CN102513431A - 一种激光冲击高分子聚合物间接微成形方法及其专用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光冲击高分子聚合物间接微成形方法及其专用装置，激光经成形系统中的光学介质照射在吸收层薄膜上，引起部分吸收层薄膜烧蚀产生高温高压等离子体，等离子体继续吸收激光能量使得等离子体膨胀爆炸，爆炸的等离子体向吸收层薄膜方向膨胀，在吸收层薄膜上产生GPa级的冲击压力，使得吸收层薄膜发生塑性形变；高分子聚合物在吸收层薄膜的冲击压力及高分子聚合物容腔的约束下向其下部的靶材工件方向变形，使靶材工件塑性变形，避免工件表面的烧蚀破坏或刻蚀现象，使工件在微模具中精确成形。

Description

一种激光冲击高分子聚合物间接微成形方法及其专用装置

技术领域

本发明涉及机械制造领域，特指一种激光冲击高分子聚合物间接微成形方法及其专用装置，适用于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。

背景技术

微型化产品已广泛应用在等多个领域，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，零件要求的精度又很高，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。

激光加工技术已用于传统难成形材料及微型金属零件加工中，但以激光作为能源直接或间接作用在工件上仍会给工件带来一些缺陷。如中国专利申请号为01134063.0、名称为“一种激光冲击精密成型方法及装置”利用激光直接冲击待加工零件，使得零件受力不均匀，同时使零件表面产生烧蚀，零件表面质量不高。中国专利申请号为200810023264.3、名称为“一种微器件的激光冲击微体积成形方法和装置”，能实现微体积成形，其利用激光驱动飞片，使飞片继承激光的能量，从而避免了激光直接冲击工件带来的影响，但飞片冲击仍属于刚性冲击，零件表面会发生刻蚀，影响零件表面质量；同时，飞片尺寸比工件尺寸大，冲击碰撞过程中会对模具造成一定损伤，降低模具的强度及寿命；并且刚性冲击过程中，金属稀释现象严重，零件特性下降。

发明内容

 基于上述背景技术中的缺陷，本发明的目的是为了避免激光直接冲击零件表面产生烧蚀破坏、避免刚性冲击对零件表面产生刻蚀、减少冲压过程中金属稀释现像、提高零件表面质量和零件特性而提出一种激光冲击高分子聚合物间接微成形方法及其专用装置。

本发明的一种激光冲击高分子聚合物间接微成形方法采用的技术方案是包括如下步骤：1）由计算机控制纳秒激光器发出脉冲激光，激光经由两反射镜和聚焦透镜后作用于成形系统，同时由计算机控制三维移动平台调整成形系统的位置；2）激光经成形系统中的光学介质照射在吸收层薄膜上，引起部分吸收层薄膜烧蚀产生高温高压等离子体，等离子体继续吸收激光能量使得等离子体膨胀爆炸，爆炸的等离子体向吸收层薄膜方向膨胀，在吸收层薄膜上产生GPa级的冲击压力，使得吸收层薄膜发生塑性形变；3）高分子聚合物在吸收层薄膜的冲击压力及高分子聚合物容腔的约束下向其下部的靶材工件方向变形，使靶材工件塑性变形。

本发明的一种激光冲击高分子聚合物间接微成形的专用装置采用的技术方案是：由激光加载系统、成形系统、控制系统组成，激光加载系统包括纳秒激光器、两反射镜和聚焦透镜，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，试样系统设置在聚焦透镜的正下方且放置在夹具体中，夹具体固接三维移动平台上，三维移动平台放置在L型底座上；控制系统包括连接纳秒激光器的激光控制器、连接三维移动平台的三维移动平台控制器 和计算机，其特征是：所述试样系统从上至下依次是光学介质、吸收层薄膜、高分子聚合物容腔、靶材工件和特制微模具，高分子聚合物容腔中满装有高分子聚合物，吸收层薄膜与高分子聚合物贴合，靶材工件位于高分子聚合物容器和特置微模具之间且与高分子聚合物表面贴合，靶材工件的下表面与固定在夹具体中的特置微模具接触；吸收层薄膜的材料是铝膜，光学介质的材料是K9玻璃，高分子聚合物的材料是聚氨酯橡胶或硅聚合物

