CN106624353A - 一种激光喷丸制品表面制造系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光喷丸制品表面制造系统，包括高能短脉冲激光器、聚光透镜、光路准直器、光束直径调节器、第二反射镜组、工件装夹运动平台，设置在加工工件表面的柔性贴膜，用于吸收激光光束能量产生的蒸汽、并保护工件不受激光辐照产生的热损伤；预存有加工参数的计算机集成控制系统，计算机集成控制系统与高能短脉冲激光器、光路准直器、光束直径调节器、激光头运动装置和工件装夹运动平台连接；聚光透镜、光路准直器、第一反射镜组、光束直径调节器、第二反射镜组和工件装夹运动平台依次设置在高能短脉冲激光器的激光光束的光路上。本发明能利用高能脉冲激光输出的激光束辐照金属工艺制品表面进行压纹加工。

Description

一种激光喷丸制品表面制造系统

技术领域

本发明涉及激光成型技术领域，更具体地说，涉及一种激光喷丸制品表面制造系统。

背景技术

金属工艺制品表面压纹制造技术在现代制造工艺中得到广泛应用。这些压纹深度一致、按一定规律分布在表面上，可以提高产品的美观性和档次，增加产品的附加值。

现有技术中，表面加工技术多种多样，如超声加工法、研磨法、微细电解加工法等；超声加工法加工时振动加工对表面质量影响较大，需要二次加工来进行表面微结构加工的，这种方法存在设备复杂、成本高、加工不稳定等不利因素；微细电解加工中微细电极阵列制造工艺复杂，难度较大。

目前有许多采用激光对材料进行加工的方法，利用激光来改变材料的力学性能或诱导材料产生变形，对加工后的表面质量要求与美观性并不十分关注。

发明专利“摩擦副工作表面微坑数控激光成型方法及装置”(02111930.9)；公布了一种激光材料表面微形貌加工方法，该方法采用激光作为能量源，通过激光烧蚀作用在工件表面加工微坑，充分发挥了激光加工可控性强的优点，但是该技术是利用激光热效应进行微坑加工，对材料有微观汽化和烧蚀作用，会造成局部材料性能发生改变，在工件表面形成许多微观疲劳裂纹，降低材料疲劳性能；“一种激光冲击制造表面微凸起形貌的装置和方法”(CN104308361A)公布了一种激光冲击制造表面微凸起形貌的方法，该方法利用激光诱导产生的高压冲击波作用于金属工件表面，冲击波机械能转化为热能，致金属工件表面熔融形成微熔池；后续形成的二次冲击波作用于金属工件表面的微熔池，致熔池中心材料向周围挤压堆积，最终凝固，形成周围微凸起的凹坑形貌，同时激光冲击表面改性和激光表面微造型两项功能；但由于该方法的熔池在受到冲击波作用时响应不同，必然导致所成的各个微坑大小和形貌不一致，所以存在难于控制的缺陷。

综上所述，如何提供一种便于控制制造效果的激光喷丸制品表面制造系统，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种激光喷丸制品表面制造系统，该系统便于控制制造结果，且具有较高的制造精度。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光喷丸制品表面制造系统，包括：

用于发射激光光束的高能短脉冲激光器，所述高能短脉冲激光器能够调整激光光束的能量大小；

用于对激光光束进行汇聚的聚光透镜；

用于调整激光光束的光束质量的光路准直器；

用于调整激光光束的形状的光束直径调节器；

用于反射所述激光光束的第二反射镜组，所述第二反射镜组设置在激光头运动装置上；

工件装夹运动平台，所述工件装夹运动平台用于夹持加工工件；

设置在加工工件表面的柔性贴膜，用于吸收激光光束能量产生的蒸汽、并保护工件不受激光辐照产生的热损伤；

预存有加工参数的计算机集成控制系统，所述计算机集成控制系统与所述高能短脉冲激光器、光路准直器、光束直径调节器、激光头运动装置和工件装夹运动平台连接，用于控制所述高能短脉冲激光器、光路准直器、光束直径调节器的工作以及用于控制所述激光头运动装置和工件装夹运动平台的运动；

所述聚光透镜、光路准直器、第一反射镜组、光束直径调节器、第二反射镜组和工件装夹运动平台依次设置在所述高能短脉冲激光器的激光光束的光路上。

优选的，还包括用于采集所述加工工件实时加工状态的压纹实时动态监测系统，所述压纹实时动态监测系统与所述计算机集成控制系统连接，用于将所述实时加工状态与目标加工状态进行对比，并根据对比结果调整所述加工参数。

