CN100355515C - 激光冲击爆炸成形的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及快速成形的方法和装置，特别适合大变形量的小型复杂件的冲击成形，使激光冲击成形实用化得以实现。该装置由激光发生器及导光系统、混有炸药的吸收层材料、工件夹具系统、激光发生器控制装置和工作台控制装置组成。激光发生器产生的激光脉冲经导光系统照射到混有炸药的吸收层材料上，引起材料汽化产生冲击波，而激光的热效应和冲击波效应又使吸收层中的炸药发生爆炸产生爆轰波，工件在冲击波和爆轰波的联合作用下发生变形。通过工作台控制装置控制工件按预定轨迹一定，逐点冲击，实现工件精密成形。其大大增加了成形所需的冲击波峰压和有效作用时间，可以实现大变形量的冲击成形。

Description

激光冲击爆炸成形的方法和装置

技术领域：

本发明涉及快速成形领域，特指一种激光冲击爆炸成形的方法和装置，特别适用于各种金属板料的快速成形。

背景技术：

常见的各种激光冲击成形，因激光能量的有限因而其诱导的冲击波峰压不大且作用时间较短，不能直接满足激光冲击成形的需要。实际加工时常采用各种约束层来限制激光汽化物的膨胀，从而增加冲击波峰压和延长有效自由时间。从约束效果来看，玻璃约束层效果最好，但玻璃易为冲击波击碎，使激光冲击成形实用性降低。而以各种透明材料和水之类液体作为约束层，效果又不是太理想。基于上述原因，激光冲击成形的实用化一直没有太大进展。

与本发明最接近的技术是爆炸成形技术。爆炸成形是将炸药爆炸产生的能量，通过水、沙或空气等传压介质传播作用于金属毛料上，使毛料产生运动、变形，在有模或无模条件下形成所需形状零件的加工方法。爆炸成形可分为爆炸拉深和爆炸胀形两种，爆炸拉深可在有模也可在无模条件下进行，但爆炸胀形一般需要一个凹模。爆炸成形工艺设备简单，不需要凸模，凹模可以用金属材料，也可以用木材、石膏、水泥、环氧树脂、玻璃钢甚至冰等非金属材料制备。对一些单件或小批量的大型零件的生产可以大幅度地提高生产周期、降低生产成本。爆炸成形可以加工一些用常规方法不易加工的材料。对一些材强度很高的特种钢或弹性差、常规成形加工时容易破裂的材料，在高速变形条件，塑性变形能力有所提高，而且爆炸成形不使用金属冲头，毛料受力比较均匀，因而成形能力强。爆炸成形时，零件以很高的速度贴模、碰撞压力的，贴模压力一般高于成形材料的塑性极限，因此贴模后材料的弹性回弹小，成形零件的尺寸精度高。  爆炸成形虽然具有许多优点，但爆炸成形需要专用的爆炸场，且爆炸参数难以精确控制，因此成形可控性差。同时对于小型零件成形精度不高。而且安全性差。

发明内容：

本发明的目的是提供用于金属材料快速成形的激光冲击爆炸成形的方法和装置，它可以直接对工件进行加工成形，克服激光冲击成形受激光能量制约的局限，使激光冲击成形得以实用化，尤其是大变形量的冲击成形。

实施本发明的装置包括激光发生器、工件模具系统及工作台控制装置，工件模具系统由工件、模具、可控工作台组成，其特征在于在工件表面设有混有炸药的吸收层材料，并设有与激光发生器相连的激光发生器控制装置。

本发明所述方法的特征是在工件表面涂布或粘贴混合一定量炸药成分的吸收层材料并将工件安装到固定在工作台上的模具上，由激光发生器控制装置控制激光发生器按优化好的参数发出激光脉冲，激光束照射到吸收层上使吸收层汽化、电离产生冲击波，同时激光的热效应和冲击波效应引起吸收层中的炸药爆炸产生爆轰波，冲击波和爆轰波共同作用使工件变形。

其中吸收层材料由炸药颗粒和能量转换体混合制成或在炸药层表面涂布能量转换体制成或在炸药层表面涂布由炸药颗粒和能量转换体混合物而成。

通过工作台控制装置控制工作台按预定轨迹移动，逐点冲击，实现精密可控成形。

本发明的实施过程：

1.根据加工零件的尺寸形状，计算毛坯尺寸，并制作相应模具。

2.根据工件变形量制备吸收层材料，即工件变形所需能量要求，将激光能量转换体和所选炸药混合制成片状材料，或在片状炸药表面涂布能量转换体。

3.根据工件变形要求编制控制程序用以控制激光发生器和工作台。

4.将工件安装到模具上，并在工件表面贴上混有炸药的吸收层材料。

5.激光发生器产生的激光脉冲经导光系统照射到吸收层上，引起吸收层汽化、电离产生冲击波，同时激光的热效应和冲击波效应引起吸收层中炸药爆炸产生爆轰波，冲击波和爆轰波联合作用使工件发生变形。

