CN101214581A

CN101214581A - 板材激光软模成形方法及其专用装置

Info

Publication number: CN101214581A
Application number: CN 200810014019
Authority: CN
Inventors: 季忠; 刘韧; 王佃刚; 刘晓军; 宿庆财
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2008-07-09

Abstract

本发明公开了一种板材激光软模成形方法及实现该方法的专用设备。该方法是将激光作用于板材形成凸模，以弹性材料作软模，使板材变形的方法。具体是指，在约束层的作用下，将激光作用于板材表面覆盖的能量吸收层产生等离子爆轰波，等离子爆轰波作为凸模进而作用于板材，以弹性材料作软模，使板材塑性变形的方法。实现该方法的专用设备由激光发生器系统、模具系统、工作台系统构成。通过该方法，一种模具可适合多种工件成形，模具制造、调整容易，并能增加材料变形程度，减小工件回弹，保证工件质量，提高工件的抗疲劳和耐蚀性能。该方法特别适合金属或非金属薄板的精密成形，也可用于微器件制造、微电子封装等领域。

Description

板材激光软模成形方法及其专用装置

技术领域

本发明属于先进制造领域，具体是涉及一种板材激光软模成形方法及实现该方法的专用设备。

背景技术

板材的塑性成形方法很多，包括冲压、喷丸成形、爆炸成形等。最常见的是冲压成形生产各种钣金件，其缺点是模具费用高，生产周期长，同时由于受应力状态等因素的影响，成形极限受到限制，成形后的表面强度通常也会降低。喷丸成形是利用球丸高速冲击材料表面使之发生塑性变形，能够在材料表层形成残余压应力，从而改善工件的抗疲劳性能，但工件表面形貌质量差，工艺过程难以控制。爆炸成形是利用高能炸药爆炸产生的冲击波成形，所用模具较为简单，但可控性和成形精度都很差，危险程度高。

美国加州大学Hackel Lloyd申请的专利“Contour Forming of Metals by LaserPeening”(专利号WO0105549)，提出通过激光冲击板材表面，利用其残余应力释放产生微曲度进行微变形，通过多次冲击使微曲度累积，便可获得更大的变形量。中国专利文件CN101020276公开了“基于大光斑单次激光冲击的薄板半模精密成形方法”(申请号200610161353.5)，该方法利用脉冲激光冲击工件表面的柔性贴膜，使其气化电离并形成冲击波而压向工件，该冲击波压力大于材料的塑性变形抗力，加上成形半模的作用，最终得到与半模形状一致的精确的塑性成形试样。

对于上述两项专利文献公开的技术内容，后者与前者不同，它不同于应用残余应力释放弯曲成形中局部冲击不产生明显塑性变形而只是宏观材料变形，然后通过逐点冲击和有序的冲击点分布获得大面积复杂形状。但后者亦有明显的缺点：其一是，在成形过程中，板材与半模之间的摩擦会影响工件的表面质量；其二是，板材进入半模型腔后的变形类似于胀形，这种拉-拉应力状态容易引起材料的开裂，从而影响材料的成形极限，所以该方法仅适合于单次激光冲击制作较浅的工件；其三是，半模型腔及通气孔的制造(特别是在加工微成形所用的微模具时)较为复杂等。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种成本低、快捷、精密、可重复，并可用于常规难成形材料的板材激光软模成形方法及其专用装置。

具体来说，本发明的板材激光软模成形方法，是一种将激光作用于板材形成凸模，以弹性材料作软模，使板材变形的方法。优选的技术方案是，在约束层的作用下，将激光作用于板材表面覆盖的能量吸收层产生等离子爆轰波，等离子爆轰波作为凸模进而作用于板材，以弹性材料作软模，使板材塑性变形的方法。

更为优选的技术方案是，将激光发生器2发出的激光束3作用于板材6表面覆盖的能量吸收层5产生等离子爆轰波，在约束层4的作用下，等离子爆轰波作为凸模进而作用于板材6，在弹性材料软模7的作用下，使板材6塑性变形的方法。

弹性材料软模所需材料优选为聚胺脂橡胶。所述能量吸收层可以是漆、石墨、金属涂层或金属镀膜等。所述约束层对任何波长的激光接近透明，优选为水。

本发明实现板材激光软模成形方法的专用装置，由激光发生器系统、模具系统、工作台系统构成。所述激光发生器系统包括激光发生器控制系统1和激光发生器2，所述模具系统包括约束层4、能量吸收层5和软模7，所述工作台系统包括沿X和Y方向移动的工作台8和工作台控制装置9。

