CN105642729B - 一种多工艺参数匹配的激光冲击成形模具、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多工艺参数匹配的激光冲击成形模具、系统及方法，包括用于透过激光的压板和用于支撑加工件并提供成形腔室的底盘，压板位于垫板的上方，其中，压板上设置有若干组通孔和第一定位孔组，若干组通孔和若干组成形腔均成阵列状排布，底盘包括垫板和设置于垫板下方的底板，垫板上设置有若干组通孔，底板上设置有若干组凸起，垫板上的通孔和底板上的凸起配合，构成成形腔，成形腔的高度可以调节。通过压板上的第一定位孔组、垫板上的第二定位孔组以及底板上的第三定位孔组的简单错位和调节底板上的凸起高度的调节，即可形成大量的尺寸配对，方便、快捷、全面地调节激光冲击成形模具相关的工艺参数。

Description

一种多工艺参数匹配的激光冲击成形模具、系统及方法

技术领域

本发明涉及先进制造领域，具体涉及一种多工艺参数匹配的激光冲击成形模具、系统及方法。

背景技术

先进制造技术是一门综合性、交叉性前沿学科和技术，内容广泛。激光冲击技术作为目前激光技术的热门研究方向，以其高能、高压、高应变率等特点吸引了广泛的关注。激光冲击技术的原理是将高功率密度的脉冲激光束照射到材料表面，形成等离子体爆轰波，利用等离子爆轰波作用于材料从而实现所期望的处理效果。

目前，利用激光冲击对材料进行表面处理的相关技术已经日趋成熟，利用激光冲击使材料成形的相关技术逐渐成为近几年的研究热点。不同的激光冲击工艺，例如激光冲孔，激光胀形，激光冲击铆接等，需要的模具不同。此外，现有的激光冲击模具存在以下问题：(1)激光冲击模具的规格较为单一，工艺参数可调节性差；(2)成形腔密封，气体排出不畅；(3)激光光斑中心定位不准，在待加工区定位，容易造成加工发生偏差；(4)对各种激光冲击成形工艺通用性差等问题。

发明内容

针对现有的激光冲击模具存在的问题，本发明提供一种多工艺参数匹配的激光冲击成形模具、系统及方法，该模具、系统和方法能够便捷、全面地调节模具工艺参数，并便于激光光斑定位，且对多种激光冲击成形工艺均具有良好的适应性。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案如下：

一种多工艺参数匹配的激光冲击成形模具，包括用于控制通过的激光束直径并压紧材料的压板和用于支撑加工件并提供成形腔室的底盘，压板位于底盘的上方，其中，压板上设置有若干组通孔和第一定位孔组，组内通孔的直径相同，组间通孔的直径不同；底盘上设置有若干组成形腔和第二定位孔组，组内成形腔的直径相同，组内成形腔的高度相同或不同，组间成形腔的直径不同，组间成形腔高度相同或不同；压板上的第一定位孔组与底盘上的第二定位孔组中的不同位置配合时，可以组成多种直径尺寸的激光束与多种直径、高度的成形腔配对。

优选的，所述底盘包括垫板和设置于垫板下方的底板，垫板上设置有若干组通孔和第二定位孔组，组内通孔的直径相同，组间通孔的直径不同；底板上设置有若干组凸起和第三定位孔组，组内凸起直径相同，高度相同或不同，组间凸起直径不同，高度相同或不同；垫板上的通孔和底板上的凸起配合，构成成形腔。垫板上的第二定位孔组与底板上的第三定位孔组不同位置配合时，可以组合出不同特征尺寸的成形腔。

进一步优选的，所述若干组凸起固定在底板上，垫板与底板之间的距离可调，通过调节垫板和底板之间的距离，调节成形腔的高度。

进一步优选的，所述垫板和和底板之间的距离固定，底板上设置有若干组螺纹孔，与螺纹孔配合的螺栓的顶部设置所述凸起，凸起部分的直径不同，通过调节螺栓的位置，调节成形腔的高度，成形腔的高度可调，方便适用于不同的工艺条件和不同的加工方法。

