一種基於雷射衝擊波技術的孔的成形方法和裝置的製作方法

2023-05-19 18:20:56

專利名稱：一種基於雷射衝擊波技術的孔的成形方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及雷射加工領域，特指一種基於雷射衝擊波技術的孔的快速成形方法和裝置，特別適用於在厚度小於2.5mm的金屬板材上成形的圓孔、方孔、三角形的孔以及不規則的異形孔。
背景技術：
金屬板材加工已在整個國民經濟中佔有十分重要的地位，廣泛應用於航空航天、船舶工業、汽車覆蓋件、家電等生產行業，由於結構的需要，金屬板材上常常有許多圓孔和形狀不規則的孔，其常見的加工方法主要有鑽削、模具衝孔和雷射打孔以及雷射切割孔成形。
鑽孔是中厚板目前廣泛使用的成形方法，但由於薄板的剛性極低，塑性大，容易變形，在鑽削力的作用下，容易產生扭曲變形，打出的孔形狀不規則，如扁孔、多邊形孔，孔口處飛邊、毛刺，甚至出現卡鑽頭或鑽頭折斷現象，尤其對於0.1～1.5mm厚的超薄板材上的孔的成形至今沒有理想的鑽削方法。
模具衝孔是薄板上不規則孔加工最常用的方法，衝孔時，為了保證凸、凹模的合理間隙，需要較高的制模公差等級，模具製造困難，加工成本高，且凸、凹模的安裝、間隙調整麻煩且不精確；衝載後常常要去毛刺。對於大型的鈑金件製作的箱體、櫃體裝配時都會遇到大量垂直或傾斜的孔，則模具往往無法加工。
雷射打孔是另一種孔的成形方法，它適合於微小孔的成形，它主要是利用熱效應使材料溶化、氣化材料來形成孔的，其固有的缺點是因為高溫產生的強烈的揮發物在遇冷後會在孔的周圍和內壁形成了大量不規則的堆濺物和重鑄層，並且孔具有一定的錐度，所有這些都大大影響了孔的質量。
當孔徑較大時，常常採用雷射切割辦法來成形孔的，即利用進給運動裝置使小孔連接而成的切縫來去除坯料上的原材料而形成的。最常用切割工具為CO2雷射器，它雖具有效率高，操作方便等優點，但存在以下不足切口斷面上有周期的波紋，嚴重影響了孔口表面質量；由於熱效應，板材表面常常有微裂紋，且切口下方出現掛渣現象；由於採用的輔助性氣體，熔化的材料飛濺，生產的環境較差，無法滿足高清潔度零件的加工；材料加工的範圍受到一定的限制，對一些材料如銅、鋁合金等材料加工變得困難，甚至有可能損壞雷射系統的外部光學元件。
與本發明技術最為接近的技術是炸藥爆炸衝孔，爆炸成形主要是利用炸藥爆炸時產生的瞬間高溫、高壓衝擊波衝孔的，但爆炸衝孔的工藝參數難以控制，激波作用時間長達數毫秒，擴散效應大，不能精確成形孔的形狀，而且安全性較差，故不被採用。

發明內容
本發明的目的是為了提供克服以上在加工質量和操作安全性方面的不足，提供用於薄板上孔成形快速而又簡便的方法，它能直接對孔成形，並能獲得較高的尺寸、形狀精度和表面粗糙度，它不但可以成形圓孔，還可以成形不規則形狀的孔，可直接作為板材孔成形工具。
一種基於雷射衝擊波技術的孔的成形方法，其特徵在於在工件上需要成形孔的位置上依次塗有能量吸收塗層、覆蓋透明約束層，兩者的面積比加工孔稍大，再根據待加工孔的形狀和尺寸大小，製造相應的、刃口鋒利的凹模，將上表面貼有能量吸收塗層、透明約束層的工件置於凹模上，並使能量吸收塗層、透明約束層、工件上待加工的孔和凹模的四者中心重合，再將凹模置於多軸聯動工作檯上；根據所需要成形的孔的大小和形狀，確定光斑尺寸，根據以下的公式，確定雷射脈衝的能量P=10-9(2+3)12