基於雷射連續衝壓橡皮泥技術的精密微成形裝置及其方法
2023-04-29 00:25:01 1
專利名稱：基於雷射連續衝壓橡皮泥技術的精密微成形裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射連續衝壓橡皮泥技術的精密微成形裝置及其方法，屬於雷射加工製造及微塑性成形技術領域。
背景技術：
雷射衝擊技術是一種具有良好前景的加工手段，其原理是高能量短脈衝雷射誘導的衝擊波與材料相互作用，利用強雷射與物質相互作用所產生的衝擊波來改善材料的機械性能，尤其是疲勞壽命。這一技術已在機械工程、航空航天、微電子、軍事等各行各業中得到了廣泛應用，目前該技術主要用於材料改性、金屬衝擊強化和成形，以及無損檢測等方面。近年來迅速發展的雷射加工技術在微成形方法上的應用越來越被關注。雷射加工質量好，加工精度高，雷射能量密度高，可以瞬間完成加工，能夠成形常規方法難以加工的材料。申請號為200610161633.6的中國專利雷射衝擊成形強化系統，具有利用雷射衝擊技術實現常規方法難以成形的或者無法成形的材料成形，並具有對雷射衝擊波參數與工件軌跡的精確控制的特點，但在加工工件的過程中會存在雷射能量分布不均，實驗的可重複性不高等缺點，同時，其利用雷射直接衝擊待加工工件，使得工件受力不均勻，同時使工件表面產生燒蝕，工件表面質量不高。申請號為200810019367.2的中國專利強雷射衝擊微塑性成形的方法及其裝置，具有可以實現微尺度下常規方法難以成形或無法成形的複雜器件，具有可以實現大面積微納尺度的三維成形，具有製造的快速性和可重複性等特點。該專利利用雷射驅動飛片，使飛片繼承雷射的能量，從而避免了雷射直接衝擊工件帶來的影響。但飛片衝擊屬於剛性衝擊，工件表面會發生刻蝕，影響工件表面質量。申請號為200810023264.3的中國專利一種微器件的雷射衝擊微體積成形方法和裝置，適用於微尺度下常規方法難以成形或無法成形的複雜器件的微體積成形，利用以雷射誘導的衝擊波驅動飛片作為微器件微體積成形的成形力源，使微凸模和凹模相對運動，促使微小工件發生塑性成形。該專利需保證凸模與凹模能相互配合，模具製作與定位成本較高。申請號為201110400540.5的中國專利一種雷射衝擊高分子聚合物間接微成形方法及其專用裝置，利用高分子聚合物代替雷射或飛片傳遞成形力，使工件一側與高分子聚合物接觸，這樣在成形過程中不會對工件材料表面造成燒蝕破壞或刻蝕損傷，可以成形高表面質量工件。專利一種雷射衝擊高分子聚合物間接微成形方法及其專用裝置利用雷射驅動高分子聚合物，使高分子聚合物繼承雷射的能量，從而避免了雷射直接衝擊工件帶來的影響。利用獲得動能的高分子聚合物作為柔性衝頭進行工件成形不會影響工件表面質量，但高分子聚合物屬於彈性材料，成形工件後會發生回彈，不能保證成形工件完全貼合模具表面，影響工件精度。
發明內容
針對現有技術中微成形方法及裝 置存在的上述問題，本發明提供一種基於雷射連續衝壓橡皮泥技術的精密微成形裝置及其未成形方法，即基於雷射連續衝壓橡皮泥從而間接實現箔板精密微成形方法及其裝置，其適用於微金屬箔材的微塑性成形，特別適合於常規微成形方法難以成形或無法成形材料微成形，可以實現微型工件的精密成形。本發明的技術方案是:
