雷射衝壓精密成形裝置的製作方法
2023-05-23 18:17:51
專利名稱：雷射衝壓精密成形裝置的製作方法
專利說明
一、技術領域本實用新型涉及機械製造領域，特指一種雷射衝壓精密成形裝置。
經檢索有美國加州大學HACKEL LLOYD和HARRIS FRITZ申請的專利「CONTOUR FORMIMGOF METALS BY LASER PEENING」專利號WO0105549，該專利提出用雷射錘擊金屬板材表面產生殘餘應力，再利用殘餘應力釋放產生微曲度進行的微變形成形，通過各點每次錘擊的微曲度的累積或在同一點實施多次衝擊，就可取得更大尺寸的彎曲。且在雷射衝擊前必須在待衝擊表面敷一層吸光材料塗層，即能量吸收層。再在塗層上覆蓋一層透明材料，即約束層。這種分開式處理方法，造成雷射能量利用率低、數據不穩、可靠性差等缺點，而且還需一道去除殘留能量吸收層的後處理工序。用水作約束層時需額外的供水系統，成本高且效果差，而且水飛濺易造成光學元件的損壞，尤其是聚焦鏡的損傷。且由於是利用殘餘壓應力發生的應變而產生彎曲，所以變形量小；而通過逐點錘擊產生的應力分布來控制大面積的彎曲，這在實際應用中很困難；同時成形工藝單一，僅僅是金屬板材的彎曲成形；成形材料單一，僅僅是對金屬材料錘擊成形。
本實用新型的目的是按下述技術方案實現的它由雷射器、外光路系統、工裝夾具系統，控制系統組成，其特徵在於工裝夾具系統由工作檯、夾具座、上夾板，下夾板，試樣體系組成。
試樣體系由工件表面貼設柔性貼膜構成一體式的透明約束層和能量吸收層。外光路系統的雷射衝擊頭內設有由聚焦鏡、可旋轉反射鏡、三稜鏡組成的聚焦鏡組。雷射器內的調製器產生的雷射束的脈衝寬度為4ns～10ns。
其工作過程為由雷射器發出的雷射束通過外光路系統傳輸到安裝在夾具中的工件表面，粘貼在工件表面的柔性貼膜受到雷射誘導的衝擊波作用而壓向工件，並使工件產生快速的塑性變形。通過控制雷射參數就可調整衝擊壓力的大小，通過控制衝擊位置和各點衝擊力的大小，就可獲得精確的工件輪廓。在雷射器發出雷射的同時，夾載試樣體系的工作檯和雷射衝擊頭同時按數控指令向待衝擊位置作三維運動，從而達到控制衝擊位置的目的，實現三維衝擊成形。
本實用新型是直接利用本雷射衝壓成形裝置產生的衝擊波對板材進行衝壓成形，能有效地對金屬材料、無機材料、高分子材料及複合材料等多種材料進行局部脹形、彎曲、拉伸、板料校平、杆件校直校曲，是集多種成形方式為一體的無模複雜成形。如果採用預先製作好的凹模，那麼又可以進行衝壓仿形。
其優點在於(1)在工件表面採用柔性貼膜，其具有能量吸收層及約束層的雙重功能，提高了雷射能量利用率，使雷射衝擊不僅能處理平面型區域，而且能方便地處理非平面區域，如圓角、曲面等。
(2)在外光路系統中，採用光學透鏡的導光分光體系，通過調節衝擊頭與工件距離，可改變光斑大小，通過調節平面反射鏡和入射光束的夾角，以及雷射衝擊頭內的聚焦鏡組，可實現雷射束斜角衝擊，從而適合於不同的衝擊成形工藝，如局部脹形、彎曲、校形等。
(3)在雷射器的光路系統中，採用的調製器可使雷射器產生脈衝寬度為4ns～10ns脈衝能量50J的強雷射束，提高了雷射功率，從而產生了更高峰壓的衝擊波。也可通過改變雷射棒晶體材料，產生波長更短更易被柔性貼膜吸收的雷射束，如紅寶石晶體(波長0.694μm，吸收率比1.06μm高得多)。
(4)在控制系統，採用自行開發的控制軟體，建立了資料庫，配以專用夾具，實現了板材的無模具衝壓成形。具有成形速度快，生產成本低的特點。由於採用光束導光和分光技術，以及多軸連動的工作檯，所以它能進行多工位或多點同時工作，而且實現程序自動數控。因為雷射光斑尺寸可調，所以既能進行大板的複雜成形，又可以進行局部微細成形，實現定量精密成形。因為衝擊參數的定量控制，所以重複性好、易實現自動化生產。
(5)由於雷射衝擊在材料表面形成硬化層和高幅殘餘壓應力，因此提高了材料成形的穩定性，幾乎無回彈。同時材料衝擊後材料表面質量提高，如表面粗糙度降低，硬度提高、晶粒細化、工件抗疲勞性能和抗應力腐蝕性能大幅提高。
四
圖1雷射衝擊成形裝置的示意圖圖2雷射衝擊成形試樣體系示意圖圖3雷射衝擊成形曲面試樣體系示意圖圖4雷射衝擊平板局部脹形成形微區單次衝擊示意圖圖5雷射衝擊平板大區域多點逐次衝擊成形示意圖圖6雷射衝擊平板一維彎曲的成形示意圖圖7雷射衝擊彎杆校直的成形示意圖1雷射器，2導光和分光系統，3可旋轉透射鏡，4可旋轉反射鏡，5光學透鏡組，6雷射衝擊頭，7聚焦鏡組，8工作檯，9夾具座，10上夾板，11下夾板，12試樣體系，13控制系統，14構成柔性貼膜的透明約束層，15構成柔性貼膜的能量吸收層，16成形工件(板料、杆件等)，17雷射束，18單次雷射衝擊光斑五、實施方式下面結合圖1、圖2詳細說明本實用新型提出的具體裝置的細節和工作情況。
