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的製作方法

2023-05-19 18:06:56

專利名稱：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的製作方法
技術領域：
本發明涉及機械製造領域，特指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，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。
背景技術：
微型化產品已廣泛應用在等多個領域，微成形裝置的體積一般都比較小，使得其內部結構相比於傳統的成形設備更加複雜，零件要求的精度又很高，製造微成形裝置較為困難。目前的微成形裝置存在加工操作難度較高，加工效率較低的問題，同時準靜態塑性微成形受到尺度效應的影響，材料成形能力下降，難以滿足一些高硬度高脆性難成形材料的加工。雷射加工技術已用於傳統難成形材料及微型金屬零件加工中，但以雷射作為能源直接或間接作用在工件上仍會給工件帶來一些缺陷。如中國專利申請號為01134063. 0、名稱為「一種雷射衝擊精密成型方法及裝置」利用雷射直接衝擊待加工零件，使得零件受力不均勻，同時使零件表面產生燒蝕，零件表面質量不高。中國專利申請號為200810023264. 3、 名稱為「一種微器件的雷射衝擊微體積成形方法和裝置」，能實現微體積成形，其利用雷射驅動飛片，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，但飛片衝擊仍屬於剛性衝擊，零件表面會發生刻蝕，影響零件表面質量；同時，飛片尺寸比工件尺寸大， 衝擊碰撞過程中會對模具造成一定損傷，降低模具的強度及壽命；並且剛性衝擊過程中，金屬稀釋現象嚴重，零件特性下降。

發明內容
基於上述背景技術中的缺陷，本發明的目的是為了避免雷射直接衝擊零件表面產生燒蝕破壞、避免剛性衝擊對零件表面產生刻蝕、減少衝壓過程中金屬稀釋現像、提高零件表面質量和零件特性而提出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。本發明的一種雷射衝擊高分子聚合物間接微成形方法採用的技術方案是包括如下步驟1)由計算機控制納秒雷射器發出脈衝雷射，雷射經由兩反射鏡和聚焦透鏡後作用於成形系統，同時由計算機控制三維移動平臺調整成形系統的位置；2)雷射經成形系統中的光學介質照射在吸收層薄膜上，引起部分吸收層薄膜燒蝕產生高溫高壓等離子體，等離子體繼續吸收雷射能量使得等離子體膨脹爆炸，爆炸的等離子體向吸收層薄膜方向膨脹， 在吸收層薄膜上產生GI^a級的衝擊壓力，使得吸收層薄膜發生塑性形變；3)高分子聚合物在吸收層薄膜的衝擊壓力及高分子聚合物容腔的約束下向其下部的靶材工件方向變形，使靶材工件塑性變形。本發明的一種雷射衝擊高分子聚合物間接微成形的專用裝置採用的技術方案是: 由雷射加載系統、成形系統、控制系統組成，雷射加載系統包括納秒雷射器、兩反射鏡和聚焦透鏡，成形系統包括試樣系統、夾具體、三維移動平臺以及L型底座，試樣系統設置在聚焦透鏡的正下方且放置在夾具體中，夾具體固接三維移動平臺上，三維移動平臺放置在L型底座上；控制系統包括連接納秒雷射器的雷射控制器、連接三維移動平臺的三維移動平臺控制器和計算機，其特徵是所述試樣系統從上至下依次是光學介質、吸收層薄膜、高分子聚合物容腔、靶材工件和特製微模具，高分子聚合物容腔中滿裝有高分子聚合物，吸收層薄膜與高分子聚合物貼合，靶材工件位於高分子聚合物容器和特置微模具之間且與高分子聚合物表面貼合，靶材工件的下表面與固定在夾具體中的特置微模具接觸；吸收層薄膜的材料是鋁膜，光學介質的材料是K9玻璃，高分子聚合物的材料是聚氨酯橡膠或矽聚合物本發明採用上述技術方案後產生的有益效果是
