CN106077216A - 一种基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化装置及其方法，所述装置包括脉冲激光产生系统、碟形件成形系统、柔性模放置系统、柔性模放置转换系统和控制系统。无需设计结构复杂的级进模具与复合模具，不存在装配误差，降低了制造复杂模具的成本与周期。利用脉冲激光和柔性薄膜作为加载载荷，利用高精度的碟形件多工艺成形模具保证高精度碟形零件的同轴度要求。将碟形件多工艺成形模装在安装槽中使得碟形件多工艺成形模可以取出，实现了成形废料的有效清除，解决了多次加工后成形废料堵塞模具的问题，延长了模具的使用寿命。利用柔性模放置系统和柔性模放置转换系统，实现了对激光柔性加载成形碟形零件的自动化，提高了生产效率。

Description

一种基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化装置及其方法

技术领域

本发明属于机械先进制造微零件领域，涉及一种基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化装置以及方法。

背景技术

近年来，随着工业技术的发展，产品的微型化成为工业制造发展的重要趋势。与之相关的微零件的制造也变得越来越重要，相应的微成形技术也随之发展起来。微冲裁和微拉深作为新型的塑形加工工艺，越来越受到研究者的关注。然而，目前对于微成形的研究仅限于简单零件，只涉及单个加工工艺，对于涉及多种工艺的复杂零件则研究地较少。

碟形零件的生产制造需要涉及多种加工工艺，包括微拉深，微冲裁，以及微落料。在传统的制造技术中，加工这样的零件主要由三种加工方式进行实现：

第一种加工方式，分三个步骤进行加工。先拉深成形，后冲孔，最后实现落料，相当于拉深成形后的切边整形过程。这种方式的缺点是：涉及多次装夹，存在装夹定位误差，精度差，加工耗时较长，生产效率较低，仅适用于小批量加工精度要求不高的零件。所以在批量生产中，一般不会采用这样的加工方式。

第二种加工方式，利用级进模具进行加工。申请号为201310734972.9的中国专利提出了一种用于加工微型电机的多工位级进模，其设计内容包括在下模部分的凸模、在上模部分的凹模、凹模内推出制件的弹性推件装置、卸料板、固定板及设置于所述固定板和卸料板之间的内导柱。这套模具所涉及的结构较为复杂，而且这种级进模的加工方式会产生步距定位误差和凸、凹模加工及装配误差，导致零件的同轴度很难达到要求。在移动过程中，由于零件尺寸微小，会产生微量变形，影响加工精度，重复定位会影响加工效率，夹具的使用也会增加零件的制造成本。

第三种加工方式，利用复合模具进行加工。裴雨滋等人在《电加工与模具》杂志中发表的论文《碟形件微冲裁冲压复合模具设计》中，设计出了一套能够制造碟形零件的复合模具，包括拉深凹模，拉深凸凹模，冲孔凸模，落料凹模等零件，进而实现先拉深成形，再冲孔，最后完成落料。这种加工方式虽然减少了加工过程中由于装夹带来的误差，但是凸模与凹模之间的对中较为复杂且不易于保证精度。此外，构成模具的结构较复杂，延长了制造周期并增加了制造成本，因此这种加工方式也存在着诸多的不便与问题。

发明内容

针对现有生产技术中存在的诸多问题，本发明提出了一种激光柔性加载成形碟形零件的自动化装置以及方法。本发明无需设计结构复杂的级进模具与复合模具，不存在装配误差，降低了制造复杂模具的成本与周期。利用脉冲激光和柔性薄膜作为加载载荷，利用较高精度的碟形件多工艺成形模具来保证高精度碟形零件的同轴度要求。将碟形件多工艺成形模装配在安装槽中使得碟形件多工艺成形模可以取出，实现了成形废料的有效清除，解决了多次加工后成形废料堵塞模具的问题，延长了模具的使用寿命。利用柔性模放置系统和柔性模放置转换系统，对激光柔性加载成形碟形零件的过程进行自动化，提高了制造过程的生产效率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的：

基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化装置，其特征在于，包括脉冲激光产生系统、碟形件成形系统、柔性模放置系统、柔性模放置转换系统和控制系统；

所述脉冲激光产生系统包括基座、保持架、脉冲激光器、平面反射镜、调焦镜，保持架通过六角螺栓固定在基座的右侧，将平面反射镜和调焦镜安装在保持架上，平面反射镜安装在调焦镜正上方、且位于脉冲激光器发射激光的光路上、并与水平面成45°夹角；

所述碟形件成形系统包括成形支架、碟形件多工艺成形模、成形压边系统、移动平台，所述成形支架的上表面上设有安装槽、上表面下方具有废料收集槽；所述移动平台通过六角螺钉安装在基座上，所述成形支架装在移动平台上，碟形件多工艺成形模装在安装槽中，成形压边系统装于成形支架上；

所述柔性模放置系统包括加载支架、加载传动块、加载旋转块、加载块、电机、加载压边系统，所述加载支架利用螺孔通过六角螺钉安装在基座上；所述电机安装在加载支架的凹槽里；加载旋转块与电机固定连接，所述加载传动块与加载旋转块通过销钉连接；加载传动块与加载块通过销钉相连接；所述加载块以滑动副的形式安装到加载支架上；上所述加载压边系统安装在加载支架上，用于实现柔性模的安装；

