CN103317227A - 一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置及其成形方法，该装置包括激光加载系统、平台移动系统、成形系统、控制系统，成形系统包括作为模具的橡皮泥、工件、吸收层薄膜、光学介质、掩模、环形压块；工件设置于橡皮泥上，工件的上方压附有作为约束层的透明光学介质，光学介质与工件之间设置有吸收层薄膜，光学介质上方设置有用于改变激光光斑大小与形状的掩模，掩模上方设有环形压块，通过环形压块将掩模、光学介质、吸收层薄膜、工件、橡皮泥紧固在平台移动系统上。本发明成本低、快捷、精密、可重复，可降低模具设计与制造费用，提高加工精度和工作效率，并可用于常规难成形材料的基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形。

Description

一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置及其方法

技术领域

本发明属于微机电系统（MEMS）加工技术和激光微加工技术，具体涉及一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形方法及其装置，特别适用于微金属箔材的微塑性成形领域。

背景技术

板材的塑性成形方法很多，包括冲压、喷丸成形、爆炸成形等。最常见的是冲压成形生产各种饭金件，其缺点是模具费用高,生产周期长,同时由于受应力状态等因素的影响，成形极限受到限制，成形后的表面强度通常也会降低。喷丸成形是利用球丸高速冲击材料表面使之发生塑性变形，能够在材料表层形成残余压应力，从而改善工件的抗疲劳性能，但工件表面形貌质量差，工艺过程难以控制。爆炸成形是利用高能炸药爆炸产生的冲击波成形，所用模具较为简单，但可控性和成形精度都很差，危险程度高。 

申请号为200610161353.5的中国专利基于大光斑单次激光冲击的薄板半模精密成形方法，提出用激光诱导的冲击波压力作用在金属薄板，依据成形半模的作用，单次激光冲击使金属薄板整体精确成形，其适应于常规方法难以成形的小面积金属超薄板料的塑性成形。这种成形方法就激光冲击凹模仿形来说，可节约一半模具，但依然需要传统模具，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。申请号为200910031039.9 的中国专利一种基于聚氨酯橡胶模的激光冲击成形方法，提出用激光诱导的冲击波作为成形的力源，用聚氨酯橡胶模作为激光冲击成形的凹模，改变板料在冲击波作用下的受力状况，实现复杂曲面的冲击成形。但聚氨酯橡胶模属于弹性材料，冲击波卸载之后形变会发生完全回弹，由于与已经成形的工件紧密贴合，会迫使工件发生部分回复，影响工件精度。 

发明内容

针对现有技术中微塑性成形装置及方法存在的上述不足，本发明提供一种成本低、快捷、精密、可重复，可降低模具设计与制造费用，提高加工精度和工作效率，并可用于常规难成形材料的基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形方法及其装置。

本发明的技术方案是:

一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置，包括激光加载系统、平台移动系统、成形系统、控制系统，所述成形系统包括作为模具的橡皮泥、工件、吸收层薄膜、光学介质、掩模、环形压块；工件设置于橡皮泥上，工件的上方压附有作为约束层的透明光学介质，光学介质与工件之间设置有吸收层薄膜，光学介质上方设置有用于改变激光光斑大小与形状的掩模，掩模上方设有环形压块，通过环形压块将掩模、光学介质、吸收层薄膜、工件、橡皮泥紧固在平台移动系统上。

进一步，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直接进入所述成形系统。

进一步，所述平台移动系统包括三维移动平台和L型底座；所述成形系统通过三维移动平台固定于L型底座上。

进一步，所述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。

一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置的成形方法，该方法将经过掩模改变光斑的激光作用于工件形成凸模，以橡皮泥材料作凹膜，使工件变形；具体包括如下步骤：

