CN107520312B - 直壁圆筒件激光冲击成形方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直壁圆筒件激光冲击成形方法和装置，属于金属零件近净成形的塑性加工领域。本发明采用激光冲击技术对薄板实施两步成形以获得高精度的成形件。第一步用较大脉冲能量的激光诱导压力较高的冲击波对薄板实施冲击，使之初步整体成形，但在成形过程中，薄板不仅与模具的侧壁贴合，变形速度极快的薄板还与模腔底部发生剧烈的碰撞，使初步成形件底部产生局部反向塑性变形，降低成形精度。第二步用较小脉冲能量的激光诱导较低压力的冲击波对初步成形件底部的反向塑性变形区域实施冲击，以消除第一步的初步成形件底部的反向塑性变形，对初步成形件校正定形，使得直壁圆筒件的成形精度大大提高。本发明大大提高薄板激光冲击成形的精度，具有广泛的实用性。

Description

直壁圆筒件激光冲击成形方法和装置

技术领域：

本发明属于机械零件近净成形的塑性加工技术领域，具体涉及一种直壁圆筒件激光冲击成形方法和装置，本发明特别适合于微小直壁构件的精密成形。

背景技术：

激光冲击成形技术是一种利用激光诱导高压冲击波进行板料成形技术，在航空航天、汽车、玩具、电子、微机电系统等领域有着潜在的应用价值，例如，微机电系统中微形元件的成形。由于激光脉冲参数具有良好的可控性和可重复性，激光冲击成形技术越来越受到重视。

根据在板料成形中是否使用模具，激光冲击成形可分为有模激光冲击成形和无模激光冲击成形两类。无模激光冲击成形，没有模具，冲击成形出来的薄板的形状大多呈圆锥形或半球形，成形件的精度较差。而有模激光冲击成形则采用模具对薄板的成形的形状加以限制，相比与无模成形件，有模情况下，板料的成形精度得到了进一步提高。在有模具的成形过程中，薄板至于凹模的上方并用压板压紧，激光辐照薄板上的吸收层后诱导产生GPa量级的冲击波，薄板的受冲击区域首先从冲击波中获得动量和动能，快速向下运动并带动四周毗连的区域向下运动，由于受冲击波直接作用区域的变形速度最快，受冲击区域首先到达模具模腔的底部后，与模腔底部发生剧烈碰撞，剧烈碰撞使薄板材料横向流动并推动板料填充模腔底部的圆角，使板料和凹模的侧壁贴合，但剧烈的碰撞会导致薄板中心区域出现反向塑性变形，形成了与模腔凹陷方向相反的圆顶锥形突起，引发薄板中心区域与模腔底部不贴合，导致薄板的成形精度降低；若降低冲击波的压力，会使薄板的中心区域贴合而导致凹模底部的圆角无法被充填，也会导致薄板成形精度差。也就是说在激光冲击成形中，较高压力的冲击波会使板料填充模腔底部的圆角，但也会导致成形件中心区域的反向变形；较小压力的冲击波容易使板料与模腔的底部贴合，但模腔底部的圆角无法充填。这两种情况都会导致成形件的精度下降，在直壁构件的激光冲击成形中表现得最为明显。

目前，中国专利(CN101524784A)“一种基于聚氨酯的橡胶模激光冲击成形方法和装置”提供以聚氨酯橡胶为模具，通过橡胶硬度和激光强度的配合进行成形的成形方法。该发明确实解决了薄板与模腔的贴合问题，然而橡胶的强度和硬度有限，其在成形的过程中容易发生变形，因此无法满足板料大变形、高精度的成形要求。中国专利(CN101745740A)“金属板料环形光斑激光冲击成形方法及装置”提供以环形激光光斑代替传统实心光斑，进行激光冲击成形的方法。该发明主要解决了成形过程中的开裂失效的问题，但环形光斑不仅会导致激光器内部的光路异常复杂，而且环形光斑外圆和内圆很难有很好的同轴度，使诱发的冲击波的压力场不规则，会导致薄板被加载后变形量的不一致，薄板的成形精度较差。更为重要的是受激光脉冲输出能量的限制，环形光斑的内圆直径会很小，在冲击成形中依然存在单个实心光斑在成形过程中存在的成形精度问题。因此，激光冲击成形的主要存在着薄板成形的精度问题，现有的技术未能很好的解决它，它制约着该技术的应用推广。