所述柔性模放置转换系统包括转换支架、转换电机、旋转台、伸缩缸、柔性加载转换台，所述转换支架通过六角螺钉安装在基座上，所述转换电机通过螺钉安装在转换支架上；所述旋转台安装在转换电机上；所述伸缩缸安装在旋转台上；柔性加载转换台位于旋转台上方、且与伸缩缸连接；所述柔性加载转换台上设置有分别用于安装柔性模、约束层的柔性模安装槽、约束层安装槽，柔性模、约束层之间设置吸收层；

所述成形压边系统、加载压边系统分别通过成形压边气缸、加载压边气缸来施加压边力；

所述控制系统由脉冲激光控制器、计算机、控制箱组成，所述脉冲激光控制器、控制箱均与计算机相连接；所述脉冲激光控制器与脉冲激光器连接，用于控制脉冲激光器的功率密度和脉冲发射频率等参数；所述控制箱与计算机相连，用于控制成形压边气缸、加载压边气缸、伸缩缸、电机、旋转电机的运动。

优选地，所述成形支架上的位于安装槽与废料收集槽之间的废料落入孔的直径比碟形件多工艺成形模的微孔直径大；所述成形槽口为矩形槽，槽深度为10mm。

优选地，所述碟形件多工艺成形模，其剖面呈“凸”字型，上部小圆柱直径为1.4mm，下部大圆柱直径为1.8mm，且上部小圆柱与下部大圆柱至少保证0.01mm的同轴度，微拉深处表面为浅拉深球面，其球面半径为1.523mm，球心至所述成形模表面的距离为1.4mm，球面深度为0.11mm，球面表面粗糙度值达到0.4μm；微孔为通孔，孔直径为0.4mm；所述碟形件多工艺成形模与安装槽之间为过渡配合；碟形件多工艺成形模的上表面和成形支架的上表面在同一高度；所述碟形件多工艺成形模所有的边缘均为近直角特征。

优选地，所述成形压边系统包括成形压边气缸、成形压边伸缩杆、成形压边转动销、成形压边传动块、成形压边转动轴、成形压边压力头，所述成形压边气缸垂直安装在成形支架上、且位于成形支架的右侧；成形压边气缸的成形压边伸缩杆通过成形压边转动销和成形压边传动块的一端铰接；所述成形压边传动块另一端与成形压边转动轴固定连接；成形支架的右侧具有成形耳座，所述成形压边转动轴可转动的装于成形耳座上；两个成形压边压力头的一端均与成形压边转动轴固定连接；所述加载压边系统包括加载压边气缸、加载压边转动销、加载压边传动块、加载压边转动轴、加载压边压力头，加载压边气缸垂直安装在加载支架上、且位于加载支架的左侧；加载压边气缸的伸缩杆通过加载压边转动销和加载压边传动块的一端铰接；所述加载压边传动块另一端与加载压边转动轴固定连接；加载支架的左侧具有加载耳座，所述加载压边转动轴可转动的装于加载耳座上；两个加载压边压力头的一端均与加载压边转动轴固定连接。

优选地，所述柔性加载转换台上的约束层安装槽和柔性模安装槽的数量均为两个，分别位于柔性加载转换台的两端、且呈对称分布，约束层安装槽和柔性模安装槽均呈“U”字型，约束层安装槽在柔性模安装槽的上方，柔性模安装槽的长宽尺寸等于成形支架上表面的长宽尺寸。

优选地，成形支架的侧面设有在竖直方向上延伸的成形槽口；所述加载支架的侧面设置有在竖直方向延伸的加载槽口，为矩形槽，槽深度为10mm。

优选地，所述碟形件成形系统还包括废料收集盒，所述废料收集盒放置在成形支架的废料收集槽中。

优选地，所述约束层安装槽，其尺寸与约束层尺寸一样大，其高度与约束层厚度一样；所述约束层材料为亚克力板；所述柔性模安装槽，其尺寸比柔性模尺寸大，所述柔性模材料为橡胶薄膜。

基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将移动平台安装在基座上，利用螺孔和六角螺钉将成形支架安装在移动平台上，将废料收集盒放入废料收集槽中，并位于废料落入孔的正下方；将碟形件多工艺成形模安装在安装槽中，保证碟形件多工艺成形模的上表面和成形支架的上表面保持在同一高度；

S2、将成形压边传动块紧固连接在成形压边转动轴的中间位置，保证成形压边传动块和成形压边转动轴之间不可以发生相对转动；将两个成形压边压力头紧固连接在成形压边转动轴上，相对所述传动块以对称方式分布在所述转动轴上，保证成形压边压力头和成形压边转动轴之间不可以发生相对转动；将成形压边转动轴安装在成形耳座上，使得成形压边转动轴与成形耳座之间能够发生相对转动；在成形支架的右侧安装成形压边气缸，并利用成形压边转动销将成形压边气缸和成形压边传动块铰接，使得成形压边传动块和成形压边气缸之间能够发生相对转动；

S3、利用转换支架上的螺孔和六角螺钉，将柔性模放置转换系统安装在基座上，安装时，将右侧柔性模安装槽位于成形支架的正上方，使得柔性模放置转换系统可以顺利地在成形支架上进行高度的调整，达到放置柔性加载的目的；安装调整好伸缩缸和转换电机，使得它们处于各自的初始位置；

S4、根据上一步骤中安装的柔性加载转换台的位置，安装好加载支架，使得左侧柔性模安装槽位于加载支架的正上方，利用安装成形压边系统的方法，安装好加载压边系统；在加载支架上，安装好电机，并将电机与加载旋转块相连接，使得加载旋转块能在电机的作用下实现旋转运动，将加载传动块与加载旋转块进行连接，保证它们之间可以发生相互转动；将加载传动块与加载块相连接；加载块以滑动副的形式安装到加载支架上；