优选的，第一定位孔组包括定位销安装孔和锁紧螺栓安装孔。

优选的，第二定位孔组包括多个定位孔，多个定位孔之间连续排列或非连续排列。

优选的，第三定位孔组包括多个定位孔，多个定位孔之间连续排列或非连续排列。

优选的，压板和垫板上的若干组通孔成阵列状排布。

进一步优选的，压板和垫板上的若干组通孔按照通孔直径梯度排列或先按照直径从大到小排列再按照直径从小到大排列或先按照直径从小到大排列再按照直径从大到小排列。

优选的所述若干组成形腔呈阵列状排布。

进一步优选的，所述若干组成形腔按照通孔直径梯度排列或先按照直径从大到小排列再按照直径从小到大排列或先按照直径从小到大排列再按照直径从大到小排列。

优选的，所述压板上还设置有光斑定位孔或光斑定位孔组，光斑定位孔设置于压板的边缘，或光斑定位孔组分布在压板边缘的不同位置处。

优选的，成形腔存在气体排出通道。

进一步优选的，底板上的凸起与垫板上的通孔之间间隙配合，底板与垫板之间设置通气垫。

更进一步优选的，所述通气垫设置于靠近锁紧螺栓的位置，可以避免锁紧带来的模具变形。

激光冲击成形是一个高应变率的过程，空气阻力对成形的影响是不可忽略的，密闭的成形腔，在高速成形时，气流无法排出，会严重影响成形效果。激光冲击成形时，成形腔周边底角对成形并没有帮助，本发明利用通孔与凸起的间隙可以快速、顺畅地排出成形腔内的气体。

优选的，所述底盘的下端还设置有与其他装置配合的安装接口。

进一步优选的，所述底板的一个角设置为其定位作用的缺角，底板上设置有至少一个固定孔。

一种多工艺参数匹配的激光冲击成形模具，其特征在于：包括用于控制通过的激光束直径并压紧材料的压板和用于支撑加工件并提供成形腔的底盘，压板位于底盘的上方，其中，压板上设置有若干组通孔和第一定位孔组，底盘包括垫板和设置于垫板下方的底板，垫板设置有若干组通孔，底板上设置有若干组凸起，垫板上的通孔和底板上的凸起配合，构成成形腔，凸起与通孔之间的距离可以调节，若干组通孔和若干组成形腔均成阵列状排布。

一种激光冲击成形系统，其特征在于：包括激光发生器、位移台、上述激光冲击成形模具和控制系统，所述激光冲击成形模具固定在位移台上，激光发生器产生的激光可以垂直照射到模具工作平面，控制系统分别与激光发生器和位移台连接。

上述激光冲击成形模具的使用方法，包括如下步骤：

1)通过调整压板上的第一定位孔组和垫板上的第二定位孔组之间的相对位置，调节通过的激光束的直径和成形腔的直径；

2)通过调节垫板上的第二定位孔组与底板上的第三定位孔组之间的相对位置，调节凸起的直径；

3)通过调节底板上的凸起与垫板上的通孔之间的距离，调节成形腔的高度；

4)调整好后，将待加工工件放入压板与垫板之间，定位，锁紧，然后进行加工。

在不影响使用的情况下，以上步骤的顺序可调整，或部分步骤可省略。

本发明的有益技术效果为：

1)方便、快捷、全面地调节激光冲击成形模具相关的工艺参数。通过压板上的第一定位孔组、垫板上的第二定位孔组以及底板上的第三定位孔组的简单错位和调节底板上的凸起与通孔板上的通孔之间的距离，即可形成大量的尺寸配对；激光冲击成形中模具相关的工艺参数已基本覆盖。

2)解决了成形腔的空气排出问题，垫板上的通孔与底板上的凸起之间的空隙，使得空气排出非常均匀、畅通，有利于更好地成形。

3)设置了光斑定位孔作为激光冲击的零基准位置，后续冲击时，只需要定量调节模具位置即可；利用光斑定位孔来确定激光光斑位置而不是在待冲击处直接定位，可以减少激光冲击对工作位置的冲击，提高模具使用寿命。

4)模具与位移台的接口并未采用简单的四个大通孔，而是一端插入式，通过缺角进行定位，并通过固定孔进行固定，模具安装拆卸较为方便，提高了安装拆卸的效率。

5)本发明的通用性好，对于研究激光冲孔、激光胀形、激光冲击铆接等激光冲击技术均可通用；恰当地选取模具制作材料，本发明可适用于不同材质的约束层(如玻璃、水等)下的激光冲击。

