CN102009268A - 一种激光间接复合微塑性成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光间接复合微塑性成形装置，属于激光加工微机电系统(MEMS)零件技术领域。装置由激光加载系统、成形系统、控制系统组成；方法利用脉冲激光驱动飞片高速运动，飞片运动一段距离后与特制复合微模具上的靶材工件发生高速碰撞，碰撞后的靶材工件具有高能动量，在飞片与特制复合微模具之间受到挤压。由于靶材工件受到特制复合微模具的限制，靶材工件在挤压过程中便复制出特制复合微模具的形状。特制复合微模具上具有阵列的凹模和凸模，使得靶材工件在一次的冲击成形过程中实现拉深、冲孔和切边的复合过程以及批量成形，根据靶材工件的成形和数量要求设计特制复合微模具上凹模和凸模，实现不同成形要求下靶材工件的批量成形。

Description

一种激光间接复合微塑性成形装置及方法

技术领域

本发明属于激光加工微机电系统(MEMS)零件技术领域，特指激光复合微塑性成成形方法和装置。

发明背景

随着电子产品、生物、医疗器械以及微机电系统的迅速发展，具有轻、薄、短、小、多功能特点的微型产品需求量不断增加，与之相关的微型金属零部件的加工也显得越来越重要，带动了金属微成形技术的发展。通过微成形制造的微型金属产品广泛应用在自动化、医疗卫生、航空航天、电信电子、精密仪器和国防等多个领域，微型化使得微机电系统(MEMS)在精度、热变形、振动和速度等方面具备更优异的性能和功能，微型化成了当代科技发展的一个重要方向。

基于传统塑性成形方法的微成形工艺仍然有其局限性，微成形装置的体积一般都比较小，使得其内部结构相比于传统的成形设备更加复杂，由于零件要求的精度很高，这使得制造微成形装置较为困难。目前的微成形装置存在加工操作难度较高，加工效率较低的问题，同时准静态塑性微成形受到尺度效应的影响，材料成形能力下降，难以满足一些高硬度高脆性难成形材料的加工，使其在工业生产中受到很多的限制。

因此，国内外众多学者开始在传统微成形的基础上积极寻找新的微成形工艺，以解决目前微成形存在的问题，而近年来迅速发展的激光加工技术为我们解决这一难题提供了研究基础。由于激光加工质量好，加工精度高，激光能量密度高，可以瞬间完成加工，能够成形常规方法难以加工的材料，与传统加工方式相比，加工质量显著提高。将激光加工技术应用在微小零件的加工上已逐渐提到日程上来。

申请号为01134063.0的中国专利一种激光冲击精密成型方法及装置，具有利用激光冲击技术实现常规方法难以成形的或者无法成形的材料成形。申请号为200610161633.6的中国专利激光冲击成形强化系统，具有激光冲击波参数与靶材工件轨迹的精确控制的特点。专利一种激光冲击精密成型方法及装置和专利激光冲击成形强化系统是利用激光直接冲击成形技术加工微小零件的，在加工零件的过程中会存在激光能量分布不均，实验的可重复性不高等缺点。本发明采用激光驱动飞片加载技术，相对于激光直接冲击加工技术有着独特的优势。在本发明中，利用激光驱动飞片实现飞片的高速飞行，高速飞行的飞片随后载靶材工件，使得靶材工件中产生极高的压力和应变率。另外，飞片在加载过程中产生的冲击波压力具有较高的平面性，完整性和可重复性。激光驱动飞片加载靶材工件的作用时间只有几十个纳秒，成形压力达到GPa，大大超过金属材料的动态屈服强度，不仅能够实现常规成形方法难以成形的材料的加工，而且还拓展了冷冲压成形的零件范围，在一定程度上能够提高成形能力，细化材料晶粒，增强成形后靶材工件的表面硬度。