优选的，还包括用于向设置有所述柔性贴膜的加工工件进行喷水作业的流水喷嘴，以便约束等离子体冲击波。

优选的，所述激光头运动装置与竖直设置的导轨连接，所述激光头运动装置的运动方向沿所述导轨长度方向。

优选的，所述工件装夹运动平台为一三联动运动平台，所述工件装夹运动平台可在水平面内沿X轴方向作直线运动、Y轴方向作直线运动以及沿顺时针或逆时针方向转动。

优选的，所述工件装夹运动平台还具有转动底盘，所述转动底盘能够在水平面内进行转动。

优选的，所述工件装夹运动平台还具有转动底盘，所述转动底盘的转动轴线与激光光路的路线共线。

优选的，所述光束直径调节器对所述激光光束的调节范围为0.5-5mm。

优选的，所述高能短脉冲激光器的激光脉宽范围为8ns至16ns，且所述激光脉宽在所述激光脉宽范围内为可调脉宽。

本发明直接利用高能脉冲激光输出的激光束辐照金属工艺制品表面进行压纹加工，通过控制激光束能量、光斑形状、尺寸及其与加工件的相对位置，有序进行冲击点排布规划，可以实现不同形状压纹的激光喷丸加工。本发明加工时按照预先设好的喷丸路径和光斑形状及分布，计算机集成控制系统通过控制高能短脉冲激光器、光路准直器、光束直径调节器等来调节输出光束的能量大小、光束质量和光束形状尺寸。通过控制激光头运动装置和工件装夹运动平台的运动，以实现对工件的加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种激光喷丸制品表面制造系统的结构示意图。

图1中附图标记为：

高能短脉冲激光器1、激光束2、聚焦透镜3、光路准直器4、第一反射镜组5、光束直径调节器6、激光头运动装置7、第二反射镜组8、工件装夹运动平台9、计算机集成控制系统10、流水喷嘴11、加工工件12、压纹实时动态监测系统13。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种激光喷丸制品表面制造系统，该系统便于控制制造结果，且具有较高的制造精度。

请参考图1，图1为本发明所提供的一种激光喷丸制品表面制造系统的结构示意图。

本发明所提供的一种激光喷丸制品表面制造系统，包括：高能短脉冲激光器1、聚光透镜3、光路准直器4、光束直径调节器6、第二反射镜组8、工件装夹运动平台9、计算机集成控制系统10。

具体地，用于高能短脉冲激光器1发射激光光束的，高能短脉冲激光器1能够调整激光光束的能量大小，聚光透镜3用于对激光光束进行汇聚，光路准直器4用于调整激光光束的光束质量；光束直径调节器6用于调整激光光束的形状；第二反射镜组8用于反射激光光束，第二反射镜组设置8在激光头运动装置7上，工件装夹运动平台9用于夹持加工工件。

柔性贴膜使设置在加工工件表面的薄膜，用于吸收激光光束能量产生的蒸汽、并保护工件不受激光辐照产生的热损伤。

计算机集成控制系统10为预存有加工参数的控制系统，计算机集成控制系统10与高能短脉冲激光器1、光路准直器4、光束直径调节器6、激光头运动装置7和工件装夹运动平台9连接，用于控制高能短脉冲激光器1、光路准直器4、光束直径调节器6的工作以及用于控制激光头运动装置7和工件装夹运动平台9的运动。

为了实现对激光光束的调整和控制，聚光透镜3、光路准直器4、第一反射镜组5、光束直径调节器6、第二反射镜组8和工件装夹运动平台9依次设置在高能短脉冲激光器1的激光光束的光路上。请参考图1，图1中由高能短脉冲激光器1产生的激光光束的方向上，依次设置有聚光透镜3、光路准直器4、第一反射镜组5、光束直径调节器6、第二反射镜组8和工件装夹运动平台9。第二反射镜组8设置在激光头运动装置7上，通过激光头运动装置7的运动，调整第二反射镜组8的反射方向。加工工件设置在工件装夹运动平台9上，通过工件装夹运动平台9的移动和转动调整加工工件的姿态和位置。上述装置均可以和计算机集成控制系统10连接，以便实现激光光路上部件的自动控制。

在激光光路上，高能短脉冲激光器1后位安装聚焦透镜3，对激光束进行聚焦处理后射入后位的光路准直器4内，光路准直器4对激光进行准直化处理；准直化的激光束经一系列反射镜组反射，将光束传入后位的光束直径调节器；光束直径调节器6按要求调控输出所需形状和尺寸大小光斑的光束，射入激光头运动装置7，经第二反射镜组8反射后射在固定于工件装夹运动平台9的加工工件表面。

