CN103252588A - 基于激光连续冲压橡皮泥技术的精密微成形装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光连续冲压橡皮泥技术的精密微成形装置及其方法，该装置包括激光加载系统、塑性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；塑性成形系统包括试样系统、夹具体、三维移动平台以及底座；计算机控制系统包括三维移动平台控制器、激光控制器、计算机。本发明利用橡皮泥传递冲击力，在多次冲击过程中橡皮泥与工件逐渐贴合在一起，工件受力均匀，不会产生擦伤，提高了工件表面质量；同时，橡皮泥受力后发生塑性形变特性，使工件与微模具相互贴合，避免了工件的反弹，保证了工件成形精度。

Description

基于激光连续冲压橡皮泥技术的精密微成形装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种激光连续冲压橡皮泥技术的精密微成形装置及其方法，属于激光加工制造及微塑性成形技术领域。

背景技术

激光冲击技术是一种具有良好前景的加工手段，其原理是高能量短脉冲激光诱导的冲击波与材料相互作用,利用强激光与物质相互作用所产生的冲击波来改善材料的机械性能,尤其是疲劳寿命。这一技术已在机械工程、航空航天、微电子、军事等各行各业中得到了广泛应用,目前该技术主要用于材料改性、金属冲击强化和成形,以及无损检测等方面。近年来迅速发展的激光加工技术在微成形方法上的应用越来越被关注。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。

申请号为200610161633.6的中国专利激光冲击成形强化系统, 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，并具有对激光冲击波参数与工件轨迹的精确控制的特点，但在加工工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，同时，其利用激光直接冲击待加工工件，使得工件受力不均匀，同时使工件表面产生烧蚀，工件表面质量不高。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201110400540.5的中国专利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，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，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，可以成形高表面质量工件。专利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利用激光驱动高分子聚合物，使高分子聚合物继承激光的能量，从而避免了激光直接冲击工件带来的影响。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，本发明提供一种基于激光连续冲压橡皮泥技术的精密微成形装置及其未成形方法，即基于激光连续冲压橡皮泥从而间接实现箔板精密微成形方法及其装置，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：

基于激光连续冲压橡皮泥技术的精密微成形装置，包括激光加载系统、塑性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境和聚焦透镜后进入塑性成形系统；所述塑性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包括三维移动平台控制器、激光控制器、计算机，计算机通过三维移动平台控制器控制三维移动平台的平面移动，通过激光控制器控制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、吸收层薄膜、橡皮泥、橡皮泥容腔、工件和微模具；所述橡皮泥紧密填充于橡皮泥容腔中，橡皮泥容腔上方压附有微米尺度厚的透明光学介质作为约束层，光学介质与橡皮泥容腔之间放置吸收层薄膜，工件置于橡皮泥容腔下方，微模具设置于工件下方。

基于激光连续冲压橡皮泥技术的精密微成形方法，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；在橡皮泥容腔上方压附微米尺度厚的透明光学介质作为约束层；光学介质与橡皮泥容腔之间放置吸收层薄膜；在橡皮泥容腔下方放置工件与微模具；

（2）通过夹具将光学介质、吸收层薄膜、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，由纳秒激光器发出的激光光束经过反射境和聚焦透镜后进入塑性成形系统，激光经过透镜聚焦在工件上；对纳秒激光进行多次发射操作，实现工件的多次激光冲击成形。

进一步，所述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。

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，在多次冲击作用下使工件逐渐贴合模具。

本发明的有益效果是：

1、本发明使用激光多次冲击吸收层薄膜产生冲击波来冲压橡皮泥，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。使用橡皮泥做柔性冲头，在多次冲击过程中橡皮泥与工件逐渐紧密贴合在一起，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，在冲击过程后工件与微模具仍保持贴合，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，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；由于充满橡皮泥的橡皮泥容腔尺寸较大，所以对激光光斑定位及对中性要求不高，因此对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。

附图说明

图1是本发明基于激光连续冲压橡皮泥技术的精密微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是冲击过程中试样系统初步成形示意图；

图4是冲击过程中试样系统进一步成形示意图。

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、激光控制器；9、三维移动平台控制器；10、计算机；11、光学介质；12、吸收层薄膜；13、橡皮泥；14、橡皮泥容腔；15、工件；16、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。

