CN101518852A - 一种基于激光冲击多点复合成形的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械制造领域，特指一种激光冲击多点复合成形的方法和装置，其利用激光诱导的冲击波作为成形的力源，采用离散的多点模作为凹模或凸模，实现激光冲击凹模仿形或预应力冲击成形。装置包括激光发生器、导光系统、激光冲击头、多点模系统、控制系统，并设有带位移测量装置的检测反馈系统。根据板料的曲面形状和成形规律的要求，优化激光冲击工艺参数，调整多点模的基本体群的高度，板料在冲击波和多点模的联合作用下发生变形。本发明特别适合于金属板料大变形量、大面积的精密冲击成形，尤其是具有复杂曲面形状的板料成形。

Description

一种基于激光冲击多点复合成形的方法和装置

技术领域

本发明涉及机械制造领域，特指一种激光冲击多点复合成形的方法和装置，其适应于金属板料的大变形量、大面积复杂曲面精密冲击成形，也适应于金属板料的微细加工成形，特别适合常规方法难以成形或根本无法成形的材料，如结构钢、镁合金、钛合金、复合材料等。

背景技术

金属板料成形作为板件直接投入消费前的主要深加工方法，已在整个国民经济中占有十分重要的地位。对于一些小批量、高质量的多曲率工件，如飞机蒙皮、样车的覆盖件、船体及压力容器外壳等，快速、经济的成形方法要求越来越强烈。对于传统的板材成形而言，模具的制造、修复占据了工件较多的制造时间及制造费用，加工柔性差。因此一些新型的无模成形技术应运而生，如：喷丸成形、数字化渐进成形、无模多点成形、激光热应力成形、激光冲击成形等。这些技术都是在数控系统的支撑下，实现板料的无模成形，具有很大的柔性。他们克服了传统模具成形的不足，节省了模具制造费用与时间。

激光冲击成形是利用强激光的力学效应来实现金属板料的冷塑性变形的一种新型柔性的成形方法，当高功率密度、短脉冲的强激光束照射到涂覆在金属板料表面上的能量转换体时，能量转换体吸收高能激光后瞬间汽化，汽化后的蒸汽吸收激光能量形成等离子体，等离子体继续吸收能量发生爆炸，形成爆轰波，结果施与靶面一个冲击载荷，从而形成冲击波传入材料内部，当冲击波压力超过金属板料的动态屈服极限时，板料就发生拉胀式塑性变形。

多点成形技术的基本原理就是用一系列离散的、规则排列的、高度可调的基本体群构造出的离散曲面组成凹模或凸模来代替传统模具，通过对各基本体运动的控制，自由地构造出各种成形面，实现板材三维曲面成形。多点成形是一种无模成形方法，可以自由地构造出各种复杂的成形面，实现柔性加工的特点，大大节省了模具设计与制造费用，加速了产品的更新换代，提高了生产效率。

经检索，专利申请号为03132626.9的中国专利“板材柔性多点曲面成形模具装置”，提出用弹性凸模组件代替多点成形中的上模，凹模组件作为下模，凸模组件由承压板和至少二个弹性模体组成，凹模组件由弹性垫板、护板和若干个能上下调节的小模组成。具体实施方式为：根据所需成形工件的曲面形状，调节各小模的高度，从而形成所需的凹形型腔，并依此型腔形状对弹性模体的尺寸进行合理的选择和布排，然后把板料设置在弹性模体与弹性垫板之间。成形时，压力机上滑块向下运动，通过承压板作用在弹性模体后，弹性模体变形，并将压力机的作用力传递到板料及护板，随着上滑块的进一步下移，弹性模体继续被压缩，其施加的压力不断增加，使得护板与构成曲面型腔的所有小模的上顶部逐渐接触，完成成形。其缺点是：板材在成形过程中由于无压边，容易出现起皱、失稳、划痕质量问题。专利申请号为01134063.0的中国专利“一种激光冲击精密成形方法及装置”，提到激光冲击薄板凹模仿形，将覆盖能量转换体的工件夹紧在凹模上，根据板料成形尺寸大小，可采用单点单次或多次冲击或多点分布冲击形式实现局部胀形。其可节约一半模具，缺点是依然需要传统模具，模具的设计制造费用较高，准备周期较长，加工依然不够灵活，只能适应单种型面的成形。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺点，提供一种板料激光冲击多点复合成形的方法和装置，实现激光精密冲击成形，降低模具设计与制造费用，提高成形效率和精度，并使板料表面形成一定的残余压应力，其适合于金属板料大变形量、大面积的精密冲击成形，尤其是具有复杂曲面形状的板料三维立体成形。