以激光作为力源加载于飞片并冲击靶材工件的微成形方法及其装置有两种：一是申请号为200810023264.3的中国专利一种微器件的激光冲击微体积成形方法和装置，具有可以实现微尺度下常规方法难以成形或无法成形的复杂器件的微体积成形。二是发明专利申请号为200810019367.2的中国专利强激光冲击微塑性成形的方法及其装置，具有可以实现大面积微纳尺度的三维成形，具有制造的快速性和可重复性等特点。专利一种微器件的激光冲击微体积成形方法和装置和专利强激光冲击微塑性成形的方法及其装置一是不能解决被加工靶材工件在加工过程中的拉深、切边和冲孔等工艺的复合工艺过程，不能实现单一零件的批量化生产，二是飞片是金属薄膜在激光的冲击和剪切作用形成的，激光能量的利用率较低。首先，本发明继承了上述两种方法及装置的优点，不仅可以实现大面积微纳尺度三维成形，具有制造的快速性和可重复性等特点，而且在此之上提出了利用复合微模具的成形效应，设计了特制复合微模具，可以实现飞片在一次的冲击加载过程中完成对靶材工件的拉深、切边和冲孔的复合工艺。因为特制微模具上具有按一定数量、次序排列的复合模，所以在一次冲击过程中便可完成对靶材工件的批量成形，降低了生产成本。其次，本发明利用水或硅油将飞片粘贴在光学介质上，激光能量可以直接传递给飞片，避免了能量损失在激光剪切金属薄膜形成飞片上，提高了激光能量的利用效率，使得飞片在激光能量相同的情况下获得更高的加载速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提高激光能量的利用效率，实现快速、可重复制造的大面积微纳尺寸的工件，飞片在一次的冲击加载过程中完成对靶材工件的拉深、切边和冲孔，且能实现工件的批量成形。

本发明的技术方案是，利用脉冲激光驱动飞片高速运动，飞片运动一段距离后与特制复合微模具上的靶材工件发生高速碰撞，在碰撞过程中靶材工件具有了一定的动量，且在飞片与特制复合微模具之间受到挤压。由于靶材工件受到特制复合微模具的限制，靶材工件在挤压过程中便复制出特制复合微模具的形状。特制复合微模具上拉伸凹模、切边凹模和冲孔凸模。切边凹模是一个环形凹腔，环绕在拉伸凹模凹腔边缘外围，冲孔凸模位于拉伸凹模凹腔内部。拉伸凹模、切边凹模和冲孔凸模同轴。拉伸凹模具有圆角边缘，切边凹模和冲孔凸模具直角边缘，在飞片加载过程中，拉深凹模对靶材工件起到拉深作用；切边凹模对靶材工件起到切边作用；冲孔凸模对靶材工件起到冲孔作用，特制复合微模具上的凹模、凸模的形状和尺寸可根据所需得到成形工件的形状和成形要求来设计。这样在高速运动飞片的一次冲击过程中便实现了对靶材工件的拉深、冲孔与切边的复合工艺过程。在特制复合微模具上，确定位置关系的一组拉伸凹模(18)、切边凹模(19)和冲孔凸模(20)构成特制复合微模具(17)上一组复合模，所述复合模按照N×M成阵列排列，N和M数量按照所需生产零件数量确定，并根据N×M阵列面积的大小调整加载在飞片上的激光能量和光斑，实现在激光驱动飞片一次冲击过程中对靶材工件的批量成形。其中N×M的面积极值由激光器发出的激光最大辐照面积决定。

