CN109261779B - 一种高速冲击液体动态柔性成形的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速冲击液体动态柔性成形的装置及方法，涉及到激光加工微机电系统零件技术领域。该装置包括激光加载系统、对中组件、工件组件和控制系统；所述激光加载系统包括L型底座、脉冲激光器、透镜调整臂、可调聚焦透镜和全反镜；所述对中组件包括三维工作平台、CCD传感器；所述工件组件从下至上包括微模具、工件、吸收层、约束层和压边圈；所述控制系统包括计算机、激光控制器、图片采集器、液压控制系统和三维工作平台控制器；本发明装置可实现采用脉冲激光的冲击力作为能量源，用液体(水或者油)作为传力介质，实现微型金属管件的胀形。本发明装置设计合理，工艺简单，可控性好，开拓了激光冲击微成形领域的研究。

Description

一种高速冲击液体动态柔性成形的装置及方法

技术领域

本发明属于激光加工制造及机械先进制造微零件领域，尤其指一种高速冲击液体动态柔性成形的装置及方法。

背景技术

在航空航天、汽车等领域，对结构轻量化、功能性和整体性要求越来越高，因此复杂结构功能零件得到了广泛的应用。变径管主要用于管路系统中的功能元件或者连接不同直径的管件，在飞机管路系统和汽车进排气系统等领域中有着广泛应用，变径管最常用的加工方法有:冲压焊接工艺和内高压液力成形。然而，冲压焊接工艺一般先冲压两个或者两个以上半片再焊接成整体，一般采用点焊，因此得到的不是封闭的截面。并且冲压件的截面相对来说比较简单，很难满足当今结构设计的需要。且焊缝的存在会影响变径管的疲劳强度，缩短了管件的使用寿命。金属变径管的内高压液力成形在成形时，需要复杂的液压设备，内压和轴向载荷常常难以合理匹配，造成管材成形后失稳，使管件发生折叠、起皱与破裂等失效。并且这种方法对于一些局部尖角处和工件关键部位不能完全充分成形。这种方法适用的管径范围25mm-200mm，壁厚1mm-8mm，并不适用于毛细管件的成形。因此，设计一种高速冲击液体动态柔性成形的装置及方法具有很大意义。

本发明提出种一种高速冲击液体动态柔性成形的装置及方法，该发明是在激光动态冲击成形的基础上发展而来，本发明将进一步改善激光微成形技术并深入研究其成形性能。随着电子产品、生物、医疗器械、精密仪器、传感器等产业的高速发展，产品的微型化、精密化和高性能化成为制造业发展的重要趋势之一，各种类型的零件都急需微型化，而目前研究的脉冲激光冲击微成形大多基本侧重于箔板件成形，很少有学者研究金属管件的成形。并且目前的脉冲激光微成形大部分是用聚氨酯橡胶作为软膜弹性介质来避免激光与工件直接接触，同时作为柔性冲头来使工件成形，如公开号为CN101214581A的中国专利提出了板材激光软模成形方法及其专用装置，实现了一种模具可适合多种工件成形，模具制造、调整容易，并能增加材料变形程度，减小工件回弹，保证工件质量。但是由于弹性体本身变形极限的限制，对于深拉延零件、局部变形较大的零件，工件贴模性差、易产生回弹等缺陷。并且对于毛细管件，聚氨酯橡胶作为弹性介质，很难放入管件内，在管件成形后也很难取出，会对成形管件造成损坏。鉴于此，本发明提出采用液体(水或液压油等)作为传力介质，用脉冲激光作为瞬时加载的冲击力使毛细管件胀形。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种高速冲击液体动态柔性成形的装置及方法；

该装置可实现采用液体(水或液压油等)作为传力介质，用脉冲激光作为瞬时加载的冲击力使毛细管件胀形，特别适用于外径为1-2mm，厚度小于等于0.1mm的毛细管的胀形。