本发明方法的特征是将激光诱导的冲击波作为板料成形力源，用一系列离散的、规则排列的、高度可调的基本体群构造出的离散曲面组成凹模或凸模来代替传统模具，通过对各基本体高度的控制，自由地构造出各种成形面。当多点模形状为凹模时，为激光冲击凹模仿形，当多点模形状为凸模时，为预应力冲击成形。

本发明采用大功率脉冲激光器，产生的能量为10～100焦耳、持续时间为8～80纳秒，通过改变激光脉宽、重复频率、能量、光斑直径等激光参数来调整冲击波压力，激光冲击时光斑对应基本体位置冲击，通过控制冲击位置和各点冲击力的大小，就可获得不同的变形量。根据加工零件的曲面形状，通过计算机模拟出应力场和板料变形量，优化出作用在板料表面的冲击波压力，调整基本体群的高度获得离散的曲面形状，在基本体群上覆盖一层聚氨酯橡胶垫，聚氨酯橡胶垫可以使作用于板材下表面的压力均匀，避免表面出现凹凸不平的现象，使工件表面顺滑。由于采用五轴联动工作台，可实现对板料各个方向冲击，在冲击过程中位移测量装置把位置和板料变形量信号反馈到中央控制处理器，并与计算机里的数字化工件成形形状数据进行对比，发出反馈指令给工艺过程中的各参数的控制系统，调节冲击工艺参数，实现板料精确的局部成形或大面积整体成形。

实施该方法的装置包括激光发生器、导光系统、激光冲击头、多点模系统、控制系统。激光发生器经导光系统连接冲击头，其中导光系统由导光管、全反镜组成。

多点模系统包括覆盖能量转换体的工件、多点模、工作台，工件板料装夹在多点模中，多点模安装在数控工作台上，工作台根据数控系统控制器的指令实现三轴移动和两轴转动，满足冲击过程所需的运动要求。

控制系统由数控系统控制器、激光控制器、中央控制处理器、检测反馈系统组成，由中央控制处理器分别控制数控系统控制器、激光控制器、检测反馈系统。

激光发生器发出的激光经导光系统连接激光冲击头，在激光控制器的控制下对板料实施冲击动作，同时多点模系统在数控系统控制器的控制下作多轴运动，以获得所需形状；激光冲击头、数控系统控制器、激光控制器、检测反馈系统与中央控制处理器相连，从而实现对整个系统工作过程的有效控制。

本发明实施过程如下：

(1)根据加工零件尺寸形状，展开计算毛坯尺寸，激光切割板料至所需毛坯形状。根据加工零件曲面形状的要求，调整多点模的基本体群的高度，形成离散的曲面形状，基本体群上覆盖一层聚氨酯橡胶垫，然后将表面覆盖能量转换体的工件装夹在多点模中；

(2)根据零件形状和工件板料的材料性能，编制数控加工程序用于控制系统，以控制激光发生器、冲击头、工作台；

(3)激发高能脉冲激光，照射在能量转换体表面，能量转换体吸收高能激光后迅速汽化、电离、形成等离子体爆炸，产生高副冲击波压力作用在工件表面，以此作为板料塑性成形的变形力。通过改变激光脉冲宽度、重复频率、脉冲能量、光斑直径以及激光光斑模式，可获得不同大小的塑性变形力；

(4)根据选定的脉冲激光参数，冲击轨迹以及冲击次数，通过控制五轴联动工作台进行有序地施加应力脉冲，实现板料精确的大面积冲击成形或局部成形；

(5)通过设置带位移测量装置的检测反馈系统，测量板料冲击成形过程中板料的变形量，把信息反馈给中央控制处理器，并与计算机里的数字化工件成形形状数据进行比较，发出反馈指令给工艺过程中的各参数的控制系统，调节冲击工艺参数，实现预期冲击成形。

