CN109604415A - 一种激光冲压成形方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种激光冲压成形方法及装置，属于激光加工技术领域。该装置包括激光器、导光系统、工件模具系统及控制系统；该成形方法首先将板料和模具放置在密封腔中，使用真空抽气泵将密封腔内的空气抽出，使模腔内形成接近真空状态，然后用激光诱导的冲击波使板料成形。本发明设备简单，无需复杂的模具，通过控制机械手的位置，可实现柔性加工，本发明的加工参数具有良好的可控性，操作安全可靠，本发明具有潜在的市场应用价值。

Description

一种激光冲压成形方法及装置
技术领域：
本发明属于激光加工领域，具体涉及一种激光冲压成形方法及装置。本发明在板料在接近真空状态下，利用激光诱导等离子体形成高压冲击波的机械力对板料进行冲压成形的方法及装置，特别适用于常规方法难以加工板料的精密成形。
背景技术：
激光冲击成形技术是利用激光诱导高幅冲击波的力效