CN104841750A - 一种基于激光冲击波的微冲裁装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于激光冲击波的微冲裁装置。凹模镶块的外圆柱面通过过盈配合安装于下模座的沉孔内；顶块通过配合面与下模座的内圆柱面互相配合安装在下模座内；预紧螺母通过外螺纹与下模座的内螺纹配合安装在下模座内，位于顶块下方；弹簧安装在顶块的圆柱面和预紧螺母的圆柱面上；在凹模镶块的上端面上依次覆盖金属薄膜、吸收层和掩膜，并通过夹具系统保证掩膜的掩膜孔对准凹模镶块的切断模孔；水膜覆盖在掩膜和吸收层上；激光束透过水膜分别辐照在掩膜和吸收层上，采用本发明可以获得大批量、外形复杂、高尺寸精度、高断口质量的微零件。
Description
技术领域
本发明涉及微制造领域，具体地是指一种基于激光冲击波的微冲裁装置。
背景技术
随着微机电系统的飞速发展，对微零件的需求量也越来越大；当前，面向MEMS系统的加工技术主要有LIGA、光刻、刻蚀、微挤压、微压印、微钣金、微拉深、微冲压、微锻、微轧制和微无模成形工艺，这些工艺受到加工效率低、成本高、污染环境等问题的限制。
近年来，随着激光技术的飞速发展，激光技术开始广泛应用在微零件的制造，利用高功率脉冲激光与材料相互作用产生的力学效应，在材料加工领域受到了人们越来越多的关注，在微零件的制备方面得到了广泛的应用；中国专利ZL201010505869.3和ZL201010505882.9提出了一种利用激光冲击波加载飞片，使飞片获得一个动能撞击工件实现工件的微成形，该方法中飞片由于受到高能量的激光冲击波的作用，将产生严重塑性变形，严重塑性变形的飞片撞击工件表面，使获得的微成形工件不平整；由于飞片在空气中飞行，将会有很大的动量损失，从而大幅度降低成形效果；此外，采用飞片撞击的方法无法实现零件的切断；中国专利ZL201110239514.9提出了一种基于激光冲击波效应的微冲裁和成形方法，该方法采用先切断后成形的方法，在进行切断时，工件下部是空气，由于激光冲击波在作用区域内不可能是均匀的，工件将产生不规则变形，影响工件的成形精度；由于激光冲击波同时作用于毛胚和工件，因此无法对冲裁间隙进行控制，从而影响工件的尺寸精度和断面质量；此外，工件在激光冲击波作用下在进行切断和成形时，激光冲击波透过工件后作用在剪切模上，剪切模的刃口在冲击波作用下将产生塑性变形，影响模具的使用寿命；此外，上述三个专利都无法加工外形复杂的微零件。
发明内容
本发明针对以上技术的不足，提供了一种基于激光冲击波的微冲裁装置，在冲裁过程中，可以对薄板实现精确的压边，控制冲裁间隙，获得大批量、外形复杂、高尺寸精度、高断口质量的微零件。
本发明的一种基于激光冲击波的微冲裁装置，凹模镶块的外圆柱面通过过盈配合安装于下模座的沉孔内；顶块通过配合面与下模座的内圆柱面互相配合安装在下模座内；预紧螺母通过外螺纹与下模座的内螺纹配合安装在下模座内，位于顶块下方；弹簧安装在顶块的圆柱面和预紧螺母的圆柱面上；在凹模镶块的上端面上依次覆盖金属薄膜、吸收层和掩膜，并通过夹具系统保证掩膜的掩膜孔对准凹模镶块的切断模孔；水膜覆盖在掩膜和吸收层上；激光束透过水膜分别辐照在掩膜和吸收层上。
所述的激光束为聚焦后的脉冲激光束，脉宽为10-100ns，脉冲能量为0.1-1J，聚焦后的激光束透过水膜到达吸收层时，其直径大于掩膜孔径向最大尺寸的2倍。
所述的水膜的厚度为1~1.5mm。
所述的吸收层的材质为铝箔或者黑漆，厚度为50~150 μm。
所述的掩膜，材质为强高硬度钢，如T7、20Cr、40Cr等模具钢，厚度为0.5mm，掩膜孔的外形为圆形、正方形或者其他异形孔，且与凹模镶块的切断模孔的外形相似，掩膜孔的尺寸比切断模孔的尺寸小3~10 μm。
所述的金属薄膜的厚度介于20~300μm之间。
所述的凹模镶块的材质为高强高硬度钢，如T7、20Cr、40Cr等模具钢，凹模镶块的上端面与下模座的上端面在同一平面内，凹模镶块的厚度为1mm，其切断模孔水平方向的尺寸介于30~100μm之间。