本发明采用上述技术方案后产生的有益效果是：

1、使用激光直接冲击吸收层薄膜产生强冲击波来冲压高分子聚合物，获得动能的高分子聚合物做柔性冲头，避免了用激光或飞片直接冲击或撞击工件表面所引起的烧蚀破坏或刻蚀现象，提高了零件质量。

2、使用高分子聚合物做柔性冲头，在冲击过程中高分子聚合物与工件紧密贴合在一起，使得工件受力均匀，并且它们之间仅有极小的相对滑动，所以工件不会产生擦伤，使工件在微模具中精确成形。

3、用聚氨酯橡胶或硅聚合物做高分子聚合物，由于其具有不可压缩性及超弹性，满足工件的各种成形及数量要求，也适用于复合工艺过程，只需设置相应的下模。

4、冲压过程中高分子聚合物与工件紧密贴合在一起，仅有极小的相对滑动，可通过控制高分子聚合物与工件之间的摩擦力来增加工件的径向力，使更多的工件材料进入模腔，减少了金属冲压过程中的稀释现象，保持了工件的特性。

5、使用铝膜做吸收层薄膜，可避免激光直接冲击高分子聚合物造成的烧蚀破坏。使工件一侧与高分子聚合物接触，这样在成形过程中不会对工件材料表面造成烧蚀破坏或刻蚀损伤，适用于对成形件表面质量要求较高的金属或非金属薄板的精密成形，也可用于微器件制造等领域。

附图说明

图1所示是本发明提出的一种激光冲击高分子聚合物间接微成形装置结构示意图；

    图2是图1中试样系统4的结构放大示意图；

  图3是图2试样系统4在冲击成形示意图；

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.吸收层薄膜；14. 高分子聚合物；15.高分子聚合物容腔；16.靶材工件；17.特置微模具。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案： 

   参见图1，本发明激光冲击高分子聚合物间接微成形的专用装置由激光加载系统、成形系统、控制系统组成。其中，激光加载系统包括纳秒激光器8、第一反射镜7、第二反射镜6和聚焦透镜5，纳秒激光器8装有指示光系统，其发出的激光依次经第一反射镜7和第二反射镜6反射后改变光路到达聚焦透镜5。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，其中试样系统4设置在聚焦透镜5的正下方，经聚焦透镜5聚焦后的激光作用于试样系统4上。试样系统4放置在夹具体3中，用夹具体3夹紧和定位试样系统4，夹具体3固定在三维移动平台2上，三维移动平台2放置在L型底座1上。控制系统包括激光控制器9、三维移动平台控制器 10和计算机11，激光控制器9同时连接纳秒激光器8和计算机11，计算机11还连接三维移动平台控制器 10，三维移动平台控制器 10连接三维移动平台2，通过计算机11分别控制纳秒激光器8发出激光和三维移动平台2的位移。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发出的脉冲激光参数进行调整。纳秒激光器8发出的脉冲激光经由第一反射镜7，第二反射镜6和聚焦透镜5后最终传递到试样系统4上。

   参见图2所示的试样系统4的结构，试样系统4上至下依次是光学介质12、吸收层薄膜13、高分子聚合物容腔15、靶材工件16和特制微模具17，高分子聚合物容腔15中满装高分子聚合物14。吸收层薄膜13固定在光学介质12和高分子聚合物容腔15之间，吸收层薄膜13与高分子聚合物14贴合。吸收层薄膜13采用铝膜，光学介质12采用K9玻璃。光学介质12的作用是限制爆炸等离子体的发散并使其朝向吸收层薄膜13及靶材工件16运动，同时对其作用的激光是透明的，当激光束透过时无明显能量损失。高分子聚合物14放置在高分子聚合物容腔15内，高分子聚合物14采用聚氨酯橡胶或硅聚合物加工而成。高分子聚合物容腔15的作用是约束高分子聚合物14向四周方向扩展，由于高分子聚合物14的不可压缩性从而使高分子聚合物14在强冲击波、吸收层薄膜13及高分子聚合物容器15的限制下向靶材工件16方向变形。靶材工件16位于高分子聚合物容器15和特置微模具17之间，高分子聚合物14与靶材工件16上表面贴合，中间没有间隙，靶材工件16的下表面与特置微模具17接触。特置微模具17固定在夹具体3中。