附图说明

图1是本发明的激光冲击成形模具装配图；

图2是图1的模具装配图的左视图；

图3是一个激光冲击成形单元的剖面示意图；

图4是本发明中各种功能的孔的分类说明示意图；

图5是一种激光冲击成形系统的结构示意图。

其中，1、压板，2、垫板，3、底板，4、通气垫，5、垫块，6、调节螺栓M8，7、调节螺栓M5，8、调节螺栓M4，9、锁紧螺栓及螺母，10、定位销，11、约束层，12、金属箔，13、矩阵分布的螺纹孔，14(1)、压板上的通孔，14(2)、垫板上的通孔，15、光斑定位孔，16、锁紧孔，17(1)、第一定位孔组，17(2)、第二定位孔组，17(3)、第三定位孔组，18、安装孔，19、激光发生器，20、凸透镜，21、电动位移台，22、控制系统。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的技术方案的细节。

实施例1

如图1到图4中所示，压板1、垫板2上开有矩阵分布的通孔(图4中的14(1)和14(2)分别指压板1和垫板2上矩阵分布的通孔，统一用序号14表示)，通孔中心在水平和竖直方向的间距分别为a和b，即通孔14分布在间隔a×b的矩阵节点上。在竖直方向上，通孔直径尺寸呈梯度分布，底板3上的螺纹孔13，也分布在间隔a×b的矩阵节点上，螺纹孔13直径与调节螺栓6、7、8相配合，调节螺栓末端加工成特定尺寸的圆柱形凸起(如图3所示)，安装好的调节螺栓末端凸起的直径尺寸在竖直方向上呈梯度分布。压板1、垫板2、底板3的竖直方向开有一系列线性分布的定位孔17(图4中的17(1)、17(2)、17(3)分别指压板1、垫板2、底板3上线性分布的定位孔，统一用序号17表示)，定位孔17间距与矩阵分布的通孔14在竖直方向间距一致；压板1上开有安装锁紧螺栓的锁紧孔16；压板1四角上距离矩阵分布的通孔14一定距离处开有光斑定位孔15；底板3上开有与电动位移台21配合的安装孔18；严格控制各种孔的直径尺寸和位置尺寸。通气垫4、垫块5边缘平滑整齐，尺寸大小满足模具调试安装需要。

通过定位孔17来调整压板1与垫板2的相对位置，可以形成不同尺寸的通孔14配对，对应于图3中不同大小的D₁和D₂配对，D₁控制着通过的激光束尺寸，D₂是成形腔的直径尺寸；类似地，通过定位孔17调节压板1和垫板2的组合相对于底板3的位置，可以调节图3中D₃大小，D₃是位于成形腔底部的调节螺栓末端凸起的直径；调节螺栓6、7、8的高度在一定范围内可以连续地调整，从而可以调节图3中H大小，H决定了成形腔的高度的尺寸。通过定位孔17的错位来调整压板1、垫板2、底板3上矩阵分布的孔的配对，配合高度连续变化的调节螺栓6、7、8所形成的一系列成形腔高度，可以组合出大量的模具工艺参数配对。

激光冲击成形是一个高应变率的过程，空气阻力对成形的影响是不可忽略的，密闭的成形腔，在高速成形时，气流无法排出，会严重影响成形效果。激光冲击成形时，成形腔周边底角对成形并没有帮助，本发明将传统的成形腔改造成垫板2与调节螺栓组合的成形腔，垫板2的通孔14(2)与调节螺栓6、7、8存在间隙，有利于成形腔空气的排出(如图3所示)。

如图4所示，底板3上序号18所指示的，是模具与电动位移台的安装孔，利用安装孔18将模具安装到电动位移台上，可以通过电动位移台来精确地调节模具的位置。压板1上序号15所指示圆孔，是光斑定位孔，优选的直径尺寸在2mm以下。在使用激光冲击之前，通过电动位移台的移动，使激光束与光斑定位孔同轴，并将此位置作为激光冲击的零基准位置，然后，利用电动位移台定量控制模具位移，从而准确定位激光光斑中心于任意一个拟冲击的位置。

使用该模具进行激光冲孔时，可以通过调节螺栓调整出很大的成形腔高度H；进行激光冲击胀形或激光冲击铆接时，往往通过调节螺栓来控制成形腔高度H不要过大，以免造成冲击破裂。