基於雷射連續衝壓橡皮泥技術的精密微成形裝置，包括雷射加載系統、塑性成形系統和計算機控制系統；所述雷射加載系統包括納秒雷射器、反射鏡、聚焦透鏡，由納秒雷射器發出的雷射光束經過反射境和聚焦透鏡後進入塑性成形系統；所述塑性成形系統包括試樣系統、夾具體、三維移動平臺以及底座，所述三維移動平臺固定於底座上，所述試樣系統通過緊固於三維移動平臺上方的夾具體固定；所述計算機控制系統包括三維移動平臺控制器、雷射控制器、計算機，計算機通過三維移動平臺控制器控制三維移動平臺的平面移動，通過雷射控制器控制納秒雷射器的工作狀態。進一步，所述試樣系統包括光學介質、吸收層薄膜、橡皮泥、橡皮泥容腔、工件和微模具；所述橡皮泥緊密填充於橡皮泥容腔中，橡皮泥容腔上方壓附有微米尺度厚的透明光學介質作為約束層，光學介質與橡皮泥容腔之間放置吸收層薄膜，工件置於橡皮泥容腔下方，微模具設置於工件下方。基於雷射連續衝壓橡皮泥技術的精密微成形方法，具體包括以下步驟:
(O將橡皮泥置於橡皮泥容腔中，保證橡皮泥緊密充滿橡皮泥容腔；在橡皮泥容腔上方壓附微米尺度厚的透明光學介質作為約束層；光學介質與橡皮泥容腔之間放置吸收層薄膜；在橡皮泥容腔下方放置工件與微模具；
(2)通過夾具將光學介質、吸收層薄膜、橡皮泥容腔、工件、微模具緊固在三維移動平臺上；開啟納秒雷射器，調節好光路，由納秒雷射器發出的雷射光束經過反射境和聚焦透鏡後進入塑性成形系統，雷射經過透鏡聚焦在工件上；對納秒雷射進行多次發射操作，實現工件的多次雷射衝擊成形。進一步，所述雷射加載系統使用強雷射短脈衝，脈寬為10-100納秒，波長為1064/532 納米，能量為 0.1-2J。進一步，保證橡皮泥充滿橡皮泥容腔，利用橡皮泥受壓後發生塑性形變與不可壓縮特性使工件發生塑性形變，在多次衝擊作用下使工件逐漸貼合模具。本發明的有益效果是:
1、本發明使用雷射多次衝擊吸收層薄膜產生衝擊波來衝壓橡皮泥，避免了用雷射或飛片直接衝擊或撞擊工件表面所引起的燒蝕破壞或刻蝕現象。使用橡皮泥做柔性衝頭，在多次衝擊過程中橡皮泥與工件逐漸緊密貼合在一起，使得工件受力均勻，由於橡皮泥的硬度比工件硬度低的多，所以工件不會產生擦傷，提高了工件質量。同時，由於橡皮泥的不可壓縮性及受力後發生塑性形變特性，在衝擊過程後工件與微模具仍保持貼合，避免了用高分子聚合物做柔性衝頭由於其超彈性使成形後的工件發生回彈，保證了工件成形精度。2、本發明採用脈衝雷射作為成形力源，雷射的參數精確可控，重複性好，易實現自動化生產；因為雷射光斑可聚焦至微米級至毫米級，所以既能進行批量工件的一次成形，也能進行局部微細的 定量成形；由於充滿橡皮泥的橡皮泥容腔尺寸較大，所以對雷射光斑定位及對中性要求不高，因此對工件的尺寸與成形數量有較大的調整範圍，具有較大的柔性，適應性強。
圖1是本發明基於雷射連續衝壓橡皮泥技術的精密微成形裝置的結構示意 圖2是本發明中試樣系統的結構示意 圖3是衝擊過程中試樣系統初步成形示意 圖4是衝擊過程中試樣系統進一步成形示意圖。圖中:1、底座；2、三維移動平臺；3、夾具體；4、試樣系統；5、聚焦透鏡；6、反射鏡；