Z12(4Ed2)122Z=1Z1+1Z2]]>和Pdhdyn]]>其中，P(t)是衝擊波的壓力；d為園孔的直徑；α為與雷射脈衝和波長有關的常數；Z衝擊波的阻抗；Z1為工件阻抗；Z2為約束介質的阻抗；E為雷射脈衝的能量；β為吸收係數；τ為雷射脈衝的波長；h為工件的厚度；τdyn為工件的動態斷裂強度；雷射器發出雷射束通過導光管、全反鏡、光斑調節裝置、會聚裝置，透過透明約束層作用在能量吸收塗層上，誘導雷射衝擊波產生，雷射衝擊波對工件施加壓力，完成對工件衝孔。
約束層可以是光學玻璃、或水；能量吸收塗層可以選用市場購買的黑漆。
上述的一種基於雷射衝擊波技術的孔的成形方法，能量吸收塗層、透明約束層可以選用專利ZL02138338.3中所述的柔性貼膜來替代；實施本發明的裝置包括雷射發生器、導光系統、工件夾具系統、控制系統；導光系統包含導光管、全反鏡、光斑調節裝置、會聚裝置；工件夾具系統包含能量吸收塗層、透明約束層、工件、凹模、多軸聯動工作檯；控制系統由計算機、工具機控制器、雷射器控制器組成。
光斑調節裝置是指能夠自由伸縮的彈簧，能夠調節會聚裝置和工件的相對位置；聚焦裝置是指凸透鏡。
導光管是雷射束傳輸最基本的通路，其一端連接著雷射發生器，另一端正對著工件夾具系統，依次把全反射境、光斑調節裝置和聚焦裝置連接起來；工件系統自上而下依次是透明約束層、能量吸收塗層、工件、凹模、最後是多軸聯動工作檯；計算機是控制系統的中心，由它發出的指令控制著工具機控制器，並聯合工具機控制器一起控制著雷射器控制器，雷射器控制器控制著雷射發生器，工具機控制器控制著光斑調節裝置和多軸聯動工作檯。
雷射束透過透明約束層，作用在對雷射不透明的能量吸收層上，能量吸收層吸收高能雷射後立即氣化、電離，形成等離子體爆炸，形成雷射衝擊波，由於約束層的約束作用，衝擊波的壓力迅速升高，其峰值壓力達到數個GPa，遠遠大於工件材料的動態斷裂極限，由於衝擊波的壓力產生在極短的幾十個納秒內完成，這樣就在板材表面施加一個突加載荷，使板料和凹模發生強烈的作用，凹模鋒利的刃口把作用區域內的材料從母體上剪切下來，由於其是在超高應變率下完成的，在板材上凹模刃口作用區域形成了絕熱剪切帶，使斷口光滑，因而在板材上形成尺寸精確、內表面光滑的孔。
該發明的加工方法具有以下優勢(1)由於雷射衝擊波的壓力高，作用的時間短(ns級)，孔可以一次成形，快速高效；加工的環境清潔，避免了使用雷射切割技術產生極其微細的粒子和灰塵，更好地滿足加工較高清潔度產品的要求。
(2)加工的材料範圍廣，加工的柔性大。不僅能加工一切的金屬材料，還能加工硬脆的非金屬材料，如陶瓷；由於採用多軸聯動的工作檯，不僅可移動還可以轉到，因此加工的孔不受位置限制，不僅可以加工水平面上的孔，也可以在加工斜面上的孔；也不需要向衝壓模具那樣存在凸、凹模製造的配合問題，使用過程中也不存在間隙的調整，十分方便。
(3)不使用刀具，不需要外力，屬於非接觸式加工，因此不存在刀具的修磨、磨損和折斷，使加工成本降低；由於孔的成形是絕熱剪切形成的，材料的熱影響區域小，且孔表面平整、光滑，無需再去毛刺。
(4)加工孔徑範圍大，不僅可以打微小孔，還可以打大孔，克服了超短脈衝雷射和準分子雷射只能打微小孔的局限性。而且孔徑尺寸精確，穩定性好，不存在錐度。
(5)在孔成形的同時，對孔口周圍材料也進行了衝擊強化，在材料表面成形了殘餘壓縮應力，抑制了零件使用過程中疲勞裂紋的產生，延長了零件的疲勞使用壽命。
