CN109317555A - 一种利用激光诱导复合冲压成型的装置与方法 - Google Patents

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罗春晖
吴柯
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Abstract

本发明涉及一种利用激光诱导复合冲压成型的装置与方法，包括水槽，水槽内设有垫块、微成型模具和压边圈，利用激光诱导等离子体和空泡溃灭冲击波作为工件成型力源，激光束经过透镜组在所述压边圈的通孔中聚焦，调节激光聚焦点和工件表面的离焦量使得工件成型效果达到最佳，在工件表面依次产生激光诱导等离子体和空泡；工件在等离子体冲击波和空泡溃灭冲击波作用下产生塑性变形，最后通过微成型模具实现工件冲压成型。本发明是一种全新的复合成型方法，相较于空化成型方法极大提升了工件的冲压深度；同时由于是水下成型，相较于激光冲击成形可最大限度减少激光热效应的影响，保证工作的表面成型质量。

Description

一种利用激光诱导复合冲压成型的装置与方法
技术领域
本发明涉及微细零件冲压成型技术领域，具体涉及一种利用激光诱导等离子体冲击波和空泡溃灭冲击波冲压成型微细零件的装置与方法。
背景技术
随着微机电系统和计算机技术的高速发展，例如电子元器件，以及医疗、航空航天、军事等领域对产品的微型化需要也越来越高，仪器设备产品的微型化及其快速高精度制造成为目前的研究热点。但在微零件的加工技术领域一直是我国制造加工行业的一个技术难点。目前采用的微零件加工涉及的方法比较多，但在激光加工领域来对微零件的加工领域，少有学者进行相应的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用激光诱导等离子体冲击波和空泡溃灭冲击波冲压成型微零件的装置和方法。通过提供一种全新的激光诱导复合微成型技术，可用于微零件的快速冲压成型。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种利用激光诱导复合冲压成型装置，包括水槽，所述水槽内设有垫块、成型微模具和压边圈，所述成型微模具位于所述垫块上方，所述压边圈位于所述成型微模具上方，工件安装在所述成型微模具和所述压边圈之间，所述压边圈上开有第一通孔，所述第一通孔上方设置有透镜组，所述透镜组和激光束构成激光加工光路系统。
上述方案中，所述成型微模具上开有第二通孔，所述第二通孔通过所述垫块上的凹腔与所述水槽内的液体连通。
上述方案中，所述第二通孔的轴线与所述第一通孔的轴线共线。
本发明还提供一种利用激光诱导复合冲压成型的方法，包括如下步骤：S1：将吸收层喷涂或覆盖在工件表面；S2：将工件置于压边圈与成型微模具之间，成型微模具的底部通过第二通孔与水槽内的液体连通；S3：利用激光束经过透镜组在所述压边圈上的第二通孔中聚焦，聚焦点距离工件表面一定距离，在工件表面依次产生激光诱导等离子体和空泡；S4：激光诱导等离子体剧烈膨胀和空泡溃灭引发指向所述工件的等离子体冲击波和空泡溃灭冲击波；S5：等离子体冲击波和空泡溃灭冲击波精确作用于所述工件的待加工处，使工件产生塑性变形，所述冲击波在压边圈的第一通孔内经过一系列反射还会使第一通孔孔内压力进一步增大，通过成型微模具实现工件的冲压成型。
上述方案中，步骤S1中，所述工件为1060铝合金或T2紫铜或304不锈钢，厚度为10μm-100um；吸收层材料为黑漆或铝箔，厚度为50μm-500μm。
上述方案中，步骤S2中，所述成型微模具上的第二通孔的孔直径为0.4mm-2.0mm。
上述方案中，步骤S3中，聚焦点距离工件在0.5mm-1.5mm范围内。
上述方案中，步骤S5中，所述压边圈上的第一通孔直径为2mm-4mm。
上述方案中，所述水槽中的液体可以为去离子水或酒精或甘油。
上述方案中，所述激光加工光路系统使用脉冲激光，脉宽为8ns，频率为1-10Hz，波长为1064/532nm，能量为50mJ-1000 mJ。
本发明的有益效果：（1）使用激光诱导等离子体冲击波和空泡溃灭冲击波复合冲压成型工件，与空化成型相比成型深度更大，成型区域精度更好；（2）由于该方法属于水下激光冲击成型，与激光冲击成形相比热影响区小，且由于是复合冲击成型，在达到相同成型深度所需的激光能量更小，更利于节约能源。
附图说明
图1为本发明的方法中利用激光诱导复合冲压成型装置的结构示意图。
图2为空泡在成型工件表面脉动序列图。
图3为利用激光诱导等离子体冲击波和空泡溃灭冲击波复合冲压成型工件图。
