒有結(jié)果顯示代表最優(yōu)或最大的好處條件的特殊材料。 有趣的是,一個薄金屬板可以獲得大沖擊過程中的變形。的變形深度E = 400 MJ可以達到159分鐘的實驗。的一代大塑性變形的薄金屬可能歸因于兩個機制。在微尺度激光脹成形、塑性應變速度可以達到106 / s。它在流動行為有顯著的影響的材料和有助于提高當?shù)氐淖冃文芰ΑＡ硪粋€原因是,慣性效應也可以改善成形性薄的金屬。的反應在材料激光沖擊是動態(tài)的,慣性效應不可忽視。它有被發(fā)現(xiàn)在拉伸試樣斷裂時可以推遲慣性力量相對較大。這種現(xiàn)象有關(guān)慣性力量穩(wěn)定發(fā)展的脖子在樣例(13、18)。因此,成形性的薄銅樣品可以好改進,可以得到連續(xù)的塑性變形。 5.2。殘余應力分布 微尺度激光隆起緊張類型的形成是一個過程。材料在激光點隆起向死亡腔當生成的壓力超過動態(tài)屈服金屬的強度。剩下的材料在?？變?nèi)也延伸到腔由于材料的連續(xù)性。注意到,沒有材料外模孔會流入模腔的監(jiān)禁。塑料變形的樣品取決于減少厚度和徑向和切向方向的伸長。因此,材料受到軸向壓縮應變和切向和徑向方向的拉伸應變體積恒定的原則。 在變形過程中,軸向應力小于徑向和切向的方向,因此,金屬板可以被認為是在雙軸拉伸壓力。圖5展示了在應力、應變狀態(tài)變形過程。在沖擊過程的動態(tài)分析,材料向下擴展和變形后所得的慣性裝船的時間。而動態(tài)分析完成后,靜態(tài)的執(zhí)行分析,直到回彈完成和示例達到一個穩(wěn)定的機械狀態(tài)。因此,最終的形狀樣品和殘余應力的分布是依賴回彈。圖6顯示了徑向應力分布的輪廓結(jié)束時的動態(tài)分析和靜態(tài)分析。如圖6所示(一個)、徑向應力r是拉伸在廣泛的區(qū)域材料。然而,入口周圍的材料上明顯的壓力梯度;也就是說,上層是拉應力,而底端改變壓縮。由于監(jiān)禁持有人,持有人下的材料是固定的,沒有材料流入模腔。這就解釋了為什么發(fā)生在入口附近。而回彈發(fā)生,彈性應變能量釋放和應力場是重新分配。圖6(b)顯示了結(jié)果的應力松弛。在激光點,生成一個壓縮殘余應力底部一側(cè)(相反的表面激光震驚)有一個拉伸殘余應力在頂面(激光震驚表面)。然而,應該指出的是,有一個不受歡迎的復雜的應力分布在激光點,這可能影響后期處理屬性。為了避免這外圍應力分布,激光輻照面積足夠大的移動形成外的應力狀態(tài)區(qū)域。圖6。徑向應力分布的輪廓:(a)動態(tài)分析結(jié)果;(b)靜態(tài)分析的結(jié)果。脈沖能量E = 400 mJ。 檢查激光能量對殘余應力的影響分布,激光能量的200、300和400年喬丹的使用模擬。圖7顯示了徑向殘余應力的分布在頂部和底部表面在不同激光能量水平。這是明顯,殘余應力的樣品有相同的模式分布在三個能量水平。在激光的內(nèi)部點,板面主要是拉應力,一邊是底部抗壓。然而,拉伸殘余應力是不可取的,這并沒有改變激光能量的增加。根據(jù)調(diào)查在宏觀尺度上激光沖擊成形回彈扮演重要的角色在決定是否拉伸震驚了表面殘余應力將發(fā)生。對于一個考慮到金屬板厚度,增加了激光強度可以改變拉伸殘余應力為壓的嗎震驚的表面,由于回彈的抑制[19]。這一趨勢也觀察到微尺度激光彎曲成形銅的襯托和兩個能級。