发明内容：

本发明针对现有技术存在的问题及不足，提供一种直壁圆筒件激光冲击成形方法和装置。采用本发明方法实现薄板的精密成形的过程分为两步，第一步使用高脉能量的激光脉冲诱导压力较高的冲击波对薄板实现初步的整体成形，第二步使用低脉能量的激光脉冲诱导压力较低的冲击波对第一步成形过程中的局部区域进行校正定形。

本发明所提供的一种直壁圆筒件激光冲击成形方法具体步骤如下：

(1)冲击前的准备工作：将金属薄板14放置在凹模12模腔的上方，所述金属薄板14的上表面涂覆吸收层15，用压板16和螺栓13将所述金属薄板14固定在所述凹模12上，然后利用机械臂1端部安装的卡爪2夹紧所述凹模12；通过操作计算机11向控制器10发送信号使所述机械臂1移动以及所述机械臂1的端部转动来调整所述凹模12及所述金属薄板14的位置，使所述吸收层15正对着冲击头9，并使激光脉冲束6在所述吸收层15上形成的光斑大小符合要求；通过操作所述计算机11向控制器10发送信号，打开供水龙头3，向所述吸收层15表面持续喷水，并在所述吸收层15表面形成稳定的流动水层，所述流动水层作为约束层。

(2)第一步成形：通过操作所述计算机11向控制器10发出信号来控制激光发生器4发射能量较高的激光脉冲束6，所述能量较高的激光脉冲束6沿导光管5，经第一全反镜8和第二全反镜7反射，到达所述冲击头9，所述能量较高的激光脉冲束6被所述冲击头9中的凸透镜会聚后，通过流动的水层辐照到所述吸收层15上，所述吸收层15上的材料瞬间电离成为高压等离子体，高压等离子体喷射形成了高压冲击波对所述金属薄板14表面施加压力和冲量，所述金属薄板14受冲击波作用的区域获得动能后快速向所述凹模12模腔内运动变形，受冲击波作用的区域带动受冲击区域四周毗连的区域向下运动，由于受冲击区域变形速度最快，最先到达所述凹模12模腔的底部，并与模腔底面发生剧烈碰撞，造成该区域材料向四周横向流动，充填模腔底部的圆角，并与模腔侧壁贴合，实现所述金属薄板14的初步整体成形，得到所述金属薄板14的初步成形件；剧烈的碰撞还导致所述金属薄板14初步成形件的底部中心区域发生局部反向塑性变形，出现类圆顶锥形的凸起，使所述金属薄板14的初步成形件与所述凹模12模腔底面局部区域不完全贴合。

(3)第二步成形：通过操作所述计算机11向所述控制器10发出信号使所述激光发生器4再次发射能量较低的激光脉冲束6，所述能量较低的激光脉冲束6沿所述导光管5，经所述第一全反镜8和所述第二全反镜7反射，到达所述冲击头9，所述能量较低的激光脉冲束6被所述冲击头9中的凸透镜会聚后，通过流动的水层辐照到所述吸收层15上，所述吸收层15上的材料瞬间电离成为高压等离子体，高压等离子体喷射形成的冲击波作用在所述金属薄板14初步成形件底部的局部凸起区域，凸起的区域获得冲量和动能后向下运动，使所述金属薄板14的最终成形件与所述凹模12模腔底部贴合，所述金属薄板14初步成形件底部的凸起消除，所述金属薄板14的初步成形件得到校正定形，得到所述金属薄板14的最终成形件。

本发明提供的直壁圆筒件激光冲击成形装置包括激光发生器4、导光系统、薄板模具系统及控制系统；所述导光系统包括导光管5、第二全反镜7、第一全反镜8及冲击头9，所述导光管5的一端连接所述激光发生器4，依次把所述第一全反镜8、第二全反镜7及所述冲击头9连接起来；所述冲击头9含有会聚透镜，所述冲击头9的出口正对着吸收层15；所述薄板模具系统包括机械臂1、卡爪2、凹模12、螺栓13、金属薄板14、吸收层15、压板16及供水龙头3，所述金属薄板14被激光辐照的一侧涂覆一层所述吸收层15，所述金属薄板14和吸收层15被所述压板16通过所述螺栓13安装在所述凹模12上，所述凹模12的模腔是圆柱体的，所述凹模12被夹持在所述卡爪2上，所述卡爪2通过螺栓安装在所述机械臂1的端部，所述供水龙头3对着所述吸收层15；所述控制系统包括计算机11和控制器10，控制信息由所述计算机11输入，通过所述控制器10发出的信号控制所述机械臂1的运动及转动，控制所述供水龙头3的开关，控制所述激光发生器4开关和产生激光脉冲束6的参数。