7、納秒雷射器；8、雷射控制器；9、三維移動平臺控制器；10、計算機；11、光學介質；12、吸收層薄膜；13、橡皮泥；14、橡皮泥容腔；15、工件；16、微模具。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。本發明基於雷射連續衝壓橡皮泥技術的精密微成形裝置的結構如圖1所示，由雷射加載系統、塑性成形系統和計算機控制系統連接組成。雷射加載系統由納秒雷射器7、反射鏡6、聚焦透鏡5組成，由納秒雷射器發出的雷射光束經過反射境6和聚焦透鏡5後進入塑性成形系統；塑性成形系統由試樣系統4、夾具體3、三維移動平臺2以及L型底座I組成，三維移動平臺2固定於L型底座I上，試樣系統4通過緊固於三維移動平臺2上方的夾具體固定；計算機控制系統由三維移動平臺控制器9、雷射控制器8、計算機10組成，計算機10通過三維移動平臺控制器9控制三維移動平臺2的平面移動，通過雷射控制器8控制納秒雷射器7的工作狀態。上述試樣系統·的結構如圖2所示，包括光學介質11、吸收層薄膜12、橡皮泥13、橡皮泥容腔14、工件15和微模具16 (帶排氣孔)。吸收層薄膜12固定在光學介質11和橡皮泥容腔14之間，吸收層薄膜12採用鋁膜，光學介質11採用K9玻璃。橡皮泥13放置在橡皮泥容腔14內。橡皮泥容腔14的作用是約束橡皮泥向周向擴展，使橡皮泥在雷射誘導的衝擊波及橡皮泥容腔的限制下向工件方向變形。橡皮泥13與工件15上表面貼近，中間沒有間隙，工件15下表面與微模具16接觸。雷射的工作狀態參數為波長532nm或1064nm輸出多脈衝。光學介質材料為K9玻璃。吸收層薄膜材料為鋁膜。雷射加載系統使用強雷射短脈衝，脈寬為10-100納秒，波長為1064/532納米，能量為0.1-2J。本發明基於雷射連續衝壓橡皮泥技術的精密微成形方法為:
先將實驗所用橡皮泥置於橡皮泥容腔中，保證橡皮泥緊密充滿橡皮泥容腔，在橡皮泥容腔上方壓附微米尺度厚的一塊透明光學介質作為約束層，光學介質與橡皮泥容腔之間放置吸收層薄膜，在橡皮泥容腔下方放置工件與微模具。通過夾具將光學介質、吸收層薄膜、橡皮泥容腔、工件、微模具緊固在三維移動平臺上，再開啟納秒雷射器，調節好光路，使由納秒雷射器輸出的雷射經過透鏡聚焦在工件上，然後對納秒雷射進行多次發射操作，從而實現工件的多次雷射衝擊。圖3和圖4為衝擊過程中試樣系統成形示意圖，其具體過程如下:
採用納秒雷射多次經過聚焦透鏡5最終傳遞到試樣系統4上，透過光學介質11輻射吸收層薄膜12表面，使吸收層薄膜12表面部分氣化後形成高溫高壓的等離子體，等離子體急劇膨脹爆炸，產生衝擊波使等離子體影響範圍內的吸收層薄膜12發生超速塑性形變，橡皮泥13在衝擊壓力及橡皮泥容腔14的約束下向工件15方向產生塑性形變，使工件15在橡皮泥13的變形力和微模具16限制下發生微納米尺度的塑性變形。圖3為單次雷射脈衝後工件成形示意圖，橡皮泥與工件緊密貼合，但未能充滿模腔。圖4為多次雷射脈衝後工件成形示意圖，橡皮泥與工件緊密貼合，充滿整個模腔，具有良好的成形性能。由圖4可見加載多次的雷射能量後工件與模具緊密貼合，具有良好的成形性能。通過實驗數據的收集和整理的試驗結果，可用於指導設計和生產。本發明未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。以上所述僅 為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.