A、清洗工件表面，保证工件的清洁；

B、在工件上方压附透明光学介质作为约束层，光学介质与工件之间放置吸收层薄膜，光学介质上方放置掩模，以改变激光光斑大小与形状；

C、在工件下方放置橡皮泥作为模具，通过环形压块将掩模、光学介质、吸收层薄膜、工件、橡皮泥紧固在三维移动平台上；

D、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掩模上，然后对纳秒激光进行单次或多次发射操作，从而实现工件的单次或多次激光冲击。

进一步，所述激光的工作状态参数为波长532nm或1064nm。

进一步，所述光学介质为微米尺度厚。

本发明的有益效果是：

本发明是一种精确、非接触式的使用激光诱导的冲击波基于橡皮泥模的成形技术。以橡皮泥作为激光冲击成形的凹模，橡皮泥的硬度比工件硬度低的多，激光冲击时可避免工件表面划伤，进行表面无损成形。同时，由于工件与橡皮泥模互相贴合着进行变形，所造成的压应力状态，能够减少工件的回弹变形，易于精密成形。

本发明采用透过掩模的脉冲激光作为成形力源，掩模孔大小形状可变，激光参数精确可控，可根据在线检测系统反馈的工件变形量数据不断调整激光参数，控制激光冲击的轨迹，可通过累积方式成形，多次重复冲击加载重复性好，易实现自动化生产。同时，基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形是高应变率快速成形，融材料改性强化与成形于一体，能够显著提高材料的机械性能；工件所形成高幅值残余压应力，工件的抗疲劳强度和耐腐蚀性能得以明显提高。

附图说明

图1是本发明一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置的结构示意图；

图2是本发明一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置的成形方法的工作过程原理图；

图3是通过三角形掩模改变激光光斑后的成形工件示意图；

图4是通过方形掩模改变激光光斑后的成形工件示意图；

图5是通过环形掩模改变激光光斑后的成形工件示意图。

图中：1.L型底座，2.三维移动平台，3.橡皮泥，4.工件，5.吸收层薄膜，6.光学介质，7.掩模，8.环形压块，9.聚焦镜，10.反射镜，11.纳秒激光器，12.激光控制器，13计算机，14.三维移动平台控制器。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置的结构如图1所示，包括激光加载系统、平台移动系统、成形系统、控制系统连接。激光加载系统由纳秒激光器11、反射镜10、聚焦透镜9组成，由纳秒激光器发出的激光光束经过反射境10和聚焦透镜9后直接进入成形系统；成形系统包括环形压块8、掩模7、光学介质6、吸收层薄膜5、工件4和橡皮泥3，成形系统通过环形压块8置于平台移动系统上；平台移动系统由三维移动平台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；控制系统由三维移动平台控制器14、激光控制器12、计算机13组成，计算机13通过三维移动平台控制器14控制三维移动平台2的平面移动，通过激光控制器12控制纳秒激光器11的工作状态。

本发明一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形方法的工作过程原理如图2所示。先采用无水酒精清洗工件表面，保证工件的清洁；工件上方压附微米尺度厚的一块透明光学介质作为约束层，光学介质与工件之间放置吸收层薄膜，光学介质上方放置掩模，以改变激光光斑大小与形状；在工件下方放置橡皮泥作为模具，通过环形压块将掩模、光学介质、吸收层薄膜、工件、橡皮泥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掩模上，然后对纳秒激光进行单次或多次发射操作，从而实现工件的单次或多次激光冲击。

激光的工作状态参数为波长532nm或1064nm输出单或多脉冲，光学介质材料为K9玻璃，吸收层薄膜材料为铝膜。

采用纳秒激光经过聚焦透镜9最终传递到成形系统上，通过掩模7改变激光入射光斑的大小形状，透过光学介质6辐射吸收层薄膜5表面，使吸收层薄膜5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5发生超速塑性形变，工件4在吸收层薄膜5的冲击压力及橡皮泥模3的联合作用下发生变形。