本发明的优点在于利用激光诱导的冲击波作为成形的力源，采用离散的多点模作为凹模或凸模，实现激光精密冲击成形。用高度可调的基本体群构造出的离散曲面组成凹模或凸模来代替传统模具，可方便地组合出各种曲面形状，实现柔性加工的特点，大大节省了模具设计与制造费用，加速了产品的更新换代，提高了生产效率。因为激光参数精确可控，多点模形状可自由改变，所以重复性好、灵活性大、易实现自动化生产。本发明可以克服激光冲击中大的变形量无法保证尺寸精度，板料复杂曲面无法保证轮廓精度等缺点，可实现板料大变形量、大面积的精密冲击成形，尤其是具有复杂曲面形状的板料成形。本发明也可以完成金属板料的微细结构成形。

附图说明

图1激光冲击多点复合成形方法和装置的示意图

图2激光冲击多点复合成形原理图

图3马鞍形板件激光冲击多点复合成形示意图

图4预应力激光冲击多点复合成形示意图

1.激光发生器，2.导光管，3.激光束，4.全反镜，5.激光冲击头，6.多点模系统，7.工作台，8.数控系统控制器，9.激光控制器，10.中央控制处理器，11.检测反馈系统，12.能量转换体，13.工件，14.上夹板，15.下夹板，16.聚氨酯橡胶垫，17.基本体群，18.支架，19.下模板

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

图1所示，该装置包括一个激光发生器(1)和导光系统、激光冲击头(5)、多点模系统(6)、控制系统。激光发生器(1)产生的能量为10～100焦耳、持续时间为8～80纳秒的脉冲激光，激光束(3)的光斑模式可以是基模、多模等多种模式，其由激光控制器调节和控制，由激光发生器(1)产生的激光束(3)经导光系统由激光冲击头(5)冲击到工件(13)上；导光系统包括导光管(2)、全反镜(4)；激光冲击头(5)内设有聚焦镜，通过调节冲击头与工件的距离，可改变光斑直径的大小；多点模系统(6)包括覆盖能量转换体(12)的工件(13)、多点模、工作台(7)，其中多点模由上夹板(14)、下夹板(15)、聚氨酯橡胶垫(16)、基本体群(17)、支架(18)、下模板(19)组成；控制系统由数控系统控制器(8)、激光控制器(9)、中央控制处理器(10)、检测反馈系统(11)组成。激光冲击头(5)、数控系统控制器(8)、激光控制器(9)、检测反馈系统(11)分别与中央控制处理器(10)相连。该装置可实现三轴移动和两轴转动，从而实现五轴联动，对工件进行三维立体冲击成形。

图2为激光冲击多点复合成形原理图，根据板料的曲面形状和成形规律的要求，调整多点模的基本体群(17)的高度，在基本体群(17)上覆盖一层聚氨酯橡胶垫(16)，工件(13)固定在多点模上，多点模固定在图1的工作台(7)上。经图1中导光系统输出的激光束(3)从激光冲击头(5)发出，作用于黏附在工件(13)上的能量转换体(12)上，能量转换体(12)吸收高能激光后，迅速汽化、电离成等离子体，等离子体继续吸收激光能量，形成爆轰波，产生向金属板料工件(13)内部传播的高幅冲击波，因其峰值压力远远大于金属板料的动态屈服强度，使金属板料产生塑性变形，结合多点模获得所需变形量。在冲击过程中位移测量装置把位置和板料变形量信号反馈到中央控制处理器(10)，并与计算机里的数字化工件成形形状数据进行对比，中央控制处理器(10)发出反馈指令给工艺过程中各参数的装置和控制系统(5、8、9)，调节脉冲激光能量、光斑直径大小等参数，数控系统控制器(8)发出数控指令控制五轴联动工作台作多轴运动，实现板料精确的局部成形或大面积整体成形。