基於雷射連續衝壓橡皮泥技術的精密微成形裝置，其特徵在於包括雷射加載系統、塑性成形系統和計算機控制系統； 所述雷射加載系統包括納秒雷射器(7)、反射鏡(6)、聚焦透鏡(5)，由納秒雷射器(7)發出的雷射光束經過反射境(6 )和聚焦透鏡(5 )後進入塑性成形系統； 所述塑性成形系統包括試樣系統(4)、夾具體(3)、三維移動平臺(2)以及底座(1)，所述三維移動平臺(2)固定於底座(I)上，所述試樣系統(4)通過緊固於三維移動平臺(2)上方的夾具體⑶固定； 所述計算機控制系統包括三維移動平臺控制器(9)、雷射控制器(8)、計算機(10)，計算機(10)通過三維移動平臺控制器(9)控制三維移動平臺(2)的平面移動，通過雷射控制器(8)控制納秒雷射器(7)的工作狀態。
2.根據權利要求I所述的基於雷射連續衝壓橡皮泥技術的精密微成形裝置，其特徵在於所述試樣系統包括光學介質(11)、吸收層薄膜(12)、橡皮泥(13)、橡皮泥容腔(14)、工件(15)和微模具(16);所述橡皮泥(13)緊密填充於橡皮泥容腔(14)中，橡皮泥容腔(14)上方壓附有微米尺度厚的透明光學介質(11)作為約束層，光學介質(11)與橡皮泥容腔(14)之間放置吸收層薄膜(12)，工件(15)置於橡皮泥容腔(14)下方，微模具(16)設置於工件(15)下方。
3.基於雷射連續衝壓橡皮泥技術的精密微成形方法，具體包括以下步驟 A、將橡皮泥置於橡皮泥容腔中，保證橡皮泥緊密充滿橡皮泥容腔；在橡皮泥容腔上方壓附微米尺度厚的透明光學介質作為約束層；光學介質與橡皮泥容腔之間放置吸收層薄膜；在橡皮泥容腔下方放置工件與微模具； B、通過夾具將光學介質、吸收層薄膜、橡皮泥容腔、工件、微模具緊固在三維移動平臺上；開啟納秒雷射器，調節好光路，由納秒雷射器發出的雷射光束經過反射境和聚焦透鏡後進入塑性成形系統，雷射經過透鏡聚焦在工件上；對納秒雷射進行多次發射操作，實現工件的多次雷射衝擊成形。
4.根據權利要求3所述的基於雷射連續衝壓橡皮泥技術的精密微成形方法，其特徵在於所述雷射加載系統使用強雷射短脈衝，脈寬為10-100納秒，波長為1064/532納米，能量為 O. 1-2J。
5.根據權利要求3或4所述的基於雷射連續衝壓橡皮泥技術的精密微成形方法，其特徵在於保證橡皮泥充滿橡皮泥容腔，利用橡皮泥受壓後發生塑性形變與不可壓縮特性使工件發生塑性形變，在多次衝擊作用下使工件逐漸貼合模具。
全文摘要
本發明公開了一種基於雷射連續衝壓橡皮泥技術的精密微成形裝置及其方法，該裝置包括雷射加載系統、塑性成形系統和計算機控制系統；雷射加載系統包括納秒雷射器、反射鏡、聚焦透鏡；塑性成形系統包括試樣系統、夾具體、三維移動平臺以及底座；計算機控制系統包括三維移動平臺控制器、雷射控制器、計算機。本發明利用橡皮泥傳遞衝擊力，在多次衝擊過程中橡皮泥與工件逐漸貼合在一起，工件受力均勻，不會產生擦傷，提高了工件表面質量；同時，橡皮泥受力後發生塑性形變特性，使工件與微模具相互貼合，避免了工件的反彈，保證了工件成形精度。
文檔編號B23K26/00GK103252588SQ20131018537
公開日2013年8月21日 申請日期2013年5月20日 優先權日2013年5月20日
發明者沈宗寶, 顧春興, 劉會霞, 王霄, 張迪 申請人:江蘇大學