本发明的装置由激光加载系统、成形系统、控制系统组成。激光加载系统由纳秒激光器、反射镜、聚焦透镜组成，纳秒激光器装有指示光系统。成形系统包括试样系统、夹具体、三维移动平台以及L型底座。控制系统由三维移动平台控制器、计算机、激光控制器组成。控制系统分别控制激光加载系统、成形系统。控制系统中的三维移动平台控制器分别与计算机和三维移动平台相互连接，可以控制三维移动平台的位置移动。激光控制器分别与计算机和纳秒激光器相连接，调节纳秒激光器发出的激光参数。激光加载系统中的反射镜和聚焦透镜安装在L型底座上。成形系统中的夹具体安放在三维移动平台上，夹具体可对放入其中的式样系统进行夹紧和定位。式样系统是由光学介质、水或硅油、飞片、飞行腔、靶材工件和特制复合微模具组成。所述光学介质为K9玻璃，所述飞片和靶材工件为金属箔板，其厚度为5～30μm，飞行腔腔长度为100～200μm，飞片用水或硅油粘贴在光学介质下，飞片的边缘与飞行腔内壁相距200～300μm。光学介质、飞行腔和靶材工件依次叠放在特制复合微模具上。

本装置的工作过程如下：

(1)特制复合微模具设计与制备。根据成形工件的尺寸、形状，设计特制复合微模具型腔结构及阵列分布，并制造特制复合微模具。

(2)确定飞片和工件毛坯的尺寸。根据微成形模具的成形区域计算出飞片和工件毛坯尺寸。

(3)试样系统装配与装夹。在光学介质下表面中心区域涂抹一层水或硅油，然后将飞片与光学介质进行粘贴。将由粘贴好飞片的光学介质、飞行腔、靶材工件和特制复合微模具组成的试样系统放入三维移动平台上的夹具体中夹紧。

(4)激光作用区域的对准。打开激光加载系统的指示光，利用控制系统对工作台到进行调整，确保指示光辐照在式样系统的加载区域。调整完毕后，关闭激光加载系统的指示光。

(5)调整激光参数。根据成形靶材工件厚度、成形区域大小，通过计算机优化激光参数，控制脉冲激光器发出激光束的脉冲宽度、脉冲能量、脉冲形状以及光斑大小来获取所需要的冲击力。

(6)靶材工件成形过程。应用高能脉冲激光冲击光学介质下的飞片，使飞片产生动能并在飞行腔内做高速飞行，靶材工件受到飞片的撞击后，在特制复合微模具的拉伸、冲孔以及切边的复合作用下，最终实现零件的成形。

本发明具有以下优势：

本发明采用脉冲激光作为成形力源，利用激光驱动飞片并冲击靶材工件。激光的参数精确可控，重复性好，易实现自动化生产；因为激光光斑可聚焦至微米级至厘米级，所以既能进行批量靶材工件的一次成形，也能进行局部微细的定量成形，因此对靶材工件的尺寸与成形数量有较大的调整范围，具有较大的柔性、适应性强。

本发明根据特制复合微模具成形效应，采用拉深凹模、切边凹模以及冲孔凸模的相间组合，使得靶材工件在一次的冲击成形过程中实现拉深、冲孔和切边的复合过程。如果增加拉深凹模和切边凹模的数量并按一定次序排列便可实现微型靶材工件在一次冲击过程中的批量成形。当然可根据靶材工件的成形要求和成形数量来设计特制复合微模具上凹模、凸模的形状和数量，以实现不同要求下靶材工件的批量成形。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明做进一步的说明。

图1所示是根据本发明提出的一种激光间接复合微塑性成形效应的装置示意图。

图2所示是根据本发明提出的试样系统的原理图。

图3所示是根据本发明提出的特制复合微模具上一组复合模的结构原理图。

图4所示为特制复合微模具的俯视图。

图5所示为特制复合微模具三维图以及成形工件的三维图。

图6为飞片一次冲击加载成形过程后剩下的靶材工件废料的三维图。

图中，1.L型底座，2.三维移动平台，3.夹具体，4.试样系统，5.聚焦透镜，6.第二反射镜，7.第一反射镜，8.纳秒激光器，9.激光控制器，10.三维移动平台控制器，11.计算机，12.光学介质，13.水或硅油，14.飞片，15.飞行腔，16.靶材工件，17.特制复合微模具，18.拉伸凹模，19.切边凹模，20.冲孔凸模。