S5、将脉冲激光控制器分别与脉冲激光器和计算机相连，用于控制脉冲激光器的功率密度和发射频率；将控制箱与计算机相连，用于控制成形压边气缸、加载压边气缸、伸缩缸、电机、旋转电机的运动，实现制造过程的自动化；

S6、将平面反射镜，调焦镜准确稳固地安装在保持架上，利用角度测量工具使得平面反射镜与水平面成45°夹角，且在调焦镜正上方50mm,保证经由平面反射镜的光束垂直射入调焦镜；打开脉冲激光器和外置的水冷机，待水冷机达到预设的温度时，调整好脉冲激光参数，等待电压达到630V；利用移动平台调整成形支架的水平位置，使得脉冲激光光斑的中心和碟形件多工艺成形模的中心重合。将柔性加载转换台调整到其工作的初始位置，使右侧的柔性模安装槽和约束层安装槽位于成形支架的正上方；利用控制箱将成形压边气缸和加载压边气缸调整到合适的高度，使得成形压边压力头和加载压边压力头均处于卸载状态，便于工件和柔性加载的顺利放置；

S7、将成形工件放置在成形支架的上表面，并使得工件可以完全覆盖住碟形件多工艺成形模；将一面涂有吸收层的柔性模表面沾上水，放置在加载块上，在左侧约束层安装槽中放入约束层，利用控制箱，使得加载压边压力头处于加载状态；开启电机，在加载传动块的推动下，加载块开始作往复上下运动，加载块运动到上极限位置的时候，涂有吸收层和水的柔性模刚好与约束层在柔性模安装槽中接触，使得柔性模较好地贴合在约束层的下方；卸载加载压边压力头，随后将柔性加载转换台顺时针旋转180°，进入到待加工碟形零件的状态；

S8、柔性加载转换台垂直向下运动，待约束层脱离约束层安装槽时，柔性加载放置过程已经完成，此时已经顺利将柔性加载放置在成形工件上；利用成形压边气缸，加载成形压边压力头，给约束层施加一定的预紧力，阻碍材料在加工过程中产生的径向流动，提高成形的精度；打开光栅，进行激光冲击，脉冲激光器发出的脉冲激光透过约束层，辐射到吸收层上，吸收层吸收高功率密度的激光能量，表面汽化和电离产生高温高压等离子体，等离子体快速地向外喷溅膨胀，并持续地吸收剩余的激光能量，在约束层和成形压边压力头的约束下，形成向下的爆轰波，成形工件受到柔性模的挤压和碟形件多工艺成形模的剪切作用，完成脉冲激光的冲击，成形碟形零件，关闭光栅，卸载成形压边压力头；柔性加载转换台垂直向上运动，待约束层与约束层安装槽接触且柔性加载转换台的高度高于成形支架的高度时，停止柔性加载转换台的垂直运动，取出成形工件，柔性模和约束层；重复S7，S8的步骤，即可实现多次制造碟形零件的过程；

S9、在完成多次加工之后，碟形件多工艺成形模与成形支架之间的空隙会堆积一些金属废料，此时应该将碟形件多工艺成形模从安装槽中拆卸下来，利用镊子轻轻地将金属废料从碟形件多工艺成形模中清除，而冲孔的金属废料可以从废料收集盒中取出倒掉；清理完毕后，用无水酒精对碟形件多工艺成形模进行清洗；清洗完毕后再次安装好碟形件多工艺成形模，由此就可以进入下一个激光柔性加载成形碟形零件的周期。

本发明的有益效果是：本发明无需设计结构复杂的级进模具与复合模具，不存在装配误差，降低了制造复杂模具的成本与周期。利用脉冲激光和柔性薄膜作为加载载荷，利用较高精度的碟形件多工艺成形模具来保证高精度碟形零件的同轴度要求。将碟形件多工艺成形模装配在安装槽中使得碟形件多工艺成形模可以取出，实现了成形废料的有效清除，解决了多次加工后成形废料堵塞模具的问题，延长了模具的使用寿命。利用柔性模放置系统和柔性模放置转换系统，对激光柔性加载成形碟形零件的过程进行自动化，提高了制造过程的生产效率。

附图说明

图1为本发明专利中激光柔性加载成形碟形零件的装置示意图。

图2为本发明专利中成形支架和成形压边系统的装配图。

图3为本发明专利中成形支架的剖面示意图。

图4为本发明专利中碟形件多工艺成形模的剖面示意图。

图5为本发明专利中柔性模放置系统的装配图。

图6为本发明专利中柔性模放置转换系统的三维结构示意图。

图7为本发明专利中柔性加载布置的示意图。

图中：

1-基座，2-移动平台，3-成形支架，4-废料收集盒，5-成形压边气缸，6-成形压边伸缩杆，7-成形压边转动销，8-成形压边传动块，9-成形压边转动轴，10-成形压边压力头，11-保持架，12-调焦镜，13-平面反射镜，14-脉冲激光器，15-脉冲激光控制器，16-计算机，17-加载压边压力头，18-加载压边转动轴，19-加载压边传动块，20-加载压边转动销，21-加载压边气缸，22-加载块，23-加载传动块，24-加载旋转块，25-电机，26-柔性加载转换台，27-加载支架，28-伸缩缸，29-旋转台，30-转换电机，31-转换支架，32-控制箱，33-安装槽，34-成形槽口，35-成形耳座，36-废料落入孔，37-废料收集槽，38-加载槽口，39-加载耳座，40-碟形件多工艺成形模，41-柔性模安装槽，42-约束层安装槽，43-约束层，44-吸收层，45-柔性模。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细的说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明所述的基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化装置，包括脉冲激光产生系统、碟形件成形系统、柔性模放置系统、柔性模放置转换系统和控制系统。