上述实施例中采用预先贴附在加工工件表面的柔性贴膜是一种吸收激光的能量吸收层。能量吸收层在激光辐照时汽化电离形成等离子体并产生爆炸，在约束层的约束下，产生高幅值冲击波，其压力峰值一般在1GPa以上，超过了材料动态屈服强度，从而使金属工艺制品表面局部发生微小塑性变形，形成压纹。

本发明直接利用高能脉冲激光输出的激光束辐照金属工艺制品表面进行压纹加工，通过控制激光束能量、光斑形状、尺寸及其与加工件的相对位置，有序进行冲击点排布规划，可以实现不同形状压纹的激光喷丸加工。本发明加工时按照预先设好的喷丸路径和光斑形状及分布，计算机集成控制系统通过控制高能短脉冲激光器、光路准直器、光束直径调节器等来调节输出光束的能量大小、光束质量和光束形状尺寸。通过控制激光头运动装置7和工件装夹运动平台的运动，以实现对工件的加工。

可选的，上述柔性贴膜为厚度约为100um的专用柔性贴膜。

本发明采用高能脉冲激光器作用能量源，工艺方法简单、可靠、易于自动化，工艺过程可控性强；可实现工件表面压纹阵列快速加工，改善工件表层力学性能，提高其表面质量；同时由于加工过程中工件表面有吸收层的保护作用，激光不会对加工件的表面产生烧蚀作用的影响；因而，激光喷丸压纹加工一方面可以避免激光熔化烧蚀加工的不利影响，另一方面能充分发挥激光加工区域可控、易于自动化等优点。该工艺方法与激光热蚀工艺相比，工件表面无热影响，并能在工件表面产生残余压应力，在保证工件表面加工出所需纹理的同时，并提高工件表面抗磨损等力学性能。

在上述实施例的基础之上，上述系统还包括用于采集加工工件实时加工状态的压纹实时动态监测系统13，压纹实时动态监测系统13与计算机集成控制系统10连接，用于将实时加工状态与目标加工状态进行对比，并根据对比结果调整加工参数。

通过控制压纹实时监控系统，实时采集所成压纹形状并与计算机集成控制系统输入的工艺图案进行实时对比，并实时调节加工参数，以满足压纹加工质量的要求。

在上述任意一个实施例的基础之上，还包括用于向设置有柔性贴膜的加工工件进行喷水作业的流水喷嘴11，以便约束等离子体冲击波。

在上述任意一个实施例的基础之上，激光头运动装置7与竖直设置的导轨连接，激光头运动装置7的运动方向沿导轨长度方向。

在上述任意一个实施例的基础之上，工件装夹运动平台9为一三联动运动平台，工件装夹运动平台9可在水平面内沿X轴方向作直线运动、Y轴方向作直线运动以及沿顺时针或逆时针方向转动。

可选的，工件装夹运动平台9可以为一三联动运动平台，其可在其所在平内沿X、Y两个方向作直线运动，也可以沿顺时针或逆时针方向进行转动，同时还可以沿激光头运动装置内的反射镜反射的激光束轴线所在直线进行0-90°的摆动。

在上述任意一个实施例的基础之上，工件装夹运动平台9还具有转动底盘，转动底盘能够在水平面内进行转动。

可选的，工件装夹运动平台9还具有转动底盘，转动底盘的转动轴线与激光光路的路线共线。

可选的，光束直径调节器6对激光光束的调节范围为0.5-5mm。

在上述任意一个实施例的基础之上，高能短脉冲激光器1的激光脉宽范围为8ns至16ns，且激光脉宽在激光脉宽范围内为可调脉宽。

可选的，高能短脉冲激光器1为脉冲纳秒激光器，激光脉宽为8ns—16ns可调，激光波长为1053nm，光束发散角必须小于或等于3毫弧度(mrad)，激光输出功率密度精确可调，功率稳定性，无干预运行8小时变量保持小于或等于5％。

本发明所提供的激光喷丸制品表面制造系统可以通过以下方式进行操作：

第一步，在加工工件12表面黏贴柔性贴膜，用于吸收激光能量产生蒸汽并保护工件不受激光辐照产生的热损伤；上述柔性贴膜为吸收层，约束层施加在吸收层表面，用于约束等离子体冲击波，增强激光喷丸时的冲击压力。约束层为通过水流喷嘴11施加在吸收层表面形成的流动水膜。

第二步，高能脉冲激光器1发出的激光束2经整个光路系统调节后，辐照在加工工件12表面吸收层上，吸收层在激光束2辐照下熔融汽化，形成等离子体并爆炸形成冲击波，冲击波在约束层的约束下，冲击压力得到增强，作用在加工工件12表面产生高应变率塑性变形，形成局部微压纹。