模具加工制造：

a)图1、图2中压板1、垫板2、底板3上优选钻床、数控机床、线切割等加工方式制作。严格控制各种孔的直径和定位尺寸，加工完成要求零件边缘和孔边缘、内壁光滑无毛刺；底板3上加工出通孔以后，再攻丝，要求与调节螺栓可以顺畅地配合。

b)图1、图2中压板1、垫板2、底板3、通气垫4、垫块5优选铜合金、铝合金等材料，要求既耐锈蚀又方便机加工；调节螺栓6、7、8，锁紧螺栓及螺母9，定位销10优选不锈钢标准件；底板3螺纹孔及配套的调节螺栓6、7、8的尺寸，可根据自身需要选择。

c)调节螺栓6、7、8优选细牙螺纹，按照图3示意方式进行机加工，将远离螺栓头的部位加工成需要的圆柱形；垫块5的高度尺寸要求能够满足调节螺栓6、7、8的调节需要；垫块5优选线切割方式加工，要求尺寸均匀，表面平整。

d)通气垫4与垫板2之间优选使用粘结剂进行固定连接，优选的位置为靠近锁紧螺栓及螺母9的位置，从而避免锁紧带来的模具变形；垫块5与底板3之间优选使用粘结剂进行固定连接，优选的位置是靠近电动位移台安装口18的位置。

实施例2

底盘包括垫板2和设置于垫板2下方的底板3，垫板2上设置有若干组通孔，底板3上设置有若干组凸起，垫板2上的通孔和底板3上的凸起配合，构成成形腔。凸起固定在底板3上，底板3与垫板2之间的距离可调，通过调节底板3和垫板2之间的距离，调节成形腔的高度。底板3上的凸起和垫板2上的通孔之间留有间隙，构成气体流出的通路。

压板1和垫板2上的通孔成阵列状排布。先按照直径从大到小排列再按照直径从小到大排列或先按照直径从小到大排列再按照直径从大到小排列。

实施例3

一种激光冲击成形模具，包括压板1和垫板2，压板1位于垫板2的上方，其中，压板1上设置有若干组通孔和第一定位孔组；垫板2上设置有若干组成形腔和第二定位孔组，成形腔底部半封闭，开有若干通气孔，顶部开放。

实施例4

如图5所示，一种激光冲击成形系统，包括激光发生器19、凸透镜20、电动位移台21、上述激光冲击成形模具和控制系统22，激光冲击成形模具固定在电动位移台21上，激光发生器19产生的激光可以垂直照射到模具工作面，控制系统22分别与激光发生器19和电动位移台21连接。

激光冲击成形模具组装完毕以后，利用图4中的电动位移台安装接孔18将模具安装到电动位移台21上。先将下方两个螺栓拧上，将模具插入，简单固定，不要拧紧，再将剩余两个螺栓拧上，使用水平尺调节模具位置，调整完成拧紧螺栓固定。

进行激光冲击成形时，打开激光发生器19，利用凸透镜20配合电动位移台21的运动，调整激光聚焦到需要的光斑尺寸；光斑尺寸调整完成后，调节电动位移台21使激光光斑准确定位于光斑定位孔15中心。

激光光斑定位准确以后，使用电动位移台21定量调整模具位置，任意一个激光冲击单元均可以准确定位，然后即可进行激光冲击作业，冲击完毕，调整电动位移台21使激光光斑移动到下一个激光冲击单元即可进行下一次作业。在模具装配时，一次可以装配多个激光冲击单元，从而提高作业效率。一组激光冲击作业完毕，拆卸工装取出试样，标记标号及工艺参数，妥善保存试样，调整工艺参数，进行下一组作业。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (16)

1.一种多工艺参数匹配的激光冲击成形模具，其特征在于：包括用于控制通过的激光束直径并压紧加工件的压板和用于支撑加工件并提供成形腔的底盘，压板位于底盘的上方，其中，压板上设置有若干组通孔和第一定位孔组，组内通孔的直径相同，组间通孔的直径不同；底盘上设置有若干组成形腔和第二定位孔组，组内成形腔的直径相同，组内成形腔的高度相同或不同，组间成形腔的直径不同，组间成形腔高度相同或不同；压板上的第一定位孔组与底盘上的第二定位孔组中的不同位置配合时，可以组成多种直径尺寸的激光束与多种直径、高度的成形腔配对。