参见图1-3，本发明提出的激光冲击高分子聚合物间接微成形的具体过程如下：根据所需要成形的靶材工件16的成形要求来设计特置微模具17，将吸收层薄膜13固定在光学介质12和高分子聚合物容腔15之间。由计算机11通过三维移动平台2调整成形系统4的位置，使三维移动平台2达到指定位置；由计算机11控制激光控制器9和纳秒激光器8发出脉冲激光，激光经由第一反射镜7，第二反射镜6和聚焦透镜5后作用于成形系统4。首先通过光学介质12照射在吸收层薄膜13上，引起部分吸收层薄膜13烧蚀产生高温高压等离子体，在激光脉宽时间内，等离子体继续吸收激光能量使得等离子体膨胀爆炸，由于光学介质12的阻挡，爆炸的等离子体向吸收层薄膜13方向膨胀，在吸收层薄膜13上产生GPa级的冲击压力，由于激光冲击压力的峰值远远超过吸收层薄膜13的材料的动态屈服强度，使得等离子体影响范围内的吸收层薄膜13发生超速塑性形变，高分子聚合物14在吸收层薄膜13的强冲压力及高分子聚合物容腔15的约束下向其下部的靶材工件16方向变形，使靶材工件16在高分子聚合物14的变形力和特制微模具17限制下塑性变形，参见图3。整个过程中高分子聚合物14始终与靶材工件16紧密贴合，成形后，高分子聚合物14与靶材工件16同时充满整个特制微模具17的模腔。

Claims (3)

1.一种激光冲击高分子聚合物间接微成形方法，其特征是包括如下步骤：

1）由计算机（11）控制纳秒激光器（8）发出脉冲激光，激光经由两反射镜和聚焦透镜后作用于成形系统（4），同时由计算机（11）控制三维移动平台（2）调整成形系统（4）的位置；

2）激光经成形系统（4）中的光学介质（12）照射在吸收层薄膜（13）上，引起部分吸收层薄膜（13）烧蚀产生高温高压等离子体，等离子体继续吸收激光能量使得等离子体膨胀爆炸，爆炸的等离子体向吸收层薄膜（13）方向膨胀，在吸收层薄膜（13）上产生GPa级的冲击压力，使得吸收层薄膜（13）发生塑性形变；

3）高分子聚合物（14）在吸收层薄膜（13）的冲击压力及高分子聚合物容腔（15）的约束下向其下部的靶材工件（16）方向变形，使靶材工件（16）塑性变形。

2.一种实现权利要求1所述微成形方法的专用装置，由激光加载系统、成形系统、控制系统组成，激光加载系统包括纳秒激光器（8）、第一、第二反射镜（7、6）和聚焦透镜（5），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），试样系统（4）设置在聚焦透镜（5）的正下方且放置在夹具体（3）中，夹具体（3）固接三维移动平台（2）上，三维移动平台（2）放置在L型底座（1）上；控制系统包括连接纳秒激光器（8）的激光控制器（9）、连接三维移动平台（2）的三维移动平台控制器 （10）和计算机（11），其特征是：所述试样系统（4）从上至下依次是光学介质（12）、吸收层薄膜（13）、高分子聚合物容腔（15）、靶材工件（16）和特制微模具（17），高分子聚合物容腔（15）中满装有高分子聚合物（14），吸收层薄膜（13）与高分子聚合物（14）贴合，靶材工件（16）位于高分子聚合物容器（15）和特置微模具（17）之间且与高分子聚合物（14）表面贴合，靶材工件（16）的下表面与固定在夹具体（3）中的特置微模具（17）接触。

3.根据权利要求2所述的专用装置，其特征是：所述吸收层薄膜（13）的材料是铝膜，光学介质（12）的材料是K9玻璃，高分子聚合物（14）的材料是聚氨酯橡胶或硅聚合物。

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