图3至图5是基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形工件示意图，其中：图3是通过三角形掩模改变激光光斑后的成形工件示意图；图4是通过方形掩模改变激光光斑后的成形工件示意图；图5是通过环形掩模改变激光光斑后的成形工件示意图。其步骤包括：首先，选择工件，橡皮泥模和具有合适形状大小的孔的掩模，将吸收层薄膜覆盖在工件上，调整工件和橡皮泥模的位置，在吸收层薄膜上覆盖光学介质，在光学介质上放置掩模，通过三维移动平台调整成形系统的位置将脉冲激光作用于成形系统，移去模具，清洗工件及模具。

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。

本发明先通过掩模改变激光光斑，激光光斑作用于工件作为凸模，橡皮泥模作为成形的凹模，使工件在激光和橡皮泥模的联合作用下发生变形。通过改变掩模孔的大小形状，获得不同形状大小的激光光斑，可成形不同形状的工件。利用橡皮泥作为可变凹模，在冲击过程中橡皮泥模与工件紧密贴合在一起，工件受力均匀，不会产生擦伤，提高了工件质量。同时，由于工件与橡皮泥模互相贴合着进行变形，所造成的压应力状态，能够减少工件的回弹变形。本发明特别适合金属薄板的精密成形，还可应用于材料的表面冲击强化处理，具有较大的柔性。

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 (7)

1.一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置，包括激光加载系统、平台移动系统、成形系统、控制系统，其特征在于：所述成形系统包括作为模具的橡皮泥（3）、工件（4）、吸收层薄膜（5）、光学介质（6）、掩模（7）、环形压块（8）；工件（4）设置于橡皮泥（3）上，工件（4）的上方压附有作为约束层的透明光学介质（6），光学介质（6）与工件之间设置有吸收层薄膜（5），光学介质（6）上方设置有用于改变激光光斑大小与形状的掩模（7），掩模（7）上方设有环形压块（8），通过环形压块（8）将掩模（7）、光学介质（6）、吸收层薄膜（5）、工件（4）、橡皮泥（3）紧固在平台移动系统上。

2.根据权利要求1所述的一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置，其特征在于：所述激光加载系统包括纳秒激光器(11)、反射镜(10)、聚焦透镜(9)；由纳秒激光器(11)发出的激光光束经过反射境（10）和聚焦透镜（9）后直接进入所述成形系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置，其特征在于：所述平台移动系统包括三维移动平台（2）和L型底座（1）；所述成形系统通过三维移动平台（2）固定于L型底座（1）上。

4.根据权利要求1所述的一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置，其特征在于：所述控制系统包括三维移动平台控制器(14)、激光控制器(12)、计算机(13)，计算机（13）通过三维移动平台控制器(14)控制三维移动平台（2）的平面移动，通过激光控制器(12)控制纳秒激光器（11）的工作状态。

5.一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置的成形方法，其特征在于：将经过掩模（7）改变光斑的激光作用于工件（4）形成凸模，以橡皮泥（3）材料作凹膜，使工件变形；具体包括如下步骤：

A、清洗工件（4）表面，保证工件（4）的清洁；

B、在工件（4）上方压附透明光学介质（6）作为约束层，光学介质（6）与工件（4）之间放置吸收层薄膜（5），光学介质（6）上方放置掩模（7），以改变激光光斑大小与形状；

C、在工件（4）下方放置橡皮泥（3）作为模具，通过环形压块（8）将掩模（7）、光学介质（6）、吸收层薄膜（5）、工件（4）、橡皮泥（3）紧固在三维移动平台（2）上；

D、开启纳秒激光器（11），调节好光路，使由纳秒激光器（11）输出的激光经过透镜聚焦在掩模（7）上，然后对纳秒激光进行单次或多次发射操作，从而实现工件（4）的单次或多次激光冲击。

6.根据权利要求5所述的一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置，其特征在于：所述激光的工作状态参数为波长532nm或1064nm。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置，其特征在于：所述光学介质（6）为微米尺度厚。

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