(6)它既可以一次成形板材上單個大孔，也可一次成形在有效光斑覆蓋的範圍之內、位置相對集中的多個小孔，對於位置分散的孔可以通過數控程序控制移動多軸聯動工作檯逐個完成工件上的孔成形。


下面結合附圖和實例作進一步說明圖1是根據本發明提出的基於雷射衝擊波技術的孔快速成形的裝置示意圖。
圖2是單脈衝雷射在厚度為0.4mm的LD31薄板上衝出單個孔的試樣圖。
圖3是單脈衝雷射在厚度為0.25mm的LD31薄板上一次衝出多個小孔的試樣圖。
1雷射發生器2雷射束3導光壁4全反射境5光斑調節裝置6聚焦裝置7柔性貼膜8工件9凹模10多軸聯動工作檯11工具機控制器12計算機13雷射器控制器具體實施方式
雷射發生器(1)產生能量在10～100焦爾、持續時間為8～80納秒的雷射脈衝束(2)，功率密度大於GW/cm2，經過光斑模式可以是基模、多模等多種模式，經過導光壁(3)、全反射境(4)，傳到光斑大小調節裝置(5)，調節聚焦裝置(6)上，光斑調節裝置(5)可調節聚焦裝置和板材之間的距離，得到所需光斑直徑，隨後雷射輻照在板材表面的能量轉化體的透明約束層、能量吸收塗層上，約束層約束等離子體的膨脹，提高等離子體衝擊波的壓力。能量吸收塗層吸收高能雷射後，迅速汽化、電離形成等離子體，等離子體繼續吸收雷射能量，形成爆轟波，作用在向金屬板材(8)上，在爆轟波的壓力和凹模(9)的共同作用下，材料(8)在凹模(9)孔口的區域從母體上脫開，即為所需成形的孔，由於多軸聯動工作檯(10)有三個坐標的移動和兩個轉動，可實現五軸聯動，從而可方便地對工件上任意位置進行孔成形。
如圖2所示，雷射發生器(1)產生能量為17.6J的雷射，脈衝形狀為準高斯模式，脈寬23ns，經過光斑調節裝置(5)和聚焦裝置(6)的共同影響下形成了直徑為8mm光斑，約束層為光學玻璃，能量吸收塗層為86-1型黑漆，在吸收了高能雷射(2)後，迅速汽化、電離形成等離子體，等離子體繼續吸收雷射能量，形成爆轟波強烈地作用在厚度為0.4mm的LD31鋁合金板材(8)上，當其峰值壓力超過板材(8)的動態斷裂極限，和直徑為φ6mm的凹模(9)共同作用，在LD31鋁合金板材成形成形直徑為φ6mm的孔。
如圖3所示，在雷射輻照之前，製造有相應位置和大小的孔的凹模(9)，貼有柔性貼膜(7)的工件(9)放在凹模(8)上。雷射發生器(1)產生能量為42J、的雷射，脈衝形狀為準高斯模式，脈寬23ns，經過光斑調節裝置(5)和聚焦裝置(6)的共同影響下在柔性貼膜(7)表面上形成了直徑為16mm光斑，柔性貼膜(7)吸收高能雷射(2)後，迅速汽化、電離形成等離子體，等離子體繼續吸收雷射能量，形成在LD31鋁合金板材(8)表面上作用力巨大的衝擊波，和凹模(9)共同作用，在厚度為0.25mm的LD31鋁合金板材(8)上一次成形多個小孔。
權利要求
1.一種基於雷射衝擊波技術的孔的成形方法，其特徵在於在工件上需要成形孔的位置上依次塗有能量吸收塗層、覆蓋透明約束層，兩者的面積比加工孔稍大，再根據待加工孔的形狀和尺寸大小，製造相應的、刃口鋒利的凹模(9)，將上表面貼有能量吸收塗層、透明約束層的工件(8)置於凹模上(9)，並使柔性貼膜(7)、工件(8)上待加工的孔和凹模(9)的三者中心重合，再將凹模(9)置於多軸聯動工作檯(10)上；根據所需要成形的孔的大小和形狀，確定光斑尺寸，根據以下的公式，確定雷射脈衝的能量P=10