1、使用雷射直接衝擊吸收層薄膜產生強衝擊波來衝壓高分子聚合物，獲得動能的高分子聚合物做柔性衝頭，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，提高了零件質量。2、使用高分子聚合物做柔性衝頭，在衝擊過程中高分子聚合物與工件緊密貼合在一起，使得工件受力均勻，並且它們之間僅有極小的相對滑動，所以工件不會產生擦傷，使工件在微模具中精確成形。3、用聚氨酯橡膠或矽聚合物做高分子聚合物，由於其具有不可壓縮性及超彈性， 滿足工件的各種成形及數量要求，也適用於複合工藝過程，只需設置相應的下模。4、衝壓過程中高分子聚合物與工件緊密貼合在一起，僅有極小的相對滑動，可通過控制高分子聚合物與工件之間的摩擦力來增加工件的徑向力，使更多的工件材料進入模腔，減少了金屬衝壓過程中的稀釋現象，保持了工件的特性。5、使用鋁膜做吸收層薄膜，可避免雷射直接衝擊高分子聚合物造成的燒蝕破壞。 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，適用於對成形件表面質量要求較高的金屬或非金屬薄板的精密成形，也可用於微器件製造等領域。


圖1所示是本發明提出的一種雷射衝擊高分子聚合物間接微成形裝置結構示意圖2是圖1中試樣系統4的結構放大示意圖； 圖3是圖2試樣系統4在衝擊成形示意圖中1. L型底座；2.三維移動平臺；3.夾具體；4.試樣系統；5.聚焦透鏡；6.第二反射鏡；7.第一反射鏡；8.納秒雷射器；9.雷射控制器；10.三維移動平臺控制器；11.計算機；12.光學介質；13.吸收層薄膜；14.高分子聚合物；15.高分子聚合物容腔；16.靶材工件；17.特置微模具。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明的技術方案
參見圖1，本發明雷射衝擊高分子聚合物間接微成形的專用裝置由雷射加載系統、成形系統、控制系統組成。其中，雷射加載系統包括納秒雷射器8、第一反射鏡7、第二反射鏡6 和聚焦透鏡5，納秒雷射器8裝有指示光系統，其發出的雷射依次經第一反射鏡7和第二反射鏡6反射後改變光路到達聚焦透鏡5。成形系統包括試樣系統4、夾具體3、三維移動平臺2以及L型底座1，其中試樣系統4設置在聚焦透鏡5的正下方，經聚焦透鏡5聚焦後的雷射作用於試樣系統4上。試樣系統4放置在夾具體3中，用夾具體3夾緊和定位試樣系統4，夾具體3固定在三維移動平臺2上，三維移動平臺2放置在L型底座1上。控制系統包括雷射控制器9、三維移動平臺控制器10和計算機11，雷射控制器9同時連接納秒雷射器8和計算機11，計算機11還連接三維移動平臺控制器10，三維移動平臺控制器10連接三維移動平臺2，通過計算機11分別控制納秒雷射器8發出雷射和三維移動平臺2的位移。 計算機11控制雷射控制器9，雷射控制器9可對納秒雷射器8發出的脈衝雷射參數進行調整。納秒雷射器8發出的脈衝雷射經由第一反射鏡7，第二反射鏡6和聚焦透鏡5後最終傳遞到試樣系統4上。參見圖2所示的試樣系統4的結構，試樣系統4上至下依次是光學介質12、吸收層薄膜13、高分子聚合物容腔15、靶材工件16和特製微模具17，高分子聚合物容腔15中滿裝高分子聚合物14。吸收層薄膜13固定在光學介質12和高分子聚合物容腔15之間，吸收層薄膜13與高分子聚合物14貼合。吸收層薄膜13採用鋁膜，光學介質12採用K9玻璃。光學介質12的作用是限制爆炸等離子體的發散並使其朝向吸收層薄膜13及靶材工件16運動，同時對其作用的雷射是透明的，當雷射束透過時無明顯能量損失。高分子聚合物14放置在高分子聚合物容腔15內，高分子聚合物14採用聚氨酯橡膠或矽聚合物加工而成。高分子聚合物容腔15的作用是約束高分子聚合物14向四周方向擴展，由於高分子聚合物14 的不可壓縮性從而使高分子聚合物14在強衝擊波、吸收層薄膜13及高分子聚合物容器15 的限制下向靶材工件16方向變形。靶材工件16位於高分子聚合物容器15和特置微模具 17之間，高分子聚合物14與靶材工件16上表面貼合，中間沒有間隙，靶材工件16的下表面與特置微模具17接觸。特置微模具17固定在夾具體3中。參見圖1-3，本發明提出的雷射衝擊高分子聚合物間接微成形的具體過程如下 根據所需要成形的靶材工件16的成形要求來設計特置微模具17，將吸收層薄膜13固定在光學介質12和高分子聚合物容腔15之間。