202 j的脈沖能量,樣品是向下彎曲,拉伸和板面底側(cè)壓。當脈沖能量增加280 j,樣品彎曲向上,和壓縮殘余強調(diào)雙方誘導[7]。因此,進一步加大激光能量可能是一個可行的嘗試獲得的狀態(tài)殘余壓縮震驚表面的隆起。然而,每個人都應該記住,激光能量不能太大超過材料的成形極限。 一個有趣的現(xiàn)象也在圖7所示(b),也就是說,隨著激光能量的增加壓縮有所下降。結(jié)果是不同的在激光沖擊處理,抗壓的大小殘余應力通常是改進的增強激光強度。一種解釋是,不同的材料兩個進程之間的變形條件,從而得到在不同的回彈效應。對于激光沖擊處理,金屬目標通常是放置在剛性襯底,以防止任何運動的底部表面。因此,塑性變形主要發(fā)生在頂面。很明顯,更高的激光能量頂部表面上能引起更大的塑性變形。當沖擊荷載被移除,頂部表面的彈性恢復受到周圍的物質(zhì),一種高壓縮的狀態(tài)殘余應力可能會離開。然而,對于微尺度激光脹成型,金屬目標的底部是不受限制?？變?nèi)的材料可以自由變形。不斷增加的激光能量主要是發(fā)布的塑性變形。因此,會產(chǎn)生一個更深的杯和更多的彈性應變能被存儲在示例。在應力松弛,金屬試圖回到原來的形狀和回彈發(fā)生在整個材料在模腔內(nèi)。尺寸變化可能更大更高的激光能量由于更多的釋放彈性應變能,這可能會削弱壓縮殘余壓力在底部表面。然而,對于深入理解的現(xiàn)象,可能需要結(jié)合的影響考慮包括激波的相互作用,特定的金屬特性和加工條件圖7。r(a)的徑向殘余應力分布在頂部;(b)的底部表面不同的激光能量水平。 此外,它可以注意到在圖7(b)最大值壓縮殘余應力在底部表面不是發(fā)生在沖擊的中心。類似的現(xiàn)象也帶來了激光沖擊材料處理一個圓形的激光點。中心殘余應力下降歸因于同時到來的徑向波來了從激光震驚的邊緣地區(qū)(20、21)。。圖8。分布的徑向軸向殘余應力沿對稱軸r在不同激光能量水平方向。 圖8顯示了r徑向殘余應力的分布對稱性軸在軸向方向在不同激光能量的水平。應該指出的是,x = 0代表的中心入射激光束對稱軸經(jīng)過的地方。為三能級,徑向殘余應力r顯示相同的在軸向方向的趨勢。雖然有拉應力方面,它逐漸減少和交換機為壓應力頂部表面的距離增加。它也可以看到?jīng)]有明確的激光能量對壓縮的深度的影響殘余應力。 5.3。激光輻照對吸收劑涂層的影響 圖9顯示了吸收劑涂層的SEM顯微圖之前和之后的激光沖擊成形。當大功率激光器照射黑漆,它將進行一些融化,再凝固立即。見圖9(a),它可以被發(fā)現(xiàn)有一個明顯的熱影響區(qū)在激光點,和小球迅速凝固的黑漆和分散外的地方。圖9(b)顯示的放大觀察激光輻照區(qū),由于激光一系列空間離開燒蝕。雖然去除體積的一個黑漆激光脈沖測量,這的確是不到的厚度吸收劑涂層(～50米)由于能源短。事實上,除去大量的石墨層小于4米每脈沖使用Nd:YAG激光系統(tǒng)波長1064海里的0.336毫米的地方權(quán)力的5 w[22]。 圖9。吸收劑涂層的SEM顯微圖:(a)和(b)在激光沖擊形成;(c)在激光沖擊成形。脈沖能量E = 400 mj。 5.4。表面形態(tài) 圖10顯示了掃描電鏡顯微圖的頂視圖樣品。剩下的黑漆由丙酮解決方案,和采用無水酒精清潔表面的樣品?？梢钥吹?表面沒有融化或消融,和軋制是保持不變,揭示沖擊成形非熱能的過程。吸收劑涂層保護從激光熱效應。