所述脉冲激光产生系统包括基座1、保持架11、脉冲激光器14、平面反射镜13、调焦镜12，保持架11通过六角螺栓固定在基座1的右侧，将平面反射镜13和调焦镜12安装在保持架11上，平面反射镜13安装在调焦镜12的正上方、且位于脉冲激光器14发射激光的光路上、并与水平面成45°夹角。

所述碟形件成形系统包括移动平台2、成形支架3、碟形件多工艺成形模40、成形压边系统。所述移动平台2通过六角螺钉安装在基座1上，所述成形支架3的截面呈“凸”字型，所述成形支架3装在移动平台2上，通过移动平台2调整成形支架3的水平位置，如图2所示。

成形支架3的上表面上设有安装槽33、上表面下方具有废料收集槽37，所述安装槽33用于安装碟形件多工艺成形模40。碟形件多工艺成形模40装在安装槽33中。所述碟形件多工艺成形模40，其剖面呈“凸”字型，如图4所示，上部小圆柱直径为1.4mm，下部大圆柱直径为1.8mm，且上部小圆柱与下部大圆柱至少保证0.01mm的同轴度，微拉深处表面为浅拉深球面，其球面半径为1.523mm，球心至所述成形模40表面的距离为1.4mm，球面深度为0.11mm，球面表面须进行磨削抛光处理等表面处理方式，球面表面粗糙度Ra值达到0.4μm；微孔为通孔，孔直径为0.4mm；所述碟形件多工艺成形模40与安装槽33之间为过渡配合；以便于碟形件多工艺成形模40能够较为容易地取出。完成装配时需保证碟形件多工艺成形模40的上表面和成形支架3的上表面在同一高度；不可出现中间塌陷或者凸起的情况。所述碟形件多工艺成形模40所有的边缘均为近直角特征，避免出现倒角。如图3所示，成形支架3的废料收集槽37中放置废料收集盒4，用于收集加工中产生的废料。所述废料收集槽37空间尺寸需要比废料收集盒4的空间尺寸大，以便废料收集盒4能够在里面顺利放入取出。位于安装槽33与废料收集槽37之间的废料落入孔36的直径比碟形件多工艺成形模40的微孔直径大，其直径为0.8mm。大一些的目的是为了便于废料能够从中落下，落入废料收集盒4中，不能太大的原因是要预留一定的空间以支撑安装碟形件多工艺成形模40。成形支架3的侧面设有在竖直方向上延伸的成形槽口34；用于扩大成形压边压力头10的运动空间，避免成形压边压力头10在运动过程中与成形支架3之间发生碰撞。所述成形槽口34为矩形槽，槽深度为10mm。成形支架3的一侧还设置有成形耳座35，用于支撑成形压边转动轴9。

如图2所示，成形压边系统装于成形支架3上，用于约束等离子体。所述成形压边系统包括成形压边气缸5、成形压边伸缩杆6、成形压边转动销7、成形压边传动块8、成形压边转动轴9、成形压边压力头10，所述成形压边气缸5垂直安装在成形支架3上、且位于成形支架3的右侧；成形压边气缸5的成形压边伸缩杆6通过成形压边转动销7和成形压边传动块8的一端铰接；安装完成时需保证成形压边气缸5和成形压边传动块8之间可以发生相对转动。所述成形压边传动块8另一端与成形压边转动轴9固定连接；且保证成形压边传动块8和成形压边转动轴9之间不发生相对转动。所述成形压边转动轴9可转动的装于成形支架3上的成形耳座35上；保证成形压边转动轴9可以在成形耳座35上发生转动。两个成形压边压力头10的一端均与成形压边转动轴9固定连接，且不发生相对转动。

所述柔性模放置系统包括加载支架27、加载传动块23、加载旋转块24、加载块22、电机25、加载压边系统，如图5所示。所述加载支架27利用螺孔通过六角螺钉安装在基座1上；所述电机25安装在加载支架27的凹槽里；加载旋转块24与电机25固定连接，它们之间不可以发生相互转动。所述加载传动块23与加载旋转块24通过销钉连接；保证它们之间可以发生相互转动。加载传动块23与加载块22通过销钉相连接，加载块22以滑动副的形式安装到加载支架27上，用于实现加载块22的往复上下运动。所述加载压边系统安装在加载支架27上，用于实现柔性模45的安装。所述加载支架27的侧面设置有在竖直方向延伸的加载槽口38，为矩形槽，槽深度为10mm。

所述加载压边系统，安装在加载支架27上，用于实现柔性模45的安装。所述加载压边系统包括加载压边气缸21、加载压边转动销20、加载压边传动块19、加载压边转动轴18、加载压边压力头17，加载压边气缸21垂直安装在加载支架27上、且位于加载支架27的左侧；加载压边气缸21的伸缩杆通过加载压边转动销20和加载压边传动块19的一端铰接；所述加载压边传动块19另一端与加载压边转动轴18固定连接；加载支架27的左侧具有加载耳座39，所述加载压边转动轴18可转动的装于加载耳座39上；两个加载压边压力头17的一端均与加载压边转动轴18固定连接。所述加载压边系统的安装方式与成形压边系统类似，可实现与成形压边系统一样的运动，但它们的作用不一样。成形压边系统用于约束等离子体，限制材料的径向流动，提高成形的质量，而加载压边系统用于防止约束层43的垂直移动，便于柔性模45的安装；所述的加载支架27的左侧有加载槽口38，为矩形槽，槽深度为10mm，用于扩大加载压边压力头17的运动空间，避免加载压边压力头17在运动过程中与加载支架27之间发生碰撞。