一种高速冲击液体动态柔性成形的装置，包括激光加载系统、对中组件、工件组件和控制系统；所述激光加载系统中的脉冲激光器发出的激光束照射到工件组件上，对工件组件中的待加工工件进行激光加工；所述对中组件中的CCD传感器采集工件组件中的上对开微模具和下对开微模具型腔的位置，并将信号传递给控制系统中的计算机，经计算机处理发出信号给三维工作平台，使得三维工作平台移动，从而带动工件组件移动实现上对开微模具和下对开微模具型腔与激光调试光斑的对中；所述工件组件从下至上包括微模具、吸收层、约束层和压边圈；所述微模具包括模具外壳、上对开微模具和下对开微模具；所述下对开微模具设置在模具外壳上开设的凹槽内，下对开微模具上设置有上对开微模具；所述上对开微模具与下对开微模具上均开设有通孔，用于放置待加工工件，待加工工件内设置有传力介质；所述下对开微模具中在待加工工件周围设置有一型腔，该型腔用于在待加工工件周围填充弹性介质，用于待加工工件的自由成形；或者微模具中也可制造有具体的型腔形状，用于待加工工件的特定形状的成形。

进一步的，所述激光加载系统包括L型底座、脉冲激光器、透镜调整臂、可调聚焦透镜和全反镜；所述脉冲激光器发出的激光束经45°设置的全反镜反射到可调聚焦透镜上聚焦，聚焦后的激光束照射到对中组件调试好的中心位置上；所述可调聚焦透镜安装在透镜调整臂上，透镜调整臂安装在L型底座的竖直侧面上且与水平面平行，并可通过调整透镜调整臂上的松紧螺栓来可调聚焦透镜的竖直方向高度。

进一步的，所述对中组件包括三维工作平台和CCD传感器；所述三维工作平台设置在L型底座上；利用激光控制器控制脉冲激光器发出一束调试光，由三维工作平台控制前后左右和竖直方向的移动，将经全反镜反射和可调聚焦透镜聚焦后的调试光光斑与上对开微模具、下对开微模具中的型腔对中；CCD传感器将调试光光斑与工件组件中的上对开微模具、下对开微模具型腔的相对位置输入计算机，计算机再对三维工作平台的移动做出控制。

进一步的，所述上对开微模具上开设的孔径与下对开微模具上开设的孔径相等，均等于待加工管件的外径；下对开微模具内还填充有弹性介质；所述模具外壳与下对开微模具接触处设置一O型密封圈，通过螺钉拧紧模具外壳与上对开微模具与下对开微模具，防止漏液。

进一步的，所述控制系统包括计算机、激光控制器、图片采集器、液压控制系统和三维工作平台控制器；所述激光控制器、图片采集器、液压控制系统、三维工作平台控制器的一端均与计算机相连接，激光控制器的另一端与脉冲激光器连接，用于控制激光器的工作状态；图片采集器的另一端与CCD传感器连接，将CCD传感器采集到的信息通过图片采集器处理后输入计算机；液压控制系统用于控制三维工作平台在竖直方向的移动；三维工作平台控制器与三维工作平台连接，用于控制三维工作平台的前后、左右方向的移动。

进一步的，所述待加工工件是外径为1-2mm，厚度小于等于0.1mm的微型金属管件。

进一步的，所述弹性介质为聚氨酯橡胶或者橡皮泥，用于待加工工件的自由成形。

进一步的，所述传力介质为液体介质，优选水或者液压油；液体介质很容易充满模腔，即成形性好，变形更均匀；用液体作为传力凸模，使金属管件成形。

进一步的，所述吸收层是10-60μm厚度的铝箔，或者为厚度为5-30μm的金属涂层或者黑漆，所述约束层为厚度为3mm的有机玻璃PMMA。

一种高速冲击液体动态柔性成形装置的方法，具体包括如下步骤：

S1.激光控制器、图像采集器、液压控制系统、三维工作平台控制器均与计算机相连接，将微模具放在三维工作平台上，计算机控制激光控制器调控激光器发出一束调试光，利用三维工作平台控制前后左右移动和竖直方向的动作，利用CCD传感器拍摄调试光光斑中心相对于上对开微模具、下对开微模具型腔中心的位置，并通过图像采集器处理输入计算机，计算机处理信息后再对三维工作平台的移动做出对应的控制；这一过程实现了经全反镜反射和可调聚焦透镜聚焦后的调试光光斑与上对开微模具、下对开微模具中的型腔对中，保持各部件固定后，控制器关闭调试光；