6.根据工件变形要求，控制工作台移动，逐点冲击，直至加工完成。

本发明的优点在于将激光冲击成形和爆炸成形相结合，利用激光诱导的冲击波和炸药爆炸产生的爆轰波作为成形力源，大大增加了成形所需的冲击波峰压和有效作用时间，可以实现大变形量的冲击成形。摆脱了约束层的束缚，使激光冲击成形实用化得以实现。由于激光参数精确可控，且爆炸理论已发展成熟，因而可以通过控制激光参数和吸收层中炸药成分、含量实现精密成形。

附图说明：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是根据本发明提出的激光冲击爆炸复合成形装置的示意图。

图2是由炸药颗粒和能量转换体混合制成的吸收层材料示意图。

图3是在炸药层表面涂布能量转换体制成的吸收层材料示意图。

图4是在炸药层表面涂布由炸药颗粒和能量转换体混合物的吸收层材料示意图。

1激光发生器控制装置2激光发生器3激光束4吸收层材料5工件6模具7工作台8工作台控制装置9数字控制装置10计算机11能量转换体12炸药颗粒

具体实施方式：

下面结合图1说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

实施本方法的该装置包括激光发生器2、激光发生器控制装置1、混有炸药的吸收层4、工件模具系统及工作台控制装置8。工件模具系统由工件5、模具6、可控工作台7组成。

在工件5表面涂布或粘贴吸收层材料4并将工件5安装到固定在工作台7上的模具6上，由激光发生器控制装置1控制激光发生器2按优化好的参数发出激光脉冲，激光束3照射到吸收层4上使吸收层汽化、电离产生冲击波，同时激光的热效应和冲击波效应引起吸收层中的炸药爆炸产生爆轰波，冲击波和爆轰波共同作用使工件5变形。通过工作台控制装置8控制工作台7按预定轨迹移动，逐点冲击，实现精密可控成形。

激光发生器产生的能量在10～100焦耳，持续时间为8～80纳秒的激光脉冲，激光能量和光斑直径由激光发生器控制装置控制和调节，工作台由工作台控制装置控制，可以实现五轴联动，保证工件按各种预定轨迹移动，以满足复杂的变形要求。

根据工件形状要求，通过工作台控制装置控制工件按预定轨迹一定，逐点冲击，实现工件精确成形。

不同的工件变形量，所要求的力源大小也不一样，根据工件变形所要求的力源大小，可利用按图2、图3、图4所示制作的不同形式的吸收层材料，产生以激光冲击波为主、爆轰波为辅或以冲击波为辅、爆轰波为主的不同强度的力源。

运用激光冲击爆炸成形，由于吸收层中炸药含量很少，且添加了一些降低炸药感度的添加剂，因此安全性得到可靠保证。同时改变炸药含量、种类、吸收层厚度等可以满足各种变形量要求的力源。结合激光参数的调整，使工件变形精密可控。

Claims (4)

1.激光冲击爆炸成形的方法，其特征是在工件表面涂布或粘贴混合炸药成分的吸收层材料并将工件安装到固定在工作台上的模具上，由激光发生器控制装置控制激光发生器按优化好的参数发出激光脉冲，激光束照射到吸收层上使吸收层汽化、电离产生冲击波，同时激光的热效应和冲击波效应引起吸收层中的炸药爆炸产生爆轰波，冲击波和爆轰波共同作用使工件变形。

2.根据权利要求1所述的激光冲击爆炸成形的方法，其特征在于吸收层材料由炸药微粒和能量转换体混合而成。

3根据权利要求1所述的激光冲击爆炸成形的方法，其特征在于通过工作台控制装置控制工作台按预定轨迹移动，逐点冲击，实现精密可控成形。

4.实现权利要求1所述的激光冲击爆炸成形的方法的装置，其特征在于：包括激光发生器(2)、工件模具系统及工作台控制装置(8)，工件模具系统由工件(5)、模具(6)、可控工作台(7)组成，在工件(5)表面设有混有炸药的吸收层材料(4)，设有与激光发生器(2)相连的激光发生器控制装置(1)。

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