如图6所示，所述柔性模放置转换系统包括转换支架31、转换电机30、旋转台29、伸缩缸28、柔性加载转换台26，所述转换支架31通过六角螺钉安装在基座1上，所述转换电机30通过螺钉安装在转换支架31上；所述旋转台29安装在转换电机30上；所述伸缩缸28安装在旋转台29上；柔性加载转换台26位于旋转台29上方、且与伸缩缸28连接；所述柔性加载转换台26上设置有分别用于安装柔性模45、约束层43的柔性模安装槽41、约束层安装槽42，所述约束层安装槽42用于安装约束层43，其尺寸与约束层43尺寸一样，其高度与约束层43的厚度一样；所述柔性模安装槽41用于安装柔性模45，其尺寸比柔性模45尺寸大。柔性模45、约束层43之间设置吸收层44。所述伸缩缸28用于实现柔性模安装槽41和约束层安装槽42高度位置的调整，以达到快速放置柔性加载的目的。所述旋转台29用于实现柔性模安装槽41和约束层安装槽42角度位置的调整，以达到快速转换柔性加载的目的；所述转换电机30用于实现旋转台29的旋转运动。

所述柔性加载转换台26上的约束层安装槽42和柔性模安装槽41的数量均为两个，分别位于柔性加载转换台26的两端、且呈对称分布，约束层安装槽42和柔性模安装槽41均呈“U”字型，约束层安装槽42在柔性模安装槽41的上方，柔性模安装槽41的长宽尺寸等于成形支架3上表面的长宽尺寸，以便实现柔性模45能够顺利放置在成形支架3上。柔性模放置转换系统需要安装在正确的位置，以便柔性模放置转换系统可以顺利地在成形支架3上进行高度的调整，达到放置柔性加载的目的。

所述控制系统由脉冲激光控制器15、计算机16、控制箱32组成，所述脉冲激光控制器15、控制箱32均与计算机16相连接；所述脉冲激光控制器15与脉冲激光器14连接，用于控制脉冲激光器14的功率密度和脉冲发射频率等参数；所述控制箱32与计算机16相连，用于控制成形压边气缸5、加载压边气缸21、伸缩缸28、电机25、旋转电机30的运动，实现制造过程的自动化。

基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化加工的方法，具体包括如下步骤：

S1、将移动平台2安装在基座1上，然后利用螺孔和六角螺钉将成形支架3安装在移动平台2上，将废料收集盒4放入废料收集槽37中，位于废料落入孔36的正下方。将碟形件多工艺成形模40安装在安装槽33中，保证碟形件多工艺成形模40的上表面和成形支架3的上表面保持在同一高度，不可出现中间塌陷或者凸起的情况。

S2、将成形压边传动块8紧固连接在成形压边转动轴9的中间位置，保证成形压边传动块8和成形压边转动轴9之间不可以发生相对转动。将两个成形压边压力头10紧固连接在成形压边转动轴9上，相对传动块以对称方式分布在转动轴上，保证成形压边压力头10和成形压边转动轴9之间不可以发生相对转动。将成形压边转动轴9安装在成形耳座35上，使得成形压边转动轴9与成形耳座35之间可以发生相对转动。在成形支架3的右侧安装成形压边气缸5，并利用成形压边转动销7将成形压边气缸5和成形压边传动块8连接起来，使得成形压边传动块8和成形压边气缸5之间可以发生相对转动。

S3、利用转换支架31上的螺孔和六角螺钉，将柔性模放置转换系统安装在基座1上。安装时，需注意将右侧柔性模安装槽41位于成形支架3的正上方，使得柔性模放置转换系统可以顺利地在成形支架3上进行高度的调整，达到放置柔性加载的目的。安装调整好伸缩缸28和转换电机30，使得它们处于各自的初始位置。

S4、根据上一步骤中安装的柔性加载转换台26的位置，安装好加载支架27，使得左侧柔性模安装槽41位于加载支架27的正上方。利用安装成形压边系统的方法，安装好加载压边系统。在加载支架27上，安装好电机25，并将电机25与加载旋转块24相连接，使得加载旋转块24能在电机25的作用下实现旋转运动。将加载传动块23与加载旋转块24进行连接，保证它们之间可以发生相互转动。最终使加载传动块23与加载块22相连接，加载块22以滑动副的形式安装到加载支架27上，用于实现加载块22的往复直线运动。

S5、将脉冲激光控制器15分别与脉冲激光器14和计算机16相连，用于控制脉冲激光器14的功率密度和发射频率等参数。将控制箱32与计算机16相连，用于控制成形压边气缸5、加载压边气缸21、伸缩缸28、电机25、旋转电机30的运动，实现制造过程的自动化。