S2.工件组件的装配、定位、密封和夹紧，将工件放入微模具型腔中，然后将上对开微模具、下对开微模具与模具外壳用螺钉拧紧，然后将液体注入待加工工件中，放上吸收层和约束层，最后放上压边圈，用螺钉拧紧从压边圈到模具外壳的所有零部件；

S3.计算机控制脉冲激光控制器的启动，并调节脉冲激光器发出的激光参数，脉冲激光器发出的激光束通过反射镜、可调聚焦透镜，激光透过约束层照射在吸收层上，吸收层吸收激光能量迅速气化并电离形成等离子体，等离子体继续吸收能量，由于约束层的限制，等离子体在传力介质中迅速膨胀爆炸，通过传力介质水或者液压油作为介质，以波的形式将高压脉冲作用于待加工工件，当冲击波压力大于待加工工件的屈服强度时，待加工工件会发生塑性变形，使待加工工件在很高的速度下压向弹性介质产生变形，完成一个脉冲下的微零件的成形；一个脉冲后，计算机可控制激光器发出第二个脉冲或者选择关闭脉冲激光器；

S4.关闭脉冲激光器后，拧开螺钉，依次取下压边圈、约束层，排出液体，最后取出上对开微模具、下对开微模具，取下加工好的工件；然后从步骤S2进入下一个循环。

有益效果：

1.目前研究的脉冲激光冲击微成形大多基本侧重于箔板件成形，本发明基于激光冲击金属箔板微成形机制，在继承激光冲击金属箔板微成形基础上，提供了一种高速冲击液体动态柔性成形的装置及方法使管件胀形，开拓了激光冲击微成形领域的研究。

2.目前的脉冲激光微成形大部分是用聚氨酯橡胶作为软膜弹性介质来避免激光与工件直接接触，并作为柔性冲头来使工件成形，但由于弹性体本身变形极限的限制，对于深拉延零件、局部变形较大的零件，工件贴模性差、易产生回弹等缺陷。因此，本发明提出采用液体(水或液压油等)作为传力介质，液体的流动性好于固态弹性体，对于复杂形状零件的成形充填性好，受力更均匀，零件贴模性好，尺寸和形状精度高。并且液体可避免激光对工件的损伤，使工件成形质量更高。

3.本发明激光光斑直径可调节，特别适用于不同直径的毛细金属管件的成形。并且本发明中的微模具没有制造特定形状的型腔，而是采用弹性介质来使管件自由成形。弹性介质可以是聚氨酯橡胶，也可以是橡皮泥，通过调节激光能量可成形不同尺寸的变径管。

4.本发明可通过CCD传感器拍摄调试光光斑中心相对于微模具型腔中心的位置，并通过图像采集器处理输入计算机，计算机处理信息后再对三维工作平台的移动做出对应的控制，比起人工调节精度提高很多，提高了工件的成形质量和减少了废品率。

附图说明

图1是本发明一种高速冲击液体动态柔性成形的装置的结构示意图；

图2是本发明图1涉及到的工件组件的装配图；

图3是本发明图1涉及到的工件组件的三维示意图。

附图标记如下：

1-L型底座；2-三维工作平台；3-工件组件；4-透镜调整臂；5-可调聚焦透镜；6-全反镜；7-计算机；8-液压控制系统；9-三维工作平台控制器；10-图像采集器；11-CCD传感器；12-激光控制器；13-脉冲激光器；14-模具外壳；15-下对开微模具；16-O型密封圈；17-弹性介质；18-上对开微模具；19-吸收层；20-约束层；21-待加工工件；22-传力介质；23-压边圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的一种高速冲击液体动态柔性成形的装置结合附图1所示，包括激光加载系统、对中组件、工件组件和控制系统；

结合附图1所示，所述激光加载系统包括L型底座1、脉冲激光器13、透镜调整臂4、可调聚焦透镜5和全反镜6；所述脉冲激光器13发出的激光束经45°设置的全反镜6反射到可调聚焦透镜5上聚焦，聚焦后的激光束照射到对中组件调试好的中心位置上；所述可调聚焦透镜5安装在透镜调整臂4上，透镜调整臂4安装在L型底座1的竖直侧面上且与水平面平行，并可通过调整透镜调整臂4上的松紧螺栓来可调聚焦透镜5的竖直方向高度，从而实现调节激光光斑大小的目的；

