CN103252396B - 激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形装置及其方法，该装置包括激光加载系统、成形系统和计算机控制系统；激光加载系统包括纳秒激光器、反射镜、聚焦透镜；成形系统包括试样系统、夹具体、三维移动平台以及底座，三维移动平台固定于底座上，试样系统通过紧固于三维移动平台上方的夹具体固定；计算机控制系统由控制器和计算机组成，计算机通过控制器控制三维移动平台的平面移动和纳秒激光器的工作状态。本发明有效避免了刚性冲击对工件表面产生刻蚀，提高了工件表面质量；避免了工件成形后回弹回复，保证工件完全紧密贴合模具表面，提高工件成形质量和成形精度。

Description

激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形装置及其方法，属于微机电系统（MEMS）加工技术领域和激光微加工技术领域。

背景技术

微型化作为当代科技发展的一个重要方向，微成形技术和微型模具制造已成为工业界重点研究对象。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。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。激光加工技术为解决传统难成形材料及微型金属零件加工的局限性带来了很好的研究基础。

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,具有可以实现微尺度下常规方法难以成形或无法成形的复杂器件，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。该专利利用激光驱动飞片，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。但飞片冲击属于刚性冲击，工件表面会发生刻蚀，影响工件表面质量。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，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，利用以激光诱导的冲击波驱动飞片作为微器件微体积成形的成形力源,使微凸模和凹模相对运动,促使微小工件发生塑性成形。该专利需保证凸模与凹模能相互配合，模具制作与定位成本较高。申请号为201110400555.1的中国专利一种激光间接冲击软模微成形方法及其专用装置，利用高分子聚合物代替激光或飞片传递成形力，使工件一侧与高分子聚合物接触，可以成形高表面质量工件。该专利利用激光驱动飞片，飞片与高分子聚合物高速碰撞传递动能，使高分子聚合物继承激光的能量，从而避免了飞片直接冲击工件带来的影响。利用获得动能的高分子聚合物作为柔性冲头进行工件成形不会影响工件表面质量，但高分子聚合物属于弹性材料，成形工件后会发生回弹，不能保证成形工件完全贴合模具表面，影响工件精度。

发明内容

针对现有技术中微成形方法及装置存在的上述问题，本发明提供一种激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形装置及其方法，即激光加载飞片冲压橡皮泥从而间接实现箔板微塑性成形方法及其装置，其适用于微金属箔材的微塑性成形，特别适合于常规微成形方法难以成形或无法成形材料微成形，可以实现微型工件的精密成形。

本发明的技术方案是：

激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形装置，包括激光加载系统、成形系统和计算机控制系统。所述激光加载系统包括纳秒激光器、反射镜、聚焦透镜，由纳秒激光器发出的激光光束经过反射镜和聚焦透镜后直接进入成形系统；所述成形系统包括试样系统、夹具体、三维移动平台以及底座，所述三维移动平台固定于底座上，所述试样系统通过紧固于三维移动平台上方的夹具体固定；所述计算机控制系统由控制器和计算机组成，计算机通过控制器控制三维移动平台的平面移动和纳秒激光器的工作状态。

进一步，所述试样系统包括光学介质、飞片、飞行腔、橡皮泥容腔、橡皮泥、工件和微模具；所述橡皮泥紧密填充于橡皮泥容腔中，工件设置于橡皮泥容腔下方，微模具设置于工件下方，橡皮泥容腔上方压附有微米尺度厚的环形压块作为飞行腔，飞行腔上方压附有透明光学介质作为约束层，飞片设置在飞行腔的内腔上部,飞片的上表面涂抹有一层水或硅油且贴于光学介质的下表面。

激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形方法，具体包括以下步骤：

（1）将橡皮泥置于橡皮泥容腔中，保证橡皮泥紧密充满橡皮泥容腔；在橡皮泥容腔下方放置工件与微模具，在橡皮泥容腔上方压附微米尺度厚的环形压块作为飞行腔；飞行腔上方压附一块透明光学介质作为约束层；将飞片设置在飞行腔的内腔上部,将飞片的上表面涂抹一层水或硅油且将其贴于光学介质的下表面；