S6、将平面反射镜13，调焦镜12准确稳固地安装在保持架11上，利用角度测量工具使得平面反射镜13与水平面成45°夹角，且在调焦镜12正上方50mm,保证经由平面反射镜13的光束垂直射入调焦镜12。打开脉冲激光器14和外置的水冷机，待水冷机达到预设的温度时，调整好脉冲激光参数，等待电压达到630V。利用移动平台2调整成形支架3的水平位置，使得脉冲激光光斑的中心和碟形件多工艺成形模40的中心重合。将柔性加载转换台26调整到其工作的初始位置，使右侧的柔性模安装槽41和约束层安装槽42位于成形支架3的正上方。利用控制箱32，将成形压边气缸5和加载压边气缸21调整到合适的高度，使得成形压边压力头10和加载压边压力头17均处于卸载状态，便于工件和柔性加载的顺利放置。

S7、将成形工件放置在成形支架3的上表面，并使得工件可以完全覆盖住碟形件多工艺成形模40。将一面涂有吸收层44的柔性模45表面沾上水，放置在加载块22上，在左侧约束层安装槽42中放入约束层43，利用控制箱32使得加载压边压力头17处于加载状态。开启电机25，在加载传动块23的推动下，加载块22开始作往复上下运动，加载块22运动到上极限位置的时候，涂有吸收层44和水的柔性模45刚好与约束层43在柔性模安装槽41中接触，使得柔性模45较好地贴合在约束层43的下方。卸载加载压边压力头17，随后将柔性加载转换台26顺时针旋转180°，进入到待加工碟形零件的状态。

S8、柔性加载转换台26垂直向下运动，待约束层43脱离约束层安装槽42时，柔性加载放置过程已经完成，此时已经顺利将柔性加载放置在成形工件上。利用成形压边气缸5加载成形压边压力头10，给约束层43施加一定的预紧力，阻碍材料在加工过程中产生的径向流动，提高成形的精度。打开光栅，进行激光冲击，脉冲激光器14发出的脉冲激光透过约束层43，辐射到吸收层44上，吸收层44吸收高功率密度的激光能量，表面汽化和电离产生高温高压等离子体，等离子体快速地向外喷溅膨胀，并持续地吸收剩余的激光能量，在约束层43和成形压边压力头10的约束下，形成向下的爆轰波，成形工件受到柔性模45的挤压和碟形件多工艺成形模40的剪切作用，完成脉冲激光的冲击，成形碟形零件，关闭光栅，卸载成形压边压力头10。柔性加载转换台26垂直向上运动，待约束层43与约束层安装槽42接触且柔性加载转换台26的高度高于成形支架3的高度时，停止柔性加载转换台26的垂直运动，取出成形工件，柔性模和约束层。重复S7、S8的步骤，即可实现多次制造碟形零件的过程。

S9、在完成多次加工之后，碟形件多工艺成形模40与成形支架3之间的空隙会堆积一些金属废料，此时应该将碟形件多工艺成形模40从安装槽33中拆卸下来，利用镊子轻轻地将金属废料从碟形件多工艺成形模40中清除，而冲孔的金属废料可以从废料收集盒4中取出倒掉。清理完毕后，用无水酒精对碟形件多工艺成形模40进行清洗。清洗完毕后再次安装好碟形件多工艺成形模40，由此就可以进入下一个激光柔性加载成形碟形零件的周期。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化装置，其特征在于，包括脉冲激光产生系统、碟形件成形系统、柔性模放置系统、柔性模放置转换系统和控制系统；

所述脉冲激光产生系统包括基座(1)、保持架(11)、脉冲激光器(14)、平面反射镜(13)、调焦镜(12)，保持架(11)通过六角螺栓固定在基座(1)的右侧，将平面反射镜(13)和调焦镜(12)安装在保持架(11)上，平面反射镜(13)安装在调焦镜(12)的正上方、且位于脉冲激光器(14)发射激光的光路上、并与水平面成45°夹角；

所述碟形件成形系统包括成形支架(3)、碟形件多工艺成形模(40)、成形压边系统、移动平台(2)，所述成形支架(3)的上表面上设有安装槽(33)、上表面下方具有废料收集槽(37)，所述移动平台(2)通过六角螺钉安装在基座(1)上，所述成形支架(3)装在移动平台(2)上，碟形件多工艺成形模(40)装在安装槽(33)中，成形压边系统装于成形支架(3)上；

所述柔性模放置系统包括加载支架(27)、加载传动块(23)、加载旋转块(24)、加载块(22)、电机(25)、加载压边系统，所述加载支架(27)利用螺孔通过六角螺钉安装在基座(1)上；所述电机(25)安装在加载支架(27)的凹槽里；加载旋转块(24)与电机(25)固定连接，所述加载传动块(23)与加载旋转块(24)通过销钉连接；加载传动块(23)与加载块(22)通过销钉相连接；所述加载块(22)以滑动副的形式安装到加载支架(27)上；所述加载压边系统安装在加载支架(27)上，用于实现柔性模(45)的安装；

所述柔性模放置转换系统包括转换支架(31)、转换电机(30)、旋转台(29)、伸缩缸(28)、柔性加载转换台(26)，所述转换支架(31)通过六角螺钉安装在基座(1)上，所述转换电机(30)通过螺钉安装在转换支架(31)上；所述旋转台(29)安装在转换电机(30)上；所述伸缩缸(28)安装在旋转台(29)上；柔性加载转换台(26)位于旋转台(29)上方、且与伸缩缸(28)连接；所述柔性加载转换台(26)上设置有分别用于安装柔性模(45)、约束层(43)的柔性模安装槽(41)、约束层安装槽(42)，柔性模(45)、约束层(43)之间设置吸收层(44)；