具体实施方式

下面结合图1详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

该装置由11个部分组成。计算机11控制激光控制器9，激光控制器9可对纳秒激光器8发出的指示光与激光参数进行调整。纳秒激光器发出的指示光或脉冲激光经由第一反射镜7，第二反射镜6和聚焦透镜5最终传递到聚焦透镜5下方的试样系统4上。试样系统放在夹具体3中，夹具体3安装在三维移动平台上2。三维移动平台2安装在L型底座上，三维移动平台2的位移调整是由计算机11控制的三维移动平台控制器10来调控的。实施的具体过程如下：

首先，根据所需要成形工件的成形要求来设计特制复合微模具，通过激光驱动飞片运动的Gurney模型计算得到激光能量、光斑直径等加工参数。

其次，根据加工的实际情况需要，调节三维移动平台2到一定高度，以便于试样系统4的安装，然后将试样系统在夹具体3中夹紧。

然后，打开激光控制器9和纳秒激光器8，利用激光控制器9调控装有指示光的纳秒激光器8发出一束指示光，指示光通过第一反射镜7、第二反射镜6、经过聚焦透镜5抵达试样系统4。利用三维移动平台控制器10控制三维移动平台2精确动作以获得需要的光斑面积，使得试样系统4中位于光学介质12下的飞片15全部在指示光的光斑区域内，保持各部件位置的固定，关闭指示光。

最后，根据加工要求，由计算机11计算参数并将参数输送到激控制器10中，激光控制器9控制纳秒激光器8发出一定能量和一定脉宽的脉冲激光，脉冲激光依次通过反射镜7、第二反射镜6、经过聚焦透镜5后穿过光学介质12到达飞片14上并驱动飞片14穿过飞行腔15向靶材工件16高速运动并发生高速碰撞。在高速碰撞过程中，靶材工件16受到特制复合微模具17的挤压并快速复制出特制复合微模具17成形区域的形状，实现微成形。

综上所述，本发明所涉及的成形方法和装置以激光驱动飞片为成形动力源，利用特制复合微模具17的拉深、冲孔以及切边作用同步实现成形及切边的复合工艺过程。特制复合微模具17上具有一定数量的根据所需零件形状设计的拉深凹模18和切边凹模19以及冲孔凸模20，使得在一次激光冲击的过程中完成了对靶材工件的定量生产。由于加工速度超快，材料成形过程中应变率很高，成形后的靶材工件具有普通成形方法无法比拟的成形能力，本发明的系统设计合理，工艺简单，一致性好，适于批量化成形。

如图2所示，经聚焦透镜5后的激光穿过光学介质12加载在飞片14上，然后驱动飞片14向下飞行。飞片14经过飞行腔15与靶材工件16碰撞，碰撞过程中，由于特制复合微模具17的限制作用，靶材工件16受到挤压，并复制出特制复合微模具17的形状。因为特制复合微模具17具有拉深凹模18、切边凹模19和冲孔凹模20，所以在一次的冲击过程中，靶材工件完成了拉深成形、冲孔、以及切边的工艺。

如图3所示，特制复合微模具17上拉深凹模18边缘圆角半径采用2.2～2.3倍靶材工件16材料厚度，对靶材工件16起到拉深作用；切边凹模19对靶材工件16起到切边作用；冲孔凸模20对靶材工件16起到冲孔作用，确定位置关系的一组拉伸凹模(18)、切边凹模(19)和冲孔凸模(20)构成特制复合微模具(17)上一组复合模。

如图4所示，本发明装置涉及到的特制复合微模具17上具有一定数量并按照一定次序排列的复合模(例如3x3的复合模的排列，如图5所示)，可以实现在一次激光驱动飞片冲击加工中对零件的批量成形。(注：复合微模具上的凹模和凸模形状可根据实际生产的零件形状设计)

Claims (3)