结合附图1所示，所述对中组件包括三维工作平台2、CCD传感器11；所述三维工作平台2设置在L型底座1上；利用激光控制器12控制脉冲激光器13发出一束调试光，由三维工作平台2控制前后左右和竖直方向的移动，将经全反镜6反射和透镜5聚焦后的调试光光斑与上对开微模具18中的型腔对中；CCD传感器11将调试光光斑与工件组件3中的上对开微模具18型腔的相对位置输入计算机7，计算机7再对三维工作平台2的移动做出控制；

结合附图2、3所示，所述工件组件3从下至上包括微模具、工件21、传力介质22、吸收层19、约束层20和压边圈23；所述微模具包括模具外壳14、上对开微模具18和下对开微模具15、弹性介质17、O型密封圈16。弹性介质17填充在待加工工件21(管件)的周围和下对开微模具15的型腔内，并不需要对下对开微模具15的型腔制造出特定的形状，只需要液体冲击波超过待加工工件21(管件)的屈服强度，待加工工件21(管件)便可以产生自由变形并向周围挤压弹性介质17，从而达到成形的效果。

所述待加工工件21是外径为1-2mm，厚度小于等于0.1mm的金属管件；所述传力介质22为液体(水或液压油等)，液体介质很容易充满模腔，即成形性好，变形更均匀。用液体作为传力凸模，使待加工工件21成形。所述弹性介质17可以是聚氨酯橡胶，也可以是橡皮泥，用于待加工工件21的自由成形；所述吸收层19是10-60μm厚度的铝箔，或者是厚度为5-30μm的金属涂层或黑漆，所述约束层20为厚度为3mm的有机玻璃PMMA。将待加工工件21放入微模具型腔中，然后将上、下对开模具15、18与模具外壳14用螺钉拧紧，然后将液体22注入金属管件21中，放上吸收层19和约束层20，最后放上压边圈23，用螺钉拧紧从压边圈23到模具外壳14的所有零部件；

结合附图1所示，所述控制系统包括计算机7、激光控制器12、图片采集器10、液压控制系统8和三维工作平台控制器9；所述激光控制器12、图片采集器10、液压控制系统8、三维工作平台控制器9均与计算机7相连接，激光控制器12另一端与脉冲激光器13连接，用于控制激光器13的工作状态；图片采集器10的另一端与CCD传感器11连接，将CCD传感器11采集到的信息通过图片采集器10处理后输入计算机7；液压控制系统8用于控制三维工作平台2在竖直方向的移动；三维工作平台控制器9与三维工作平台2连接，用于控制三维工作平台2的前后、左右方向的移动。

基于一种高速冲击液体动态柔性成形装置的方法，具体包括如下步骤：

S1.激光控制器12、图像采集器10、液压控制系统8、三维工作平台控制器9均与计算机7相连接，将模具放在三维工作平台2上，接着计算机7控制激光控制器12调控激光器13发出一束调试光，利用三维工作平台2控制前后左右移动和竖直方向的动作，利用CCD传感器11拍摄调试光光斑中心相对于上对开微模具18、下对开微模具15型腔中心的位置，并通过图像采集器10处理输入计算机7，计算机7处理信息后再对三维工作平台2的移动做出对应的控制；这一过程实现了经全反镜6反射和透镜5聚焦后的调试光光斑与上对开微模具18、下对开模具15中的型腔对中，保持各部件固定后，控制器关闭调试光；

S2.工件组件3的装配、定位、密封和夹紧，将待加工工件21放入微模具型腔中，然后将上对开微模具18、下对开模具15与模具外壳14用螺钉拧紧，然后将液体22注入金属管件21中，放上吸收层19和约束层20，最后放上压边圈23，用螺钉拧紧从压边圈23到模具外壳14的所有零部件；