所述成形压边系统、加载压边系统分别通过成形压边气缸(5)、加载压边气缸(21)来施加压边力；

所述控制系统由脉冲激光控制器(15)、计算机(16)、控制箱(32)组成，所述脉冲激光控制器(15)、控制箱(32)均与计算机(16)相连接；所述脉冲激光控制器(15)与脉冲激光器(14)连接，用于控制脉冲激光器(14)的功率密度和脉冲发射频率等参数；所述控制箱(32)与计算机(16)相连，用于控制成形压边气缸(5)、加载压边气缸(21)、伸缩缸(28)、电机(25)、旋转电机(30)的运动。

2.根据权利要求1所述的基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化装置，其特征在于：所述成形支架(3)上的位于安装槽(33)与废料收集槽(37)之间的废料落入孔(36)的直径比碟形件多工艺成形模(40)的微孔直径大；所述成形槽口(34)为矩形槽，槽深度为10mm。

3.根据权利要求1所述的基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化装置，其特征在于：所述碟形件多工艺成形模(40)，其剖面呈“凸”字型，上部小圆柱直径为1.4mm，下部大圆柱直径为1.8mm，且上部小圆柱与下部大圆柱至少保证0.01mm的同轴度，微拉深处表面为浅拉深球面，其球面半径为1.523mm，球心至所述碟形件多工艺成形模(40)表面的距离为1.4mm，球面深度为0.11mm，球面表面粗糙度值达到0.4μm；微孔为通孔，孔直径为0.4mm；所述碟形件多工艺成形模(40)与安装槽(33)之间为过渡配合；碟形件多工艺成形模(40)的上表面和成形支架(3)的上表面在同一高度；所述碟形件多工艺成形模(40)所有的边缘均为近直角特征。

4.根据权利要求1所述的基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化装置，其特征在于：所述成形压边系统包括成形压边气缸(5)、成形压边伸缩杆(6)、成形压边转动销(7)、成形压边传动块(8)、成形压边转动轴(9)、成形压边压力头(10)，所述成形压边气缸(5)垂直安装在成形支架(3)上、且位于成形支架(3)的右侧；成形压边气缸(5)的成形压边伸缩杆(6)通过成形压边转动销(7)和成形压边传动块(8)的一端铰接；所述成形压边传动块(8)另一端与成形压边转动轴(9)固定连接；成形支架(3)的右侧具有成形耳座(35)，所述成形压边转动轴(9)可转动的装于成形耳座(35)上；两个成形压边压力头(10)的一端均与成形压边转动轴(9)固定连接；所述加载压边系统包括加载压边气缸(21)、加载压边转动销(20)、加载压边传动块(19)、加载压边转动轴(18)、加载压边压力头(17)，加载压边气缸(21)垂直安装在加载支架(27)上、且位于加载支架(27)的左侧；加载压边气缸(21)的伸缩杆通过加载压边转动销(20)和加载压边传动块(19)的一端铰接；所述加载压边传动块(19)另一端与加载压边转动轴(18)固定连接；加载支架(27)的左侧具有加载耳座(39)，所述加载压边转动轴(18)可转动地装于加载耳座(39)上；两个加载压边压力头(17)的一端均与加载压边转动轴(18)固定连接。

5.根据权利要求1所述的基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化装置，其特征在于：所述柔性加载转换台(26)上的约束层安装槽(42)和柔性模安装槽(41)的数量均为两个，分别位于柔性加载转换台(26)的两端、且呈对称分布，约束层安装槽(42)和柔性模安装槽(41)均呈“U”字型，约束层安装槽(42)在柔性模安装槽(41)的上方，柔性模安装槽(41)的长宽尺寸等于成形支架(3)上表面的长宽尺寸。

6.根据权利要求1所述的基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化装置，其特征在于：成形支架(3)的侧面设有在竖直方向上延伸的成形槽口(34)；所述加载支架(27)的侧面设置有在竖直方向延伸的加载槽口(38)，为矩形槽，槽深度为10mm。

7.根据权利要求1所述的基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化装置，其特征在于：所述碟形件成形系统还包括废料收集盒(4)，所述废料收集盒(4)放置在成形支架(3)的废料收集槽(37)中。

8.根据权利要求1所述的基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化装置，其特征在于：所述约束层安装槽(42)，其尺寸与约束层(43)尺寸一样，约束层(43)的厚度与约束层安装槽(42)的高度一样，约束层(43)的材料为亚克力板；所述柔性模安装槽(41)，其尺寸比柔性模(45)尺寸大，柔性模(45)的材料为橡胶薄膜。

9.基于激光柔性加载成形碟形零件的自动化加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将移动平台(2)安装在基座(1)上，利用螺孔和六角螺钉将成形支架(3)安装在移动平台(2)上，将废料收集盒(4)放入废料收集槽(37)中，并位于废料落入孔(36)的正下方；将碟形件多工艺成形模(40)安装在安装槽(33)中，保证碟形件多工艺成形模的上表面和成形支架(3)的上表面保持在同一高度；

S2、将成形压边传动块(8)紧固连接在成形压边转动轴(9)的中间位置，保证成形压边传动块(8)和成形压边转动轴(9)之间不可以发生相对转动；将两个成形压边压力头(10)紧固连接在成形压边转动轴(9)上，相对所述传动块(8)以对称方式分布在所述转动轴(9)上，保证成形压边压力头(10)和成形压边转动轴(9)之间不可以发生相对转动；将成形压边转动轴(9)安装在成形耳座(35)上，使得成形压边转动轴(9)与成形耳座(35)之间能够发生相对转动；在成形支架(3)的右侧安装成形压边气缸(5)，并利用成形压边转动销(7)将成形压边气缸(5)和成形压边传动块(8)铰接，使得成形压边传动块(8)和成形压边气缸(5)之间能够发生相对转动；