1.一种激光间接复合微塑性成形装置，其特征在于，由激光加载系统、成形系统、控制系统组成；所述激光加载系统由纳秒激光器(8)、第一反射镜(7)、第二反射镜(6)、聚焦透镜(5)组成，纳秒激光器(8)装有指示光系统；所述成形系统包括试样系统(4)、夹具体(3)、三维移动平台(2)以及L型底座(1)；所述控制系统由三维移动平台控制器(10)、计算机(11)、激光控制器(9)组成，所述计算机分别连接三维移动平台控制器(10)和激光控制器(9)；所述控制系统中的三维移动平台控制器(10)与三维移动平台(2)连接；激光控制器(9)分别与激光加载系统中的纳秒激光器(8)连接；所述第一反射镜(7)、第二反射镜(6)和聚焦透(5)镜安装在L型底座上(1)；所述夹具体(3)安放在三维移动平台(2)上，夹具体(3)夹紧和定位试样系统(4)；所述试样系统(4)是由光学介质(12)、水或硅油(13)、飞片(14)、飞行腔(15)、靶材工件(16)和特制复合微模具(17)组成；所述飞片(14)和靶材工件(16)为金属箔板，所述光学介质为K9玻璃，飞片(14)和靶材的厚度为5～30μm，所述飞行腔(15)内腔长度为100～200μm，所述飞片(14)的外缘与飞行腔(15)内壁相距200～300μm。所述特制复合微模具(17)包括拉伸凹模(18)、切边凹模(19)和冲孔凸模(20)，所述拉伸凹模(18)为根据所需成形零件外形确定的凹腔，所述切边凹模(19)是一个环形凹腔，切边凹模(19)环绕在拉伸凹模(18)边缘外围，所述冲孔凸模(20)位于拉伸凹模(18)内部；所述拉伸凹模(18)和切边凹模(19)同轴，确定位置关系的一组拉伸凹模(18)、切边凹模(19)和冲孔凸模(20)构成特制复合微模具(17)上一组复合模；所述拉伸凹模(18)具有圆角边缘，所述切边凹模(19)和冲孔凸模(20)具直角边缘。

2.根据权利要求1所述的激光间接复合微塑性成形装置，其特征在于，所述拉伸凹模(18)、切边凹模(19)和冲孔凸模(20)构成的复合模按照N×M成阵列排列，N和M数量按照所需生产零件数量确定。

3.一种实施权利要求1所述的激光间接复合微塑性成形装置的方法，其特征在于，具体步骤如下：

A、特制复合微模具设计与制备，根据成形工件的尺寸、形状，设计特制复合微模具上凹模和凸模结构以及凹模和凸模阵列分布，并制造特制复合微模具；

B、确定飞片和工件毛坯的尺寸，根据微成形模具的成形区域计算出飞片和工件毛坯尺寸；

C、试样系统装配与装夹，在光学介质(12)下表面中心区域涂抹一层水或硅油(13)，然后将飞片(14)粘贴在光学介质(12)下表面中心区域，将由粘贴好飞片(14)的光学介质(12)、飞行腔(15)、靶材工件(16)和特制复合微模具(17)组成的试样系统放入三维移动平台上的夹具体(3)中夹紧；

D、激光作用区域的对准，打开激光加载系统的指示光，利用控制系统对工作台到进行调整，确保指示光辐照在式样系统(4)的加载区域，调整完毕后，关闭激光加载系统的指示光；

E、调整激光参数，根据成形靶材工件(16)厚度、成形区域大小，通过计算机(11)优化激光参数，控制脉冲激光器发出激光束的脉冲宽度、脉冲能量、脉冲形状以及光斑大小来获取所需要的冲击力；

F、靶材工件(16)成形，高能脉冲激光冲击光学介质(12)下的飞片(14)，使飞片(14)产生动能并在飞行腔(15)内做高速飞行，靶材工件(16)受到飞片(14)的撞击后，在特制复合微模具(17)的拉伸、冲孔以及切边的复合作用下，最终实现零件的批量成形。

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