相比于现有成形技术，本发明突出优势在于：

1、相比较于传统的冲压成形等成形方法，本发明的冲击成形的设备简单，无需复杂的模具，只需要单个的凹模即可，通过机械臂的位置调整方便，加工柔性较大，对薄板实施非接触式加载，不存在有传统的冲压成形中压头损坏或磨损的现象。

2、相比较于其它的高能量成形的方法，如电磁成形、爆炸成形等，本发明的可对加工的参数精确可控，通过控制激光脉冲的输出能量和控制光斑的大小，可精确控制冲击波压力的大小，操作安全可靠。

3、本发明采用了两步成形法，既解决了薄板难以填充凹模底部圆角的问题，又解决了薄板在凹模底面中部的反向塑性变形问题，保证了成形件有着很高的成形精度，特别适合于微小直壁平底构件的精密成形，这是单次冲击无法实现的。

4、本发明在第一次初步的整体成形中，采用较高的激光脉冲能量诱导压力较高的冲击波，快速变形的薄板和凹模模腔的底部发生碰撞，使薄板在变形的过程得到了横向的动量，推动材料向四周流动，因此可采用小于模腔的光斑实现较大零件的成形。

5、本发明激光脉冲诱导的冲击波的压力高达几个至几十个GPa，远高于金属材料的屈服极限，可实现任何高强度金属材料的加工成形，而且在成形过程中，只需要一次装夹，单次冲压的时间在ns量级，加工的效率极高，而传统的方法由于难以提供如此之高的压力而且不能成形高强金属材料。

6、本发明两次采用激光诱导的冲击波薄板实施冲击，使材料在变过的过程得到了强化，而且在薄板贴膜的过程中，与模腔的底部发生多次撞击，使材料再次得到塑性强化，该方法是集塑性变形与强化于一体的技术，成形件有着较好的表面质量和使用寿命。

附图说明：

图1为本发明直壁圆筒件激光冲击成形装置结构示意图；

图2为本发明装置中的薄板模具系统(图1中的I区)的结构示意图；

图3为本发明金属薄板未受激光冲击时的截面形状示意图；

图4为本发明金属薄板第一步激光冲击后的截面形状示意图；

图5为本发明金属薄板第二步激光冲击后的截面形状示意图；

图6(a)为模具的横截面轮廓线示意图；

图6(b)为第一步冲击后的初步成形件的横截面轮廓示意图；

图6(c)为第二步冲击后的最终成形件的横截面轮廓示意图。

图中：1：机械臂；2：卡爪；3：供水龙头；4：激光发生器；5：导光管；6：激光脉冲束；7：第二全反镜；8：第一全反镜；9：冲击头；10：控制台；11：计算机；12：凹模；13：螺栓；14：金属薄板；15：吸收层；16：压板。

具体实施方式：

下面通过附图来进一步说明本发明。

本发明装置包括激光发生器4、导光系统、薄板模具系统及控制系统。导光系统包括导光管5、第二全反镜7、第一全反镜8及冲击头9。导光管5的一端连接着激光发生器4，依次把第一全反镜8、第二全反镜7和冲击头9连接起来，第一全反镜8和第二全反镜7平行安装在导光管5的折弯处，起着改变光路的方向的作用，冲击头9含有会聚透镜，冲击头9的出口对着吸收层15。薄板模具系统包括机械臂1、卡爪2、凹模12、螺栓13、金属薄板14、吸收层15、压板16及供水龙头3；金属薄板14被辐照的一侧的中心区域涂覆一层吸收层15，螺栓13有3个，压板16设有中孔且其周围均匀分布3个螺孔，调整金属薄板14、凹模12模腔和压板16的位置，使三者中心线重合，金属薄板14和吸收层15被压板16通过螺栓13安装在凹模12上。凹模12被夹持在卡爪2上，卡爪2通过螺栓安装在机械臂1的端部，机械臂1的端部具有5自由度，供水龙头3对着吸收层15。控制系统包括计算机11和控制器10，控制信息由计算机11输入，通过控制器10发出的信号来控制所述机械臂1端部的平动和转动、供水龙头3的开关、激光发生器4开关以及产生激光脉冲束6的参数。