加工工件12表面压纹的几何尺寸及形状通过计算机集成控制系统10控制高能脉冲激光器1输出的激光束2的脉宽、激光能量，控制外光路系统中光路准直器4和光束直径尺寸调节器6改变光束直径尺寸，以及控制冲击点的冲击次数等途径实现。

计算机集成控制系统10有序控制激光头运动装置7和工件装夹运动平台工9的三维空间位姿和运动，调整加工工件12的加工表面与激光束2的相对位置，结合对高能脉冲激光器1输出激光束2的控制，在加工工件12表面不同位置进行冲击，实现不同形状大小的激光光斑的压纹阵列的加工。

激光头运动装置7仅能沿其运动导轨上下运动，控制激光束辐照加工工件12的高度位置；工件装夹运动平台9为一三联动运动平台，其可在其所在平内沿X、Y两个方向作直线运动，也可以沿顺时针或逆时针方向进行转动，同时还可以沿垂直于经反射镜8反射的激光束轴线所在直线进行0-90°的摆动，以满足不同表面形状加工工件的加工要求。

除了上述实施例所提供的激光喷丸制品表面制造系统的主要结构和操作方式，该激光喷丸制品表面制造系统的其他各部分的结构请参考现有技术，对应的相类似的操作方式也可以相互借鉴，本文不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的激光喷丸制品表面制造系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种激光喷丸制品表面制造系统，其特征在于，包括：

用于发射激光光束的高能短脉冲激光器(1)，所述高能短脉冲激光器(1)能够调整激光光束的能量大小；

用于对激光光束进行汇聚的聚光透镜(3)；

用于调整激光光束的光束质量的光路准直器(4)；

用于调整激光光束的形状的光束直径调节器(6)；

用于反射所述激光光束的第二反射镜组(8)，所述第二反射镜组设置(8)在激光头运动装置(7)上；

工件装夹运动平台(9)，所述工件装夹运动平台(9)用于夹持加工工件；

设置在加工工件表面的柔性贴膜，用于吸收激光光束能量产生的蒸汽、并保护工件不受激光辐照产生的热损伤；

预存有加工参数的计算机集成控制系统(10)，所述计算机集成控制系统(10)与所述高能短脉冲激光器(1)、光路准直器(4)、光束直径调节器(6)、激光头运动装置(7)和工件装夹运动平台(9)连接，用于控制所述高能短脉冲激光器(1)、光路准直器(4)、光束直径调节器(6)的工作以及用于控制所述激光头运动装置(7)和工件装夹运动平台(9)的运动；

所述聚光透镜(3)、光路准直器(4)、第一反射镜组(5)、光束直径调节器(6)、第二反射镜组(8)和工件装夹运动平台(9)依次设置在所述高能短脉冲激光器(1)的激光光束的光路上。

2.根据权利要求1所述的激光喷丸制品表面制造系统，其特征在于，还包括用于采集所述加工工件实时加工状态的压纹实时动态监测系统(13)，所述压纹实时动态监测系统(13)与所述计算机集成控制系统(10)连接，用于将所述实时加工状态与目标加工状态进行对比，并根据对比结果调整所述加工参数。

3.根据权利要求2所述的激光喷丸制品表面制造系统，其特征在于，还包括用于向设置有所述柔性贴膜的加工工件进行喷水作业的流水喷嘴(11)，以便约束等离子体冲击波。

4.根据权利要求3所述的激光喷丸制品表面制造系统，其特征在于，所述激光头运动装置(7)与竖直设置的导轨连接，所述激光头运动装置(7)的运动方向沿所述导轨长度方向。

5.根据权利要求4所述的激光喷丸制品表面制造系统，其特征在于，所述工件装夹运动平台(9)为一三联动运动平台，所述工件装夹运动平台(9)可在水平面内沿X轴方向作直线运动、Y轴方向作直线运动以及沿顺时针或逆时针方向转动。

6.根据权利要求5所述的激光喷丸制品表面制造系统，其特征在于，所述工件装夹运动平台(9)还具有转动底盘，所述转动底盘能够在水平面内进行转动。

7.根据权利要求5所述的激光喷丸制品表面制造系统，其特征在于，所述工件装夹运动平台(9)还具有转动底盘，所述转动底盘的转动轴线与激光光路的路线共线。

8.根据权利要求5所述的激光喷丸制品表面制造系统，其特征在于，所述光束直径调节器(6)对所述激光光束的调节范围为0.5-5mm。

9.根据权利要求5所述的激光喷丸制品表面制造系统，其特征在于，所述高能短脉冲激光器(1)的激光脉宽范围为8ns至16ns，且所述激光脉宽在所述激光脉宽范围内为可调脉宽。