由計算機11通過三維移動平臺2調整成形系統4的位置，使三維移動平臺2達到指定位置；由計算機11控制雷射控制器9和納秒雷射器8發出脈衝雷射，雷射經由第一反射鏡7，第二反射鏡6和聚焦透鏡5後作用於成形系統 4。首先通過光學介質12照射在吸收層薄膜13上，引起部分吸收層薄膜13燒蝕產生高溫高壓等離子體，在雷射脈寬時間內，等離子體繼續吸收雷射能量使得等離子體膨脹爆炸，由於光學介質12的阻擋，爆炸的等離子體向吸收層薄膜13方向膨脹，在吸收層薄膜13上產生GI^a級的衝擊壓力，由於雷射衝擊壓力的峰值遠遠超過吸收層薄膜13的材料的動態屈服強度，使得等離子體影響範圍內的吸收層薄膜13發生超速塑性形變，高分子聚合物14在吸收層薄膜13的強衝壓力及高分子聚合物容腔15的約束下向其下部的靶材工件16方向變形，使靶材工件16在高分子聚合物14的變形力和特製微模具17限制下塑性變形，參見圖 3。整個過程中高分子聚合物14始終與靶材工件16緊密貼合，成形後，高分子聚合物14與靶材工件16同時充滿整個特製微模具17的模腔。
權利要求
1.一種雷射衝擊高分子聚合物間接微成形方法，其特徵是包括如下步驟1)由計算機(11)控制納秒雷射器(8)發出脈衝雷射，雷射經由兩反射鏡和聚焦透鏡後作用於成形系統(4)，同時由計算機(11)控制三維移動平臺(2)調整成形系統(4)的位置；2)雷射經成形系統(4)中的光學介質(12)照射在吸收層薄膜(13)上，引起部分吸收層薄膜(13)燒蝕產生高溫高壓等離子體，等離子體繼續吸收雷射能量使得等離子體膨脹爆炸，爆炸的等離子體向吸收層薄膜(13)方向膨脹，在吸收層薄膜(13)上產生GI^a級的衝擊壓力，使得吸收層薄膜(13)發生塑性形變；3)高分子聚合物(14)在吸收層薄膜(13)的衝擊壓力及高分子聚合物容腔(15)的約束下向其下部的靶材工件(16)方向變形，使靶材工件(16)塑性變形。
2.一種實現權利要求1所述微成形方法的專用裝置，由雷射加載系統、成形系統、控制系統組成，雷射加載系統包括納秒雷射器(8)、第一、第二反射鏡(7、6)和聚焦透鏡(5)，成形系統包括試樣系統(4)、夾具體(3)、三維移動平臺(2)以及L型底座(1)，試樣系統(4)設置在聚焦透鏡(5)的正下方且放置在夾具體(3)中，夾具體(3)固接三維移動平臺(2)上， 三維移動平臺(2)放置在L型底座(1)上；控制系統包括連接納秒雷射器(8)的雷射控制器 (9)、連接三維移動平臺(2)的三維移動平臺控制器(10)和計算機(11)，其特徵是所述試樣系統(4)從上至下依次是光學介質(12)、吸收層薄膜(13)、高分子聚合物容腔(15)、靶材工件(16)和特製微模具(17)，高分子聚合物容腔(15)中滿裝有高分子聚合物(14)，吸收層薄膜(13)與高分子聚合物(14)貼合，靶材工件(16)位於高分子聚合物容器(15)和特置微模具(17)之間且與高分子聚合物(14)表面貼合，靶材工件(16)的下表面與固定在夾具體 (3)中的特置微模具(17)接觸。
3.根據權利要求2所述的專用裝置，其特徵是所述吸收層薄膜(13)的材料是鋁膜，光學介質(12)的材料是K9玻璃，高分子聚合物(14)的材料是聚氨酯橡膠或矽聚合物。
全文摘要
本發明公開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，雷射經成形系統中的光學介質照射在吸收層薄膜上，引起部分吸收層薄膜燒蝕產生高溫高壓等離子體，等離子體繼續吸收雷射能量使得等離子體膨脹爆炸，爆炸的等離子體向吸收層薄膜方向膨脹，在吸收層薄膜上產生GPa級的衝擊壓力，使得吸收層薄膜發生塑性形變；高分子聚合物在吸收層薄膜的衝擊壓力及高分子聚合物容腔的約束下向其下部的靶材工件方向變形，使靶材工件塑性變形，避免工件表面的燒蝕破壞或刻蝕現象，使工件在微模具中精確成形。
文檔編號B23K26/04GK102513431SQ201110400540
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月6日 優先權日2011年12月6日
發明者劉會霞, 劉輝, 張虎, 李品, 杜道忠, 沈宗寶, 王霄, 胡楊, 郭朝, 高陽陽 申請人:江蘇大學