在上述装置安装和调试好以后，通过操作计算机11向控制器10发送信号，使供水龙头3开关上的微电机转动，使阀门打开，供水龙头3向吸收层15表面持续喷水，并形成稳定流动的水层作为约束层。

根据待成形金属薄板14的厚度、材料的屈服极限以及成形深度等，通过计算和模拟初步确定激光脉冲束6的参数，如单脉冲的输出能量、光斑的大小、脉宽的长度、波长等，相应的参数等信息输入至计算机11中。控制器10接受计算机11的指令使激光发生器4发射参数优化后的激光脉冲束6。激光脉冲束6沿导光管5，经第一全反镜8和第二全反镜7反射，到达冲击头9，被冲击头9中的凸透镜会聚后，通过流动的水层辐照到吸收层15上，吸收层15上的材料瞬间电离成为高压等离子体，高压等离子体喷射形成的高压冲击波对金属薄板14表面施加压力和冲量，流动水层的存在延缓了高压等离子体的逸出，增加高压冲击波的作用效果，金属薄板14受冲击的作用区域获得动能后快速向凹模12模腔内运动变形，并带动四周毗连的区域向下运动，由于受冲击的区域速度最快，最先到达凹模12模腔的底部，并与模腔底面发生剧烈碰撞，造成该区域材料向四周流动，充填模腔底部的圆角，并与模腔侧壁贴合，实现金属薄板14整体初步成形；剧烈的碰撞还造成金属薄板14的初步成形件底部中心区域发生局部反向塑性变形，出现圆顶锥形凸起，与凹模12模腔底面局部不完全贴合。

根据初步成形件底部的中心区域反向变形的凸起大小，通过数值模拟等确定第二次冲击的激光脉冲束6的参数并输入计算机11中。控制器10再次接受计算机11的指令使使激光发生器4再次发射激光脉冲束6，能量较低的激光脉冲束6沿导光管5，经第一全反镜8和第二全反镜7后被反射，到达冲击头9，被冲击头9中的凸透镜会聚后，通过流动的水层辐照吸收层15上，吸收层15上的材料瞬间电离成为高压等离子体，高压等离子体喷射形成了高压冲击波对金属薄板14的初步成形件底部的局部突起区域表面施加压力和冲量，消除金属薄板14初步成形件底部中心的圆顶锥形凸起，使金属薄板14初步成形件的底部与模腔底部贴合，对金属薄板14初步成形件实施了定形校正，得到金属薄板14的最终成形件。

操作计算机11，通过控制器10使激光发生器4断电，使供水龙头3关闭。从卡爪2上卸下凹模12，松开螺栓13，从凹模12中取下金属薄板14的最终成形件，去除吸收层15的残余部分，清洗、晾干金属薄板14的最终成形件，得到了直壁平底圆筒件。

实施例：采用本发明方法和装置成形铝合金Al2024-T315的平底柱状杯。

凹模尺寸为：凹模12总体的外径20mm，高2mm；模腔直径4mm，深度0.8mm，侧壁为直壁，模腔的上部和底部的圆角半径均为0.3mm。金属薄板14为圆形薄板，圆形薄板的材料为Al2024-T315，薄板厚度为0.1mm，直径为φ20mm。成形过程如下：

先将圆形薄板放置在凹模12模腔的正上方。在圆形薄板待冲击一侧的中心区域涂覆一层厚度为0.1mm的黑漆作为吸收层15，放上压板16，压板16中部设有直径为φ4mm的中孔，用螺栓13通过压板16上的螺孔压紧，并利用卡爪2将凹模12装在机械臂1端部。操作计算机11，向控制器10发送信号，通过机械臂1的伸缩和其端部的旋转来调整圆形薄板的位置，使吸收层15待辐照的面与冲击头9的轴线垂直，且光斑直径为φ3mm。操作计算机11向控制台10发信号，使供水龙头3向吸收层15持续喷水，并在吸收层15表面形成稳定水层。

根据圆形薄板的厚度、凹模12的成形深度以及Al2024-T315材料的屈服强度，通过数值模拟确定激光脉冲的参数并输入至计算机11，控制器10接受计算机11指令并发信号，使激光发生器4发射激光脉冲束6。激光发生器4型号为Q switched Nd：YAG，激光脉冲束6的参数为波长1064nm，脉宽24ns，激光的功率密度为5.99GW/cm²，激光脉冲束6辐照在吸收层15上诱导冲击波，诱导的冲击波的压力3.2GPa。薄板14受到冲击波的冲击后变形，完成圆形薄板的初步整体成形，得到了底面凸起的柱状杯，测量初步成形的柱状杯的横截面的轮廓如图6(b)所示。