所述的顶块的材质为高强高硬度钢，如硬质合金、20Cr、40Cr等，顶块的上端面与凹模镶块的上端面在同一平面内。
所述的弹簧能提供的顶件力范围为0.1~3N。
本发明的原理为：高能脉冲激光的一部分透过透明水膜辐照在掩膜的上表面，另一部分透过水膜和掩膜孔，形成特定形状的激光光斑辐照在吸收层表面；掩膜的上表面吸收激光能量在水膜的约束下产生等离子爆炸，产生一个巨大的压力，该压力将掩膜、吸收层和金属薄膜压紧在下模座上，在1.7ps之后，另一部分具有特定形状的激光束到达吸收层，吸收层吸收的激光能量在水膜的约束下产生等离子爆炸，形成冲击波，该冲击波的压力远大于顶块提供的向上压力，在该具有特定轮廓的冲击波和凹模镶块的切断模孔作用下，金属薄膜和顶块同时向下运动，金属薄膜被切断，获得一个具有特定形状的平整的微零件。
实施本发明的有益效果为：掩膜孔的外形与凹模镶块的切断模孔的外形相似，可以获得形状精确的压紧力，提高切口质量，并获得特定轮廓的激光冲击波；掩膜孔的尺寸略小于切断模孔的尺寸，通过控制掩膜孔的尺寸，可以控制冲击波与切断模孔的冲裁间隙，从而控制切口质量；预紧螺母和弹簧组成的顶件力装置，可以用来调节顶块的压力；顶块提供一定的压力，可以获得平整的微零件；掩膜、凹模镶块和顶块采用高强高硬度钢，可以使防止这些零部件在高强冲击波作用下发生变形，重复利用这些零部件；最终可以获得大批量、外形复杂、断口质量良好、尺寸精确的微冲裁零件。
附图说明
图1：基于激光冲击波的微冲裁装置示意图。
图中包括，1激光束、2水膜、3掩膜、4吸收层、5金属薄膜、6凹模镶块、7顶块、8弹簧、9预紧螺母、10下模座、11夹具系统。
图2：掩膜示意图。
图中包括，31掩膜孔。
图3：凹模镶块示意图。
图中包括，61上端面、62切断模孔、63倒角、64外圆柱面。
图4：顶块示意图。
图中包括，71上端面、72配合面、73圆柱面。
图5：预紧螺母示意图。
图中包括，91圆柱面、92外螺纹。
图6：下模座示意图。
图中包括，101上端面、102沉孔、103内圆柱面、104内螺纹。
具体实施方式
为更好的阐述本发明的实施细节，下面结合附图对本发明的一种基于激光冲击波的微冲裁装置进行详细说明。
本发明的一种基于激光冲击波的微冲裁装置，包括激光束1、水膜2、掩膜3、吸收层4、金属薄膜5、凹模镶块6、顶块7、弹簧8、预紧螺母9、下模座10、夹具系统11；具体动作过程如下：激光束1的一部分透过透明水膜2辐照在掩膜3的上表面，另一部分透过水膜2和掩膜孔31，形成特定形状的激光光斑辐照在吸收层4的表面；掩膜3的上表面吸收激光束1的能量在水膜2的约束下产生等离子爆炸，产生一个巨大的压力，该压力将掩膜3、吸收层4和金属薄膜5压紧在下模座10上，在大约几个皮秒之后，另一部分具有特定形状的激光束到达吸收层4，吸收层吸收的激光能量在水膜2的约束下产生等离子爆炸，形成冲击波，在切断模孔62作用下，部分金属薄膜5和顶块7同时向下运动，金属薄膜5被切断，获得一个具有特定形状的平整的微零件。
实施实例一：
本实例中所述的激光束1脉宽为10ns，最高脉冲能量0.4J，聚焦后光斑直径为200μm；掩膜3上表面距离水膜2上表面的距离为1mm；掩膜3为T7钢，厚度为0.5mm，掩膜孔形状为直径为76μm的圆孔；吸收层4为厚度为50μm的铝箔；金属薄膜5为厚度为100μm的A304不锈钢薄膜；凹模镶块6的材质为T7钢，凹模镶块6的切断模孔为直径为80μm的圆孔；顶块7的材质为硬质合金钢；弹簧8提供的顶件力为0.8N。
采用本发明的一种基于激光冲击波的微冲裁装置后，成功地在制备出了大批量高尺寸精度的直径为80μm，高度为100 μm的A304不锈钢微圆柱。
实施实例二：
本实例中所述的激光束1脉宽为15ns，最高脉冲能量0.5J，聚焦后光斑直径为200μm；掩膜3上表面距离水膜2上表面的距离为1mm；掩膜3为20Cr钢，厚度为0.5mm，掩膜孔形状为边长为95μm的等边三角形；吸收层4为厚度为100μm的黑漆；金属薄膜5为厚度为100μm的H62黄铜；凹模镶块6的材质为20Cr钢，凹模镶块6的切断模孔为边长为100μm的等边三角形；顶块7的材质为20Cr钢；弹簧8提供的顶件力为1.2N。