該裝置由控制系統13、雷射器1，雷射衝擊系統、工裝夾具系統組成。雷射衝擊系統由外光路系統2、透射鏡3、可旋轉反射鏡4、光學透鏡組5、雷射衝擊頭6、聚焦鏡組7組成。工裝夾具系統由工作檯8、夾具座9、上夾板10，下夾板11，試樣體系12、成形工件16組成。試樣體系12由成形工件16表面貼設柔性貼膜構成一體式的透明約束層14和能量吸收層15。
如圖1所示，雷射器1產生高能脈衝雷射束17，最大輸出能量50焦爾、脈衝寬度4～10納秒的雷射脈衝。它首先進入經過外光路系統2，引入到雷射衝擊頭6，通過調節外光路系統2中的反射鏡角度，使其按設定入射角進入雷射衝擊頭6，經聚焦鏡垂直入射或斜入射衝擊到工作檯8上。在工作檯8上放置試樣夾具座9，在夾具座9上安置上夾板10和下夾板11，將試樣體系12安裝在其中，試樣體系12中處理面朝向雷射入射方向。根據光束可分特點，雷射衝擊系統可以進行單工位或多工位或更多工位的立體成形操作。雷射衝擊頭6內有聚焦鏡組7通過調節雷射衝擊頭6與成形工件16距離，可改變光斑大小，通過調節可旋轉平面反射鏡與聚焦入射光束的夾角，可實現雷射束斜角衝擊。
如圖2所示，經圖1中外光路系統2從雷射衝擊頭6輸出的雷射束17，透過構成柔性貼膜的透明約束層14，衝擊到構成柔性貼膜的能量吸收層15上。試樣體系12固定在上夾板10和下夾板11之間，試樣夾具座9再固定在工作檯8上。數控系統發出數控指令控制工作檯8和雷射衝擊頭6作多軸直線或旋轉運動，從而實現三維立體衝擊。
圖3是雷射衝擊成形曲面試樣體系示意圖。在曲面成形工件16上，經圖1中外光路系統2從雷射衝擊頭輸出的雷射束17，沿曲面法向作用在柔性貼膜上。
圖4是雷射衝擊平板局部脹形成形微區單次衝擊示意圖。雷射束17經雷射衝擊頭6輸出，作用在柔性貼膜上，成形工件16及柔性貼膜被夾緊在上下兩個帶中心孔的夾板10和11之間，工件夾具座9再固定在工作檯8上。根據板料成形尺寸大小，可採用單點單次或多次衝擊或多點分布衝擊形式實現局部脹形，如直徑1釐米以下脹形可採用單點單次雷射衝擊光斑18衝擊。
圖5是雷射衝擊平板大區域多點逐次衝擊成形示意圖。其中陰影部分小圓光斑為單次雷射衝擊光斑18。採用多點分布衝擊，最終實現大區域成形。
圖6是雷射衝擊平板一維彎曲的成形示意圖。雷射束17經雷射衝擊頭6輸出，衝擊到平板試樣體系12上，平板試樣體系12被工件夾具座9單邊夾緊，並採用多點分布衝擊。如圖中所示在沿彎曲的垂直方向上進行行內密排、平行、變間距形式(d1、d2、d3…..)進行系統分布衝擊。衝擊過程夾板逐步旋轉，以保證雷射束與板料相對垂直。
圖7是雷射衝擊彎杆校直的成形示意圖。雷射束17輸出，衝擊到杆件試樣體系12的凹側，根據局部曲率大小，不斷改變衝擊參數逐點衝擊從而實現杆件校直。
更多的成形事例不便勝舉，控制方式和衝擊形式的變化都可能實現不同的成形方式，這裡僅闡明它的技術方案和部分實施例。
權利要求1.雷射衝壓精確成形裝置，由雷射器(1)，外光路系統(2)，工裝夾具系統，控制系統(13)組成，其特徵在於工裝夾具系統由工作檯(8)、夾具座(9)、上夾板(10)，下夾板(11)，試樣體系(12)組成。
2.根據權利要求1所述的雷射衝壓精密成形裝置，其特徵在於試樣體系(12)由成形工件(16)表面貼設柔性貼膜構成一體式的透明約束層(14)和能量吸收層(15)。
3.根據權利要求1所述的雷射衝壓精密成形裝置，其特徵在於外光路系統(2)的雷射衝擊頭(6)內設有由聚焦鏡、可旋轉反射、三稜鏡組成的聚焦鏡組(7)。
4.根據權利要求1所述的雷射衝壓精密成形裝置，其特徵在於雷射器(1)內的調製器產生的雷射束的脈衝寬度為4ns～10ns。
專利摘要一種雷射衝壓精密成形裝置,主要用於各種常用金屬成形材料,特別是常規方法難以成形的材料的雷射衝壓精密成形。其由雷射器(1),外光路系統(2),工裝夾具系統,控制系統(13)組成,工裝夾具系統由工作檯(8)、夾具座(9)、上夾板(10),下夾板(11),試樣體系(12)組成,試樣體系(12)由成形工件(16)表面貼設柔性貼膜構成一體式的透明約束層(14)和能量吸收層(15),外光路系統(2)的雷射衝擊頭(6)內設有由聚焦鏡、可旋轉反射、三稜鏡組成的聚焦鏡組(7)。由於衝擊參數的定量控制,所以重複性好、易實現自動化生產。
文檔編號B23K26/00GK2496591SQ0126331
公開日2002年6月26日 申請日期2001年10月19日 優先權日2001年10月19日
發明者張永康, 周明, 周建忠, 蔡蘭, 高傳玉 申請人:江蘇大學