根据第一步冲击成形件底部的凸起的高度为0.2mm，底部直径为2mm，通过数值模拟确定激光脉冲的参数并输入至计算机11，控制器10接受计算机11指令使激光发生器4再次发射激光脉冲束6。激光脉冲束6的功率密度为1.9GW/cm²，其它参数不变，诱导的冲击波压力1.8GPa。对第一步的初步成形的柱状杯底部的凸起部分实施冲击，以消除其底部的凸起，使之沿模腔底部贴合。随后断电关水，取下圆形薄板，并进行清理其表面的附着物，最终得到了直壁平底圆柱杯，测量第二步成形后的直壁平底柱状杯横截面的轮廓如图6(c)所示。

Claims (1)

1.直壁圆筒件激光冲击成形方法，其特征在于该成形方法的具体步骤如下：

(1)冲击前的准备工作：将金属薄板(14)放置在凹模(12)模腔的上方，所述金属薄板(14)的上表面涂覆吸收层(15)，用压板(16)和螺栓(13)将所述金属薄板(14)固定在所述凹模(12)上，然后利用机械臂(1)端部安装的卡爪(2)夹紧所述凹模(12)；通过操作计算机(11)向控制器(10)发送信号使所述机械臂(1)移动以及所述机械臂(1)的端部转动来调整所述凹模(12)及所述金属薄板(14)的位置，使所述吸收层(15)正对着冲击头(9)，并使激光脉冲束(6)在所述吸收层(15)上形成的光斑大小符合要求；通过操作所述计算机(11)向所述控制器(10)发送信号，打开供水龙头(3)，向所述吸收层(15)表面持续喷水，并在所述吸收层(15)表面形成稳定的流动水层，所述流动水层作为约束层；

(2)第一步成形：通过操作所述计算机(11)向所述控制器(10)发出信号来控制激光发生器(4)发射能量较高的激光脉冲束(6)，所述能量较高的激光脉冲束(6)沿导光管(5)，经第一全反镜(8)和第二全反镜(7)反射，到达所述冲击头(9)，所述能量较高的激光脉冲束(6)被所述冲击头(9)中的凸透镜会聚后，通过流动的水层辐照到所述吸收层(15)上，所述吸收层(15)上的材料瞬间电离成为高压等离子体，高压等离子体喷射形成了高压冲击波对所述金属薄板(14)表面施加压力和冲量，所述金属薄板(14)受冲击波作用的区域获得动能后快速向所述凹模(12)模腔内运动变形，受冲击波作用的区域带动受冲击区域四周毗连的区域向下运动，由于受冲击区域变形速度最快，最先到达所述凹模(12)模腔的底部，并与模腔底面发生剧烈碰撞，造成该区域材料向四周横向流动，充填模腔底部的圆角，并与模腔侧壁贴合，实现所述金属薄板(14)的初步整体成形，得到所述金属薄板(14)的初步成形件；剧烈的碰撞还导致所述金属薄板(14)初步成形件的底部中心区域发生局部反向塑性变形，出现类圆顶锥形的凸起，使所述金属薄板(14)的初步成形件与所述凹模(12)模腔底面局部区域不完全贴合；

(3)第二步成形：通过操作所述计算机(11)向所述控制器(10)发出信号使所述激光发生器(4)再次发射能量较低的激光脉冲束(6)，所述能量较低的激光脉冲束(6)沿所述导光管(5)，经所述第一全反镜(8)和所述第二全反镜(7)反射，到达所述冲击头(9)，所述能量较低的激光脉冲束(6)被所述冲击头(9)中的凸透镜会聚后，通过流动的水层辐照到所述吸收层(15)上，所述吸收层(15)上的材料瞬间电离成为高压等离子体，高压等离子体喷射形成的冲击波作用在所述金属薄板(14)初步成形件的底部局部凸起区域，凸起的区域获得冲量和动能后向下运动，使所述金属薄板(14)与所述凹模(12)模腔底部贴合，所述金属薄板(14)初步成形件的底部中心凸起消除，所述金属薄板(14)的初步成形件得到校正定形，得到所述金属薄板(14)的最终成形件。