采用本发明的一种基于激光冲击波的微冲裁装置后，成功地在制备出了大批量高尺寸精度的边长为100μm，高度为100 μm的H62黄铜微三棱柱。
实施实例三：
本实例中所述的激光束1脉宽为20ns，最高脉冲能量1J，聚焦后光斑直径为400μm；掩膜3上表面距离水膜2上表面的距离为1mm；掩膜3为40Cr钢，厚度为0.5mm，掩膜孔形状为内齿轮孔，分度圆直径为170μm，齿数为10，模数为17；吸收层4为厚度为100μm的黑漆；金属薄膜5为厚度为80μm的45钢；凹模镶块6的材质为40Cr钢，凹模镶块6的切断模孔为内齿轮孔，其分度圆直径为180μm，齿数为10，模数为18；顶块7的材质为40Cr钢；弹簧8提供的顶件力为1.5N。
采用本发明的一种基于激光冲击波的微冲裁装置后，成功地在制备出了大批量高尺寸精度的分度圆直径为180 μm，齿数为10，模数为18，高度为80 μm的45钢微齿轮。
Claims (9)
1.一种基于激光冲击波的微冲裁装置，其特征在于：凹模镶块的外圆柱面通过过盈配合安装于下模座的沉孔内；顶块通过配合面与下模座的内圆柱面互相配合安装在下模座内；预紧螺母通过外螺纹与下模座的内螺纹配合安装在下模座内，位于顶块下方；弹簧安装在顶块的圆柱面和预紧螺母的圆柱面上；在凹模镶块的上端面上依次覆盖金属薄膜、吸收层和掩膜，并通过夹具系统保证掩膜的掩膜孔对准凹模镶块的切断模孔；水膜覆盖在掩膜和吸收层上，掩膜孔的外形与凹模镶块的切断模孔的外形相似；高能脉冲激光的一部分透过透明水膜辐照在掩膜的上表面，另一部分透过水膜和掩膜孔，形成特定形状的激光光斑辐照在吸收层表面；掩膜的上表面吸收激光能量在水膜的约束下产生等离子爆炸，产生一个巨大的压力，该压力将掩膜、吸收层和金属薄膜压紧在下模座上；另一部分具有特定形状的激光束到达吸收层后，吸收层吸收的激光能量在水膜的约束下产生等离子爆炸，形成冲击波，该冲击波的压力远大于顶块提供的向上压力，在该具有特定轮廓的冲击波和凹模镶块的切断模孔作用下，金属薄膜和顶块同时向下运动，金属薄膜被切断，获得一个具有特定形状的平整的微零件。
2.如权利要求1所述的一种基于激光冲击波的微冲裁装置，其特征在于：所述的高能脉冲激光为聚焦后的脉冲激光束，脉宽为10-100ns，脉冲能量为0.1-1J，聚焦后的激光束透过水膜到达吸收层时，其直径大于掩膜孔径向最大尺寸的2倍。
3.如权利要求1所述的一种基于激光冲击波的微冲裁装置，其特征在于：所述的水膜的厚度为1~1.5mm。
4.如权利要求1所述的一种基于激光冲击波的微冲裁装置，其特征在于：所述的吸收层的材质为铝箔或者黑漆，厚度为50~150 μm。
5.如权利要求1所述的一种基于激光冲击波的微冲裁装置，其特征在于：所述的掩膜，材质为强高硬度钢，具体为T7、20Cr或40Cr模具钢，厚度为0.5mm，掩膜孔的外形为圆形、正方形或者其他异形孔，且与凹模镶块的切断模孔的外形相似，掩膜孔的尺寸比切断模孔的尺寸小3~10 μm。
6.如权利要求1所述的一种基于激光冲击波的微冲裁装置，其特征在于：所述的金属薄膜的厚度介于20~300μm之间。
7.如权利要求1所述的一种基于激光冲击波的微冲裁装置，其特征在于：所述的凹模镶块的材质为高强高硬度钢，具体为T7、20Cr或40Cr模具钢，凹模镶块的上端面与下模座的上端面在同一平面内，凹模镶块的厚度为1mm，其切断模孔水平方向的尺寸介于30~100μm之间。
8.如权利要求1所述的一种基于激光冲击波的微冲裁装置，其特征在于：所述的顶块的材质为高强高硬度钢，具体为硬质合金、20Cr或40Cr，顶块的上端面与凹模镶块的上端面在同一平面内。
9.如权利要求1所述的一种基于激光冲击波的微冲裁装置，其特征在于：所述的弹簧能提供的顶件力范围为0.1~3N。
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