因此,塑性變形引起的機械作用下的交互沖擊波壓力與金屬[23]。我們的觀察支持出版[10]的50米鋁箔嗎被一個TEA-CO2影響激光脈沖能量1500 MJ。圖10。形成樣品的掃描電鏡顯微圖:(a)的一般視圖示例的頂面;(b)震驚的本地視圖區(qū)域更高的放大倍數(shù)。脈沖能量E = 400MJ。 6.結(jié)論 總之,微尺度激光隆起形成的純銅用實驗和數(shù)值方法研究。影響激光能量薄銅進行了研究實驗,實驗結(jié)果進行比較從有限元分析獲得相應的數(shù)據(jù)模型。殘余應力分布在不同激光能量水平根據(jù)驗證模型是預測和分析。的吸收劑涂層的表面形態(tài)形成的樣本也通過掃描電子顯微鏡觀察。得到以下結(jié)果:(1)具有良好的幾何的杯狀樣品可以獲得在激光能量的范圍200 - 400 mJ。最大變形深度E = 400 mJ是高達159米實驗,這表明薄金屬板顯示了改善成型性能由于超高和應變率效應慣性。(2)在給定的激光能量水平下,徑向的分布在頂部和底部表面殘余應力r顯示相同的模式。而正面主要是拉應力,底部的一面主要是抗壓?；貜検且粋€關(guān)鍵因素來確定抗壓殘余的分布和大小壓力。然而,沒有明顯的激光能量對深度的影響壓縮殘余應力。(3)吸收劑涂層厚度可以約50米保護金屬目標從激光消融時有效影響400年喬丹激光能量和一個單脈沖。沖擊后過程中,樣品的震驚表面顯示沒有融化或消融和滾動標志保持不變,提供的事實非熱能的沖擊形成的過程。 應答 這項工作得到了國家自然科學基金的支持中國(50775131)、自然科學基金山東省(分列Y2007F24 Y2007F55)的科學為歸僑學者研究基礎(國家教育部),研究生自主創(chuàng)新山東大學此前沒有的基礎。yzc09053)。 引用 [1]得到發(fā)展白色,彈性波生成電子轟擊或電磁波吸收。34(1963)2123 - 1963。 [2]激光沖擊處理:回顧物理學和應用程序,選擇定量。27(1995)1213 - 1229。 [3]激光沖擊處理及其影響金屬合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能。24(2002)1021 - 1036。 [4]l海克哈里斯,輪廓由激光噴丸成形的金屬,美國專利號6410884(2002)。[5]激光沖擊成形的金屬板為特征塑性變形。91(2002)5501 - 5503。 [6]交互變形過程中。98(2005)104904 - 2005。 [7]能量對變形機制的影響在微尺度激光錘頭形成過程。9(2007)1 - 12。 [8]短脈沖激光縮微過程薄金屬板的MEMS制造,達成協(xié)議。254(2007)997 - 1001。 [9]激光沖擊縮微過程薄金屬板,255(2009)2009 - 5633。 [10]非熱能的激光拉伸成形法。6 - 8(2005)433 - 440。 [11]機械和激光微拉深。344(2007)2007 - 799。 [12]激光深化。3(2009)1 - 8。 [13]組織和力學性能特征微尺度激光動態(tài)形成后的金屬箔期刊。101(2007)063108 - 2007。 [14]變形行為和重要參數(shù)在微尺度激光動態(tài)成型。131(2009)051011 - 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