S3.计算机7控制脉冲激光控制器12的启动，并调节脉冲激光器12发出的激光参数，脉冲激光器13发出的激光束通过反射镜6、可调聚焦透镜5，激光透过约束层20照射在吸收层19上，吸收层19吸收激光能量迅速气化并电离形成等离子体。等离子体继续吸收能量，由于约束层20的限制，等离子体在传力介质22中迅速膨胀爆炸，通过传力介质22(水或液压油等)作为介质，以波的形式将高压脉冲作用于金属管件，当冲击波压力大于金属管件的屈服强度时，金属管件会发生塑性变形，使金属管件在很高的速度下压向弹性介质产生变形，完成一个脉冲下的微零件的成形；一个脉冲后，计算机7可控制激光器13发出第二个脉冲或者选择关闭脉冲激光器13；

S4.关闭脉冲激光器13后，拧开螺钉，依次取下压边圈23、约束层20，排出液体22，最后取出上对开微模具18、下对开模具15，取下加工后的工件。然后从步骤S2进入下一个循环。

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 (7)

1.一种高速冲击液体动态柔性成形的装置，其特征在于，包括激光加载系统、对中组件、工件组件（3）和控制系统；所述激光加载系统中的脉冲激光器（13）发出的激光束照射到工件组件（3）上，对工件组件（3）中的待加工管件（21）进行激光加工；所述对中组件中的CCD传感器（11）采集工件组件（3）中的上对开微模具（18）和下对开微模具（15）型腔的位置，并将信号传递给控制系统中的计算机（7），经计算机（7）处理发出信号给三维工作平台（2），使得三维工作平台（2）移动，从而带动工件组件（3）移动实现上对开微模具（18）和下对开微模具（15）型腔与激光调试光斑的对中；所述工件组件（3）从下至上包括微模具、吸收层（19）、约束层（20）和压边圈（23）；所述微模具包括模具外壳（14）、上对开微模具（18）和下对开微模具（15）；所述下对开微模具（15）设置在模具外壳（14）上开设的凹槽内，下对开微模具（15）上设置有上对开微模具（18）；所述上对开微模具（18）与下对开微模具（15）上均开设有通孔，用于放置待加工管件（21），待加工管件（21）内设置有传力介质（22），其中，传力介质（22）为液体介质；所述下对开微模具（15）中在待加工管件（21）周围设置有一型腔，该型腔用于在待加工管件（21）周围填充弹性介质（17），用于待加工管件（21）的自由成形；或者微模具中也可制造有具体的型腔形状，用于待加工管件（21）的特定形状的成形；所述上对开微模具（18）上开设的孔径与下对开微模具（15）上开设的孔径相等，均等于待加工管件（21）的外径；下对开微模具（15）内还填充有弹性介质（17）；所述模具外壳（14）与下对开微模具（15）接触处设置O型密封圈（16），通过螺钉拧紧模具外壳（14）与上对开微模具（18）与下对开微模具（15），防止漏液；所述对中组件包括三维工作平台（2）和CCD传感器（11）；所述三维工作平台（2）设置在L型底座（1）上；利用激光控制器（12）控制脉冲激光器（13）发出一束调试光，由三维工作平台（2）控制前后左右和竖直方向的移动，将经全反镜（6）反射和可调聚焦透镜（5）聚焦后的调试光光斑与上对开微模具（18）、下对开微模具（15）中的型腔对中；CCD传感器（11）将调试光光斑与工件组件（3）中的上对开微模具（18）、下对开微模具（15）型腔的相对位置输入计算机（7），计算机（7）再对三维工作平台（2）的移动做出控制；所述待加工管件（21）是外径为1-2mm，厚度小于等于0.1mm的微型金属管件。

2.根据权利要求1所述的一种高速冲击液体动态柔性成形的装置，其特征在于，所述激光加载系统包括L 型底座（1）、脉冲激光器（13）、透镜调整臂（4）、可调聚焦透镜（5）和全反镜（6）；所述脉冲激光器（13）发出的激光束经45°设置的全反镜（6）反射到可调聚焦透镜（5）上聚焦，聚焦后的激光束照射到对中组件调试好的中心位置上；所述可调聚焦透镜（5）安装在透镜调整臂（4）上，透镜调整臂（4）安装在L型底座（1）的竖直侧面上且与水平面平行，并可通过调整透镜调整臂（4）上的松紧螺栓来可调聚焦透镜（5）的竖直方向高度。