-9(2+3)12Z12(4Ed2)122Z=1Z1+1Z2]]>和Pdhdyn]]>其中，P(t)是衝擊波的壓力；d為園孔的直徑；α為與雷射脈衝和波長有關的常數；Z衝擊波的阻抗；Z1為工件阻抗；Z2為約束介質的阻抗；E為雷射脈衝的能量；β為吸收係數；τ為雷射脈衝的波長；h為工件的厚度；τdyn為工件的動態斷裂強度；雷射發生器(1)發出雷射束(2)通過導光管(3)、全反鏡(4)、光斑調節裝置(5)、聚焦裝置(6)，透過透明約束層作用在能量吸收塗層上，誘導雷射衝擊波產生，雷射衝擊波對工件(8)施加壓力，完成對工件(8)衝孔。
2.根據權利要求1所述的一種基於雷射衝擊波技術的孔的成形方法，其特徵在於約束層可以是光學玻璃、或水；能量吸收塗層可以選用市場購買的黑漆。
3.根據權利要求2所述的一種基於雷射衝擊波技術的孔的成形方法，其特徵在於能量吸收塗層、透明約束層可以選用柔性貼膜來替代；柔性貼膜由不同組分的兩組有機矽凝膠和添加劑按一定配比混合而形成的透明約束層以及能量吸收層組成，透明約束層採用GN-521有機矽凝膠，配比成分為有機矽凝膠的M 45～55％，有機矽凝膠N 50～35％，添加劑P 5-10％能量吸收層採用噴濺法塗覆於透明約束層上的86-1型黑漆透明約束層厚度為0.6mm～1.6mm，能量吸收層厚度為80μm～160μm。
4.一種基於雷射衝擊波技術的孔的成形裝置，由雷射發生器(1)、導光系統、工件夾具系統、控制系統；導光系統包含導光管(3)、全反鏡(4)、光斑調節裝置(5)、聚焦裝置(6)；工件夾具系統包含柔性貼膜(7)、工件(8)、凹模(9)、多軸聯動工作檯(10)；制系統由計算機(12)、工具機控制器(11)、雷射器控制器(13)組成；其特徵在於控導光管(3)一端連接著雷射發生器(1)，另一端正對著工件夾具系統，依次把全反射境(4)、光斑調節裝置(5)和聚焦裝置(6)連接起來；工件系統自上而下依次是柔性貼膜(7)、工件(8)、凹模(9)、最後是多軸聯動工作檯(10)；計算機控制著工具機控制器(11)，並聯合工具機控制器一起控制著雷射器控制器(13)，雷射控制器(13)控制著雷射發生器(1)，工具機控制器(11)控制著光斑調節裝置(5)和多軸聯動工作檯(10)。
5.根據權利要求3所述的一種基於雷射衝擊波技術的孔的成形裝置，其特徵在於光斑調節裝置(5)是指能夠自由伸縮的彈簧；聚焦裝置(6)是指凸透鏡。
全文摘要
一種基於雷射衝擊波技術的孔的成形方法，在工件上需要成形孔的位置上依次塗有能量吸收塗層、覆蓋透明約束層，兩者的面積比加工孔稍大，根據待加工孔的形狀和尺寸大小，製造凹模，將工件置於凹模上，並使能量吸收塗層、透明約束層、工件上待加工的孔和凹模的四者中心重合，再將凹模置於多軸聯動工作檯上；根據所需要成形的孔的大小和形狀，確定光斑尺寸和雷射脈衝的能量，雷射器發出雷射束通過導光管、全反鏡、光斑調節裝置、會聚裝置，透過透明約束層作用在能量吸收塗層上，誘導雷射衝擊波產生，雷射衝擊波對工件施加壓力，完成對工件衝孔。本發明具有加工孔徑範圍大，不僅可以打微小孔，還可以打大孔，加工成本低等一系列優點。
文檔編號B23K26/06GK1827284SQ20061003950
公開日2006年9月6日 申請日期2006年4月13日 優先權日2006年4月13日
發明者周建忠, 張興權, 張永康, 顧永玉, 楊超君, 倪敏雄 申請人:江蘇大學