2.根据权利要求1所述的激光冲击成形模具，其特征在于：所述底盘包括垫板和设置于垫板下方的底板，垫板上设置有若干组通孔和第二定位孔组，组内通孔的直径相同，组间通孔的直径不同；底板上设置有若干组凸起和第三定位孔组，组内凸起直径相同，高度相同或不同，组间凸起直径不同，高度相同或不同；垫板上的通孔和底板上的凸起配合，构成成形腔，垫板上的第二定位孔组与底板上的第三定位孔组不同位置配合时，可以组合出不同特征尺寸的成形腔。

3.根据权利要求2所述的激光冲击成形模具，其特征在于：所述若干组凸起固定在底板上，垫板与底板之间的距离可调，通过调节垫板和底板之间的距离，调节成形腔的高度。

4.根据权利要求2所述的激光冲击成形模具，其特征在于：所述垫板和底板之间的距离固定，底板上设置有若干组螺纹孔，与螺纹孔配合的螺栓的顶部设置所述凸起，通过调节螺栓的位置，调节成形腔的高度。

5.根据权利要求2-4任一所述的激光冲击成形模具，其特征在于：第一定位孔组包括定位销安装孔和锁紧螺栓安装孔；

或，第二定位孔组包括多个定位孔，多个定位孔之间连续排列或非连续排列；

或，第三定位孔组包括多个定位孔，多个定位孔之间连续排列或非连续排列。

6.根据权利要求2-4任一所述的激光冲击成形模具，其特征在于：压板和垫板上的若干组通孔呈阵列状排布。

7.根据权利要求6所述的激光冲击成形模具，其特征在于：若干组通孔均按照通孔直径梯度排列或先按照直径从大到小排列再按照直径从小到大排列或先按照直径从小到大排列再按照直径从大到小排列；

或，若干组成形腔呈阵列状排布。

8.根据权利要求7所述的激光冲击成形模具，其特征在于：若干组成形腔按照通孔直径梯度排列或先按照直径从大到小排列再按照直径从小到大排列或先按照直径从小到大排列再按照直径从大到小排列。

9.根据权利要求1-4任一所述的激光冲击成形模具，其特征在于：所述压板上还设置有光斑定位孔或光斑定位孔组，光斑定位孔设置于压板的边缘，或光斑定位孔组分布在压板边缘的不同位置处。

10.根据权利要求2-4任一所述的激光冲击成形模具，其特征在于：成形腔存在气体排出通道。

11.根据权利要求10所述的激光冲击成形模具，其特征在于：底板上的凸起与垫板上的通孔之间间隙配合，底板与垫板之间设置通气垫。

12.根据权利要求2-4任一所述的激光冲击成形模具，其特征在于：所述底盘的下端还设置有与其他装置配合的安装接口。

13.根据权利要求12所述的激光冲击成形模具，其特征在于：所述底板的一个角设置为其定位作用的缺角，底板上设置有至少一个固定孔。

14.一种多工艺参数匹配的激光冲击成形模具，其特征在于：包括用于控制通过的激光束直径并压紧加工件的压板和用于支撑加工件并提供成形腔的底盘，压板位于底盘的上方，其中，压板上设置有若干组通孔和第一定位孔组，底盘包括垫板和设置于垫板下方的底板，垫板设置有若干组通孔，底板上设置有若干组凸起，垫板上的通孔和底板上的凸起配合，构成成形腔，凸起与通孔之间的距离可以调节，若干组通孔和若干组成形腔均成阵列状排布。

15.一种激光冲击成形系统，其特征在于：包括激光发生器、位移台、权利要求1-14任一所述激光冲击成形模具和控制系统，所述激光冲击成形模具固定在位移台上，激光发生器产生的激光可以垂直照射到模具工作平面，控制系统分别与激光发生器和位移台连接。

16.权利要求14所述激光冲击成形模具的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)通过调整压板上的第一定位孔组和垫板上的第二定位孔组之间的相对位置，调节通过的激光束的直径和成形腔的直径；

2)通过调节垫板上的第二定位孔组与底板上的第三定位孔组之间的相对位置，调节凸起的直径；

3)通过调节底板上的凸起与垫板上的通孔之间的距离，调节成形腔的高度；

4)调整好后，将加工件放入压板与垫板之间，定位，锁紧，然后进行加工。