图3为马鞍形曲面形状粗冲成形时激光光斑作用位置的布局形式。调整多点模的基本体群(17)的高度成离散的马鞍形曲面，每一个光斑作用位置对应一个基本体，也即激光冲击时，激光光斑是对应基本体的位置进行冲击的。粗冲成形时激光冲击头(5)作垂直于板料方向的冲击，光斑冲击的位置和激光冲击头所走轨迹由控制系统控制，粗冲成形完成马鞍形板料基本轮廓形状，各次冲击后相邻的光斑搭接区会出现局部的凸起。粗冲成形后，由检测反馈系统(11)检测曲面轮廓，反馈到中央控制处理器(10)求解搭接区空间法向矢量，中央控制处理器调节控制冲击头与工作台(7)相对倾斜角度，采用适当的工艺参数沿轮廓上各法向矢量精冲成形，实现局部微细的定量精确成形，从而更有利于提高冲击成形的精度及降低表面粗糙度，使成形面光滑。

图4为预应力激光冲击多点复合成形原理，根据成形面形状，调整基本体群高度给板料施加一预应力，使板料产生一定的弹性变形。由检测反馈系统(11)检测各基本体位置的曲面轮廓，反馈到中央控制处理器(10)求解出空间法向矢量，控制系统不断调整冲击头与工作台相对倾斜角度和位置，采用适当的冲击工艺参数沿轮廓上各法向矢量逐点冲击，使板料发生塑性变形。

本装置也可应用于板料的柔性校平。调整基本体群至相同的高度，由在线检测反馈系统检测板料的表面轮廓形状，反馈到中央控制处理器，根据反馈的数据不断调整激光冲击各参数逐点冲击，从而实现板料的柔性校平。

冲击形式和控制方式的变化，多点模形状的变化都可实现不同的成形方式，这里仅阐明它的技术方案和部分实施例。

Claims (8)

1.一种基于激光冲击多点复合成形的方法，其特征在于，将激光诱导的冲击波压力作为板料成形力源，采用离散的多点模作为凹模或凸模；改变激光脉宽、重复频率、能量、光斑直径来调整冲击波压力的大小；数控系统控制器(8)控制工作台(7)和激光冲击头(5)相对位置，激光冲击时光斑对应基本体位置冲击，通过控制冲击位置和各点冲击力的大小，获得精确的工件轮廓。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击多点复合成形的方法，其特征在于，用一系列离散的、规则排列的、高度可调的基本体群(17)形成预定的曲面形状，结合聚氨酯橡胶垫(16)实现精密冲击成形。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击多点复合成形的方法，其特征在于，所述多点模形状为凹模时，为激光冲击凹模仿形。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击多点复合成形的方法，其特征在于，所述多点模形状为凸模时，为预应力冲击成形。

5.一种基于激光冲击多点复合成形的装置，包括激光发生器(1)、导光系统、激光冲击头(5)、多点模系统(6)、控制系统，其特征在于，所述导光系统由导光管(2)、全反镜(4)组成；所述多点模系统(6)由覆盖能量转换体(12)的工件(13)、多点模、工作台(7)组成；所述控制系统由数控系统控制器(8)、激光控制器(9)、中央控制处理器(10)、检测反馈系统(11)组成，由中央控制处理器(10)分别控制数控系统控制器(8)、激光控制器(9)、检测反馈系统(11)。

6.根据权利要求5所述的一种基于激光冲击多点复合成形的装置，其特征在于，所述多点模由上夹板(14)、下夹板(15)、聚氨酯橡胶垫(16)、基本体群(17)、支架(18)、下模板(19)组成，设有聚氨酯橡胶垫(16)，用一系列离散的、规则排列的、高度可调的基本体群(17)构造出的离散曲面组成凹模或凸模来代替传统模具。

7.根据权利要求5所述的一种基于激光冲击多点复合成形的装置，其特征在于，所述激光发生器(1)发出的脉冲激光经导光系统连接激光冲击头(5)；激光发生器(1)与激光控制器(9)相连；多点模系统(6)与数控系统控制器(8)相连；激光冲击头(5)、数控系统控制器(8)、激光控制器(9)、检测反馈系统(11)分别与中央控制处理器(10)相连。

8.根据权利要求5所述的一种基于激光冲击多点复合成形的装置，其特征在于，设有带位移测量装置的检测反馈系统(11)。

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