由上述描述看出，该成形方法的特征在于由激光发生器发出的激光束作用于板材表面覆盖的能量吸收层，吸收层电离气化并形成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量而爆炸，爆炸导致的冲击波作用于板材，板材背面有一层用聚胺脂橡胶等弹性材料做成的衬垫作为成形时的凹模，在激光束与弹性凹模的作用下，材料快速产生塑性变形。通过改变激光能量、脉冲宽度、光斑直径等参数，来调整冲击压力和成形半径的大小，而不必调整凹模的形状和尺寸，便可获得不同尺寸规格的工件。由于软模的弹复时间比激光脉宽大得多，所以也可以通过多脉冲连续重复冲击，得到深拉深工件。

本发明的重要技术特征在于由激光发生器2发出的激光束3作用于板材6表面覆盖的能量吸收层5，吸收层电离气化并形成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量而爆炸，在约束层4的作用下，爆炸导致的冲击波作用于板材，板材背面有一层用弹性材料做成的衬垫作为成形时的凹模(软模7)，在激光束与软模7的作用下，材料快速产生塑性变形。

通过该方法，一种模具可适合多种工件成形，模具制造、调整容易，并能增加材料变形程度，减小工件回弹，保证工件质量，提高工件的抗疲劳和耐蚀性能。该方法特别适合金属或非金属薄板的精密成形，也可用于微器件制造、微电子封装等领域。

本发明的技术优势在于：

(1)装置所采用的软模仅是一块弹性垫板，在成形过程中该软模起成形凹模的作用，并不事先带有与要加工的零件形状一致的型腔；同时，由于成形时，板材与弹性软模是贴合一起的，中间没有或仅有极少量的空气，所以也不必加工通气孔。模具结构非常简单，成本低。

(2)由于软模不带有与要加工的零件形状一致的型腔，所以该软模可以适用于不同光斑大小、不同能量、不同脉冲宽度的激光束，也适用于不同材料、不同厚度的板材。模具准备周期短，加工柔性大。

(3)由于软模不带型腔，所以不存在激光束与凹模的对中问题，模具装配调整容易，工件在成形过程中不会发生偏斜，易于保证工件质量。

(4)在成形过程中，板材在冲击力的作用下压向弹性软模，板材与该软模紧密贴合着进行变形，仅有极小的相对滑动，所以不会产生工件擦伤，从而保证工件的表面质量。

(5)由于板材与软模紧密贴合着进行变形，从而减轻了工件侧壁的拉应力，提高传力区的承载能力，增加变形的均匀性，提高板材的变形程度，其极限变形系数比冲压成形或常规激光冲击成形小得多。

(6)由于板材与软模紧密贴合着进行变形，所造成的压应力状态，能够减少工件的回弹变形，易于精密成形。

(7)板材激光软模成形是高应变率快速成形，融材料改性强化与成形于一体，能够显著提高材料的机械性能；工件所形成高幅值残余压应力，工件的抗疲劳强度和耐腐蚀性能得以明显提高。

(8)将双层或多层板材重合在一起(其它板材可以带孔或不带孔)，进行激光软模成形，可以将板材铆合在一起，从而使该成形方法演变为一种材料连接方法。

附图说明

图1是板材激光软模成形装置示意图。

图2是板材激光软模成形过程中模具部分的剖面示意图。

图3是成形工件示意图，该图是图2中所获工件的倒置图。

其中：1.激光发生器控制系统；2.激光发生器；3.激光束；4.约束层(可以是水)；5.能量吸收层(可以是漆、柔性贴膜或金属涂层)；6.板材；7.软模(可以是聚胺脂橡胶等其他弹性材料)；8.工作台；9.工作台控制装置。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的技术方案的细节和工作情况。

图1为用本发明进行板材激光软模成形装置的示意图，包括依次相连的激光发生器控制系统1、激光发生器2、由激光发生器2发出的激光束3；模具系统包括约束层4、能量吸收层5、板材6、软模7；工作台系统包括沿X和Y方向移动的工作台8，以及工作台控制装置9。

激光发生器产生脉冲激光束，激光束3的能量、激光模式、光斑大小、脉冲个数由激光发生器的控制系统1调节和控制。

模具系统的约束层4可以是水，其目的是限制等离子体的发散并使其产生的冲击波朝向工件。约束层的组成和厚度取决于激光的种类、板材的厚度、预计使工件变形的能量和压力、预计变形的尺寸。如用水作约束层时，冲击应力可达到1.7～3.5GPa。约束层对于所应用的激光是透明的，激光束透过时无明显能量损失。