（2）通过夹具将光学介质、飞行腔、橡皮泥容腔、工件、微模具紧固在三维移动平台上；开启纳秒激光器，调节好光路，使由纳秒激光器输出的激光经过透镜聚焦在工件上；对纳秒激光进行单次发射操作，实现工件的激光冲击成形。

进一步，所述激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形方法使用强激光短脉冲，脉宽为10-100纳秒，波长为1064/532纳米，能量为0.1-2J。

进一步，保证橡皮泥充满橡皮泥容腔，利用橡皮泥受压后发生塑性形变与不可压缩特性使工件发生塑性形变，在飞片冲击的作用下使工件贴合模具。

本发明的有益效果是：

1、本发明使用强激光驱动飞片，飞片与橡皮泥碰撞传递动能，获得动能的橡皮泥做柔性冲头，避免了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，提高了工件质量。使用橡皮泥做柔性冲头，在冲击过程中橡皮泥与工件互相贴合在一起，使得工件受力均匀，由于橡皮泥的硬度比工件硬度低的多，所以工件不会产生擦伤，提高了工件质量。同时，由于橡皮泥的不可压缩性及受力后发生塑性形变特性，在冲击过程后橡皮泥与工件仍保持贴合，避免了用高分子聚合物做柔性冲头由于其超弹性使成形后的工件发生回弹回复，保证了工件成形精度。

2、本发明采用脉冲激光作为成形力源, 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毫米级,所以既能进行批量工件的一次成形,也能进行局部微细的定量成形,同时，由于充满橡皮泥的橡皮泥容腔具有较大的尺寸，可以实现大面积制作或复制三维微机械，微模具金属结构，具有较大的柔性，适应性强。

附图说明

图1是本发明激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形装置的结构示意图；

图2是本发明中试样系统的结构示意图；

图3是试样系统在冲击过程中的结构放大示意图；

图4是激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形的工件图。

图中：1、底座；2、三维移动平台；3、夹具体；4、试样系统；5、聚焦透镜；6、反射镜；7、纳秒激光器；8、计算机；9、控制器；10、光学介质；11、水或硅油层；12、飞片；13、飞行腔；14、橡皮泥容腔；15、橡皮泥；16、工件；17、微模具。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形装置的结构如图1所示，由激光加载系统、成形系统和计算机控制系统连接组成。激光加载系统由纳秒激光器7、反射镜6、聚焦透镜5组成，由纳秒激光器7发出的激光光束经过反射镜6反射聚焦透镜5聚焦后直接进入成形系统；成形系统由试样系统4、夹具体3、三维移动平台2以及L型底座1组成，三维移动平台2固定于L型底座1上，试样系统4通过紧固于三维移动平台2上方的夹具体3固定；计算机控制系统由控制器9、计算机8组成，计算机8通过控制器9控制三维移动平台2的平面移动和纳秒激光器7的工作状态。

上述试样系统的结构如图2所示，包括光学介质10、水或硅油层11、飞片12、飞行腔13、橡皮泥容腔14、橡皮泥15、工件16和微模具17（带排气孔）。试样系统4从上至下依次是光学介质10、飞行腔13、橡皮泥容腔14、工件16和微模具17。飞行腔13的内腔中是飞片12，飞片12设置在飞行腔13的内腔上部，飞片12的上表面涂抹一层水或硅油层11后贴在光学介质10的下表面上,即飞片12用水或硅油粘贴在光学介质10下表面。橡皮泥15置于橡皮泥容腔14中，保证橡皮泥15紧密充满橡皮泥容腔14。橡皮泥15与工件16的上表面贴近,中间没有间隙,工件16下表面与微模具17接触,微模具17可根据要求设置不同形状或复合模腔,微模具17固定在夹具体3中。

激光的工作状态参数为波长532nm或1064nm输出多脉冲。光学介质材料为K9玻璃。激光加载系统使用强激光短脉冲，脉宽为10-100纳秒，波长为1064/532纳米，能量为0.1-2J。