3.根据权利要求1所述的一种高速冲击液体动态柔性成形的装置，其特征在于，所述控制系统包括计算机（7）、激光控制器（12）、图片采集器（10）、液压控制系统（8）和三维工作平台控制器（9）；所述激光控制器（12）、图片采集器（10）、液压控制系统（8）、三维工作平台控制器（9）的一端均与计算机（7）相连接，激光控制器（12）的另一端与脉冲激光器（13）连接，用于控制脉冲激光器（13）的工作状态；图片采集器（10）的另一端与CCD传感器（11）连接，将CCD传感器（11）采集到的信息通过图片采集器（10）处理后输入计算机（7）；液压控制系统（8）用于控制三维工作平台（2）在竖直方向的移动；三维工作平台控制器（9）与三维工作平台（2）连接，用于控制三维工作平台（2）的前后、左右方向的移动。

4.根据权利要求1所述的一种高速冲击液体动态柔性成形的装置，其特征在于，所述弹性介质（17）为聚氨酯橡胶或者橡皮泥，用于待加工管件（21）的自由成形。

5.根据权利要求1所述的一种高速冲击液体动态柔性成形的装置，其特征在于，所述传力介质（22）为水或者液压油。

6.根据权利要求1所述的一种高速冲击液体动态柔性成形的装置，其特征在于，所述吸收层（19）是10-60μm厚度的铝箔，或者为厚度为5-30μm的金属涂层或者黑漆，所述约束层（20）为厚度为3mm的有机玻璃PMMA。

7.基于权利要求1至6任一项所述的一种高速冲击液体动态柔性成形的装置的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

S1. 激光控制器（12）、图片采集器（10）、液压控制系统（8）、三维工作平台控制器（9）均与计算机（7）相连接，将微模具放在三维工作平台（2）上，计算机（7）控制激光控制器（12）调控脉冲激光器（13）发出一束调试光，利用三维工作平台（2）控制前后左右移动和竖直方向的动作，利用CCD传感器（11）拍摄调试光光斑中心相对于上对开微模具（18）、下对开微模具（15）型腔中心的位置，并通过图片采集器（10）处理输入计算机（7），计算机（7）处理信息后再对三维工作平台（2）的移动做出对应的控制；这一过程实现了经全反镜（6）反射和可调聚焦透镜（5）聚焦后的调试光光斑与上对开微模具（18）、下对开微模具（15）中的型腔对中，保持各部件固定后，激光控制器（12）关闭，调试完毕；

S2. 工件组件（3）的装配、定位、密封和夹紧，将待加工管件（21）放入微模具型腔中，然后将上对开微模具（18）、下对开微模具（15）与模具外壳（14）用螺钉拧紧，然后将传力介质（22）注入待加工管件（21）中，放上吸收层（19）和约束层（20），最后放上压边圈（23），用螺钉拧紧从压边圈（23）到模具外壳（14）的所有零部件；

S3. 计算机（7）控制激光控制器（12）的启动，并调节脉冲激光器（13）发出的激光参数，脉冲激光器（13）发出的激光束通过全反镜（6）、可调聚焦透镜（5），激光透过约束层（20）照射在吸收层（19）上，吸收层（19）吸收激光能量迅速气化并电离形成等离子体，等离子体继续吸收能量，由于约束层（20）的限制，等离子体在传力介质（22）中迅速膨胀爆炸，传力介质（22）采用水或者液压油作为介质，以波的形式将高压脉冲作用于待加工管件（21），当冲击波压力大于待加工管件（21）的屈服强度时，待加工管件（21）会发生塑性变形，使待加工管件（21）在很高的速度下压向弹性介质产生变形，完成一个脉冲下的微零件的成形；一个脉冲后，计算机（7）可控制脉冲激光器（13）发出第二个脉冲或者选择关闭脉冲激光器（13）；

S4. 关闭脉冲激光器（13）后，拧开螺钉，依次取下压边圈（23）、约束层（20），排出传力介质（22），最后取出上对开微模具（18）、下对开微模具（15），取下加工好的待加工管件（21）；然后从步骤S2进入下一个循环。

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