能量吸收层5可以是漆、柔性贴膜、也可以是金属涂层。能量吸收层在激光照射时会电离气化形成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量从而转变为使工件变形的等离子冲击波。能量吸收层的组成和厚度取决于激光的种类、板材的厚度、使工件变形的能量和压力、预计变形的尺寸。例如在铜板上产生微尺度形变时，能量吸收层可能是黑色有机漆；当在硅基材料上产生微尺度形变时，能量吸收层可能是铝或铜的涂层或镀膜，这些膜可以通过喷溅或化学气相沉积法覆盖在工件上。在中尺度或通常的宏观变形情况下，黑漆或石墨也可作为能量吸收层。能量吸收层的成分和厚度影响其气化形成的等离子体的能量和压力。例如，20微米厚的铜板变形需要20-40微米厚的石墨吸收层，但用金属涂层或金属镀膜作吸收层时，吸收层的厚度只需要15微米。

板材6上覆盖着能量吸收层5的那一面朝向激光束3，而软模具7安全固定在工件另一面。板材贴近模具，中间没有间隙。软模7通常用聚胺脂橡胶加工而成，也可采用其它聚合物等弹性材料。软模7上并没有加工型腔，但当等离子体爆炸产生的冲击波压向工件时，工件压向软模，使软模产生弹性凹坑，充当型腔的作用，如图2所示。同一软模可以适应于不同能量、不同光斑大小、不同脉冲宽度的激光束，也可适应于不同材料、不同厚度的板材。所获得的工件的形状和尺寸决于激光的工艺参数、板材、弹性软模的力学性能。

板材6可以是铝、铜、钢等金属材料，也可以是塑料、硅、陶瓷等非金属材料。可以是塑性好的材料，也可是脆性、难成形的材料。

模具系统固定在工作台8上，工作台可以在X、Y方向移动，用于调整模具与激光束3的相对位置。工作台8的移动由控制装置9来控制。

图3是成形工件示意图，该图是图2中工件的倒置图。激光束3通过一个或多个脉冲作用于板材使其达到最终工件形状。虽然软模事先并不带有型腔，但圆形光斑作用于吸收层时所产生的等离子体是呈轴对称形状并向各个方向扩散的，所生成的工件也呈轴对称状。

板材激光软模成形的步骤包括：开始→选择板料和软模具→将能量吸收层覆盖在工件上→调整工件和模具的位置→在能量吸收层上覆盖约束层→将一个或多个激光脉冲作用于工件→移去模具→清洗工件→结束。

Claims

1.板材激光软模成形方法，其特征在于，它是一种将激光作用于板材形成凸模，以弹性材料作软模，使板材变形的方法。

2.权利要求1所述板材激光软模成形方法，其特征在于，它是一种在约束层的作用下，将激光作用于板材表面覆盖的能量吸收层产生等离子爆轰波，等离子爆轰波作为凸模进而作用于板材，以弹性材料作软模，使板材塑性变形的方法。

3.权利要求1所述板材激光软模成形方法，其特征在于，它是一种将激光发生器(2)发出的激光束(3)作用于板材(6)表面覆盖的能量吸收层(5)产生等离子爆轰波，在约束层(4)的作用下，等离子爆轰波作为凸模进而作用于板材(6)，在弹性材料软模(7)的作用下，使板材(6)塑性变形的方法。

4.权利要求1-3任一所述板材激光软模成形方法，其特征在于，所述弹性材料软模为聚胺脂橡胶。

5.权利要求2或3所述板材激光软模成形方法，其特征在于，所述能量吸收层为漆、石墨、金属涂层或金属镀膜。

6.权利要求2或3所述板材激光软模成形方法，其特征在于，所述约束层对任何波长的激光接近透明。

7.权利要求2或3所述板材激光软模成形方法，其特征在于，所述约束层为水。

8.实现板材激光软模成形方法的专用装置，其特征在于，该装置由激光发生器系统、模具系统、工作台系统构成。

9.权利要求8所述实现板材激光软模成形方法的专用装置，其特征在于，所述激光发生器系统包括激光发生器控制系统(1)和激光发生器(2)，所述模具系统包括约束层(4)、能量吸收层(5)和软模(7)，所述工作台系统包括沿X和Y方向移动的工作台(8)和工作台控制装置(9)。