本发明激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形方法为：

先将实验所用橡皮泥置于橡皮泥容腔中，保证橡皮泥紧密充满橡皮泥容腔，在橡皮泥容腔下方放置工件与微模具，在橡皮泥容腔上方压附微米尺度厚的环形压块作为飞行腔，飞行腔上方压附一块透明光学介质作为约束层，飞片设置在飞行腔的内腔上部,飞片的上表面涂抹有一层水或硅油且贴于光学介质的下表面。通过夹具将光学介质，飞行腔，橡皮泥容腔，工件，微模具紧固在三维移动平台上，再开启纳秒激光器，调节好光路，使由纳秒激光器输出的激光经过透镜聚焦在工件上，然后对纳秒激光进行单次发射操作，从而实现工件的激光冲击成形。

图3为试样系统在冲击过程中的结构放大示意图，其具体过程如下：

采用纳秒激光经过聚焦透镜5最终传递到试样系统4上，透过光学介质10辐射飞片12表面，使飞片12表面部分气化后形成高温高压的等离子体，等离子体急剧膨胀爆炸，产生冲击波，驱动剩余飞片向工件16高速飞行，飞片12飞行一段时间后先与橡皮泥15碰撞，获得动能的橡皮泥15在冲击压力及橡皮泥容腔14的约束下向工件16方向产生塑性形变，使工件16在橡皮泥15和微模具17限制下发生微纳米尺度的塑性变形。由图3可见加载激光能量后工件与模具紧密贴合，具有良好的成形精度。

图4所示为激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形工件图。通过实验数据的收集和整理的试验结果，可用于指导设计和生产。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形装置，其特征在于：包括激光加载系统、成形系统和计算机控制系统；所述激光加载系统包括纳秒激光器(7)、反射镜(6)、聚焦透镜(5)，由纳秒激光器发出的激光光束经过反射镜（6）和聚焦透镜（5）后直接进入成形系统；所述成形系统包括试样系统(4)、夹具体(3)、三维移动平台(2)以及底座(1)，所述三维移动平台（2）固定于底座（1）上，所述试样系统（4）通过紧固于三维移动平台(2)上方的夹具体（3）固定；所述计算机控制系统由控制器(9)和计算机(8)组成，计算机（8）通过控制器(9)控制三维移动平台（2）的平面移动和纳秒激光器（7）的工作状态；所述试样系统包括光学介质(10)、飞片（12）、飞行腔（13）、橡皮泥容腔(14)、橡皮泥(15)、工件(16)和微模具(17)；所述橡皮泥(15)紧密填充于橡皮泥容腔(14)中，工件(16)设置于橡皮泥容腔(14)下方，微模具(17)设置于工件(16)下方，橡皮泥容腔(14)上方压附有微米尺度厚的环形压块作为飞行腔（13），飞行腔（13）上方压附有透明光学介质(10)作为约束层，飞片（12）设置在飞行腔（13）的内腔上部,飞片（12）的上表面涂抹有一层水或硅油层（11）且贴于光学介质(10)的下表面。

2.激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形方法，具体包括以下步骤：

A、将橡皮泥置于橡皮泥容腔中，保证橡皮泥紧密充满橡皮泥容腔；在橡皮泥容腔下方放置工件与微模具，在橡皮泥容腔上方压附微米尺度厚的环形压块作为飞行腔；飞行腔上方压附一块透明光学介质作为约束层；将飞片设置在飞行腔的内腔上部,将飞片的上表面涂抹一层水或硅油且将其贴于光学介质的下表面；

B、通过夹具将光学介质、飞行腔、橡皮泥容腔、工件、微模具紧固在三维移动平台上；开启纳秒激光器，调节好光路，使由纳秒激光器输出的激光经过透镜聚焦在工件上；对纳秒激光进行单次发射操作，实现工件的激光冲击成形。

3.根据权利要求2所述的激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形方法，其特征在于：所述激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形方法使用强激光短脉冲，脉宽为10-100纳秒，波长为1064/532纳米，能量为0.1-2J。

4.根据权利要求2或3所述的激光加载飞片冲压橡皮泥间接微塑性成形方法，其特征在于：保证橡皮泥充满橡皮泥容腔，利用橡皮泥受压后发生塑性形变与不可压缩特性使工件发生塑性形变，在飞片冲击的作用下使工件贴合模具。