在图中：1-水槽；2-液体；3-垫块；4-成型微模具；5-工件；6-吸收层；7-压边圈；8-空泡；9-透镜组；10-激光束。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种利用激光诱导等离子体冲击波和空泡溃灭冲击波复合冲压成型工件的装置，包括装有液体2的水槽1、垫块3、成型微模具4、压边圈7、透镜组9和激光器，所述垫块3、压边圈7、所述成型微模具4均位于所述水槽1的液体2中，所述工件5位于所述成型微模具4的上方，所述压边圈7位于所述工件5的上方，所述压边圈7的中部具有纵向的第一通孔，所述成型微模具4上具有第二通孔，所述成型微模具4底部通过第二通孔和垫块3上的凹腔与水槽1内的液体2直接连通；所述透镜组9设置于所述水槽的液体2上方，所述激光器位于所述透镜组9的上方。
如图2所示为空泡8在成型工件5上方的脉动序列图，其具体成型过程如下：激光束10经过透镜组9最终聚焦到工件5表面，在材料表面形成等离子体，工件5表面的吸收层6可以增强激光能量的吸收，等离子体剧烈向外膨胀形成一个空泡8，同时产生强烈的等离子体冲击波，等离子体冲击波向工件5内部传播使得工件5产生塑性形变，工件5在成形微模具4限制下发生微纳米尺度的塑性变形。空泡8由于其内部巨大的压力继续在材料表面膨胀，空泡8膨胀到最大直径时由于内外压力的不平衡又开始收缩，在溃灭阶段空泡8内部压力极高，同时向外释放空泡溃灭冲击波，当空泡溃灭冲击波压力大于工件5动态屈服强度时，工件5在空泡溃灭冲击波作用下继续产生塑性形变，变形深度进一步加大。图2记录了两次空泡脉动周期。如图3所示为激光诱导等离子体冲击波和空泡溃灭冲击波复合冲压成型工件图。通过实验数据的收集和整理的试验结果，可用于指导设计和生产。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种利用激光诱导复合冲压成型装置，其特征在于，包括水槽（1），所述水槽（1）内设有垫块（3）、成型微模具（4）和压边圈（7），所述成型微模具（4）位于所述垫块（3）上方，所述压边圈（7）位于所述成型微模具（4）上方，工件（5）安装在所述成型微模具（4）和所述压边圈（7）之间，所述压边圈（7）上开有第一通孔，所述第一通孔上方设置有透镜组（9），所述透镜组（9）和激光束（10）构成激光加工光路系统。
2.根据权利要求1所述的一种利用激光诱导复合冲压成型装置，其特征在于，所述成型微模具（4）上开有第二通孔，所述第二通孔通过所述垫块（3）上的凹腔与所述水槽（1）内的液体连通。
3.根据权利要求2所述的一种利用激光诱导复合冲压成型装置，其特征在于，所述第二通孔的轴线与所述第一通孔的轴线共线。
4.一种利用激光诱导复合冲压成型的方法，包括如下步骤：
S1：将吸收层（6）喷涂在工件（5）表面；
S2：将工件（5）置于压边圈（7）与成型微模具（4）之间，微模具（4）的底部通过第二通孔与水槽（1）内的液体连通；
S3：利用激光束（10）经过透镜组（9）在所述压边圈（7）上的第二通孔中聚焦，聚焦点距离工件（5）表面一定距离，在工件（5）表面依次产生激光诱导等离子体和空泡（8）；
S4：激光诱导等离子体剧烈膨胀和空泡溃灭引发指向所述工件（5）的等离子体冲击波和空泡溃灭冲击波；
S5：等离子体冲击波和空泡溃灭冲击波精确作用于所述工件（5）的待加工处，使工件（5）产生塑性变形，所述冲击波在压边圈（7）的第一通孔内经过一系列反射还会使第一通孔孔内压力进一步增大，通过成型微模具（4）实现工件（5）的冲压成型。
5.根据权利要求4所述的一种利用激光诱导复合冲压成型的方法，其特征在于，步骤S1中，所述工件（5）为1060铝合金或T2紫铜或304不锈钢，厚度为10μm-100um；吸收层（6）材料为黑漆或铝箔，厚度为50μm-500μm。
6.根据权利要求4所述的一种利用激光诱导复合冲压成型的方法，其特征在于，步骤S2中，所述成型微模具（4）上的第二通孔的孔直径为0.4mm-2.0mm。
7.根据权利要求4所述的一种利用激光诱导复合冲压成型的方法，其特征在于，步骤S3中，聚焦点距离工件（5）在0.5mm-1.5mm范围内。
8.根据权利要求4所述的一种利用激光诱导复合冲压成型的方法，其特征在于，步骤S5中，所述压边圈（7）上的第一通孔直径为2mm-4mm。
9.根据权利要求4所述的一种利用激光诱导复合冲压成型的方法，其特征在于，所述水槽（1）中的液体（2）为去离子水或酒精或甘油。
10.根据权利要求4所述的一种利用激光诱导复合冲压成型的方法，其特征在于，激光加工光路系统使用脉冲激光，脉宽为8ns，频率为1-10Hz，波长为1064/532nm，能量为50mJ-1000 mJ。
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