本发明基于激光连续冲压橡皮泥技术的精密微成形装置的结构如图1所示，由激光加载系统、塑性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，由纳秒激光器发出的激光光束经过反射境6和聚焦透镜5后进入塑性成形系统；塑性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上方的夹具体固定；计算机控制系统由三维移动平台控制器9、激光控制器8、计算机10组成，计算机10通过三维移动平台控制器9控制三维移动平台2的平面移动，通过激光控制器8控制纳秒激光器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11、吸收层薄膜12、橡皮泥13、橡皮泥容腔14、工件15和微模具16（带排气孔）。吸收层薄膜12固定在光学介质11和橡皮泥容腔14之间，吸收层薄膜12采用铝膜，光学介质11采用K9玻璃。橡皮泥13放置在橡皮泥容腔14内。橡皮泥容腔14的作用是约束橡皮泥向周向扩展，使橡皮泥在激光诱导的冲击波及橡皮泥容腔的限制下向工件方向变形。橡皮泥13与工件15上表面贴近，中间没有间隙，工件15下表面与微模具16接触。

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。吸收层薄膜材料为铝膜。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。

本发明基于激光连续冲压橡皮泥技术的精密微成形方法为：

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，在橡皮泥容腔上方压附微米尺度厚的一块透明光学介质作为约束层，光学介质与橡皮泥容腔之间放置吸收层薄膜，在橡皮泥容腔下方放置工件与微模具。通过夹具将光学介质、吸收层薄膜、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多次发射操作，从而实现工件的多次激光冲击。

图3和图4为冲击过程中试样系统成形示意图，其具体过程如下：

采用纳秒激光多次经过聚焦透镜5最终传递到试样系统4上，透过光学介质11辐射吸收层薄膜12表面，使吸收层薄膜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，产生冲击波使等离子体影响范围内的吸收层薄膜12发生超速塑性形变，橡皮泥13在冲击压力及橡皮泥容腔14的约束下向工件15方向产生塑性形变，使工件15在橡皮泥13的变形力和微模具16限制下发生微纳米尺度的塑性变形。图3为单次激光脉冲后工件成形示意图，橡皮泥与工件紧密贴合，但未能充满模腔。图4为多次激光脉冲后工件成形示意图，橡皮泥与工件紧密贴合，充满整个模腔，具有良好的成形性能。

由图4可见加载多次的激光能量后工件与模具紧密贴合，具有良好的成形性能。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。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

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 (5)

1.基于激光连续冲压橡皮泥技术的精密微成形装置，其特征在于：包括激光加载系统、塑性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(7)发出的激光光束经过反射境（6）和聚焦透镜（5）后进入塑性成形系统；

所述塑性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包括三维移动平台控制器(9)、激光控制器(8)、计算机(10)，计算机（10）通过三维移动平台控制器(9)控制三维移动平台（2）的平面移动，通过激光控制器(8)控制纳秒激光器（7）的工作状态。

2.根据权利要求1所述的基于激光连续冲压橡皮泥技术的精密微成形装置，其特征在于：所述试样系统包括光学介质(11)、吸收层薄膜(12)、橡皮泥(13)、橡皮泥容腔(14)、工件(15)和微模具(16)；所述橡皮泥(13)紧密填充于橡皮泥容腔(14)中，橡皮泥容腔(14)上方压附有微米尺度厚的透明光学介质(11)作为约束层，光学介质(11)与橡皮泥容腔(14)之间放置吸收层薄膜(12)，工件(15)置于橡皮泥容腔(14)下方，微模具(16)设置于工件(15)下方。

3.基于激光连续冲压橡皮泥技术的精密微成形方法，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；在橡皮泥容腔上方压附微米尺度厚的透明光学介质作为约束层；光学介质与橡皮泥容腔之间放置吸收层薄膜；在橡皮泥容腔下方放置工件与微模具；

B、通过夹具将光学介质、吸收层薄膜、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，由纳秒激光器发出的激光光束经过反射境和聚焦透镜后进入塑性成形系统，激光经过透镜聚焦在工件上；对纳秒激光进行多次发射操作，实现工件的多次激光冲击成形。

4.根据权利要求3所述的基于激光连续冲压橡皮泥技术的精密微成形方法，其特征在于：所述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。

5.根据权利要求3或4所述的基于激光连续冲压橡皮泥技术的精密微成形方法，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，在多次冲击作用下使工件逐渐贴合模具。

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