S3、利用转换支架(31)上的螺孔和六角螺钉，将柔性模放置转换系统安装在基座(1)上，安装时，将右侧柔性模安装槽(41)位于成形支架(3)的正上方，使得柔性模放置转换系统可以顺利地在成形支架(3)上进行高度的调整，达到放置柔性加载的目的；安装调整好伸缩缸(28)和转换电机(30)，使得它们处于各自的初始位置；

S4、根据上一步骤中安装的柔性加载转换台(26)的位置，安装好加载支架(27)，使得左侧柔性模安装槽(41)位于加载支架(27)的正上方，利用安装成形压边系统的方法，安装好加载压边系统；在加载支架(27)上，安装好电机(25)，并将电机(25)与加载旋转块(24)相连接，使得加载旋转块(24)能在电机(25)的作用下实现旋转运动，将加载传动块(23)与加载旋转块(24)进行连接，保证它们之间可以发生相互转动；最终使加载传动块(23)与加载块(22)相连接，加载块(22)以滑动副的形式安装到加载支架(27)上用于实现加载块(22)的往复直线运动；

S5、将脉冲激光控制器(15)分别与脉冲激光器(14)和计算机(16)相连，用于控制脉冲激光器(14)的功率密度和发射频率；将控制箱(32)与计算机(16)相连，用于控制成形压边气缸(5)、加载压边气缸(21)、伸缩缸(28)、电机(25)、旋转电机(30)的运动，实现制造过程的自动化；

S6、将平面反射镜(13)，调焦镜(12)准确稳固地安装在保持架(11)上，利用角度测量工具使得平面反射镜(13)与水平面成45°夹角，且在调焦镜(12)正上方50mm,保证经由平面反射镜(13)的光束垂直射入调焦镜(12)；打开脉冲激光器14和外置的水冷机，待水冷机达到预设的温度时，调整好脉冲激光参数，等待电压达到630V；利用移动平台(2)调整成形支架(3)的水平位置，使得脉冲激光光斑的中心和碟形件多工艺成形模(40)的中心重合。将柔性加载转换台(26)调整到其工作的初始位置，使右侧的柔性模安装槽(41)和约束层安装槽(42)位于成形支架(3)的正上方；利用控制箱(32)，将成形压边气缸(5)和加载压边气缸(21)调整到合适的高度，使得成形压边压力头(10)和加载压边压力头(17)均处于卸载状态，便于工件和柔性加载的顺利放置；

S7、将成形工件放置在成形支架(3)的上表面，并使得工件可以完全覆盖住碟形件多工艺成形模(40)；将一面涂有吸收层(44)的柔性模(45)表面沾上水，放置在加载块(22)上，在左侧约束层安装槽(42)中放入约束层(43)，利用控制箱(32)使得加载压边压力头(17)处于加载状态；开启电机(25)，在加载传动块(23)的推动下，加载块(22)开始作往复上下运动，加载块(22)运动到上极限位置的时候，涂有吸收层(44)和水的柔性模(45)刚好与约束层(43)在柔性模安装槽(41)中接触，使得柔性模(45)较好地贴合在约束层(43)的下方；卸载加载压边压力头(17)，随后将柔性加载转换台(26)顺时针旋转180°，进入到待加工碟形零件的状态；

S8、柔性加载转换台(26)垂直向下运动，待约束层(43)脱离约束层安装槽(42)时，柔性加载放置过程已经完成，此时已经顺利将柔性加载放置在成形工件上；利用成形压边气缸(5)，加载成形压边压力头(10)，给约束层(43)施加一定的预紧力，阻碍材料在加工过程中产生的径向流动，提高成形的精度；打开光栅，进行激光冲击，脉冲激光器(14)发出的脉冲激光透过约束层(43)，辐射到吸收层(44)上，吸收层(44)吸收高功率密度的激光能量，表面汽化和电离产生高温高压等离子体，等离子体快速地向外喷溅膨胀，并持续地吸收剩余的激光能量，在约束层(43)和成形压边压力头(10)的约束下，形成向下的爆轰波，成形工件受到柔性模(45)的挤压和碟形件多工艺成形模(40)的剪切作用，完成脉冲激光的冲击，成形碟形零件，关闭光栅，卸载成形压边压力头(10)；柔性加载转换台(26)垂直向上运动，待约束层(43)与约束层安装槽(42)接触且柔性加载转换台(26)的高度高于成形支架(3)的高度时，停止柔性加载转换台(26)的垂直运动，取出成形工件，柔性模(35)和约束层(43)；重复S7，S8的步骤，即可实现多次制造碟形零件的过程；

S9、在完成多次加工之后，碟形件多工艺成形模(40)与成形支架(3)之间的空隙会堆积一些金属废料，此时应该将碟形件多工艺成形模(40)从安装槽(33)中拆卸下来，利用镊子轻轻地将金属废料从碟形件多工艺成形模(40)中清除，而冲孔的金属废料可以从废料收集盒(4)中取出倒掉；清理完毕后，用无水酒精对碟形件多工艺成形模(40)进行清洗；清洗完毕后再次安装好碟形件多工艺成形模(40)，由此就可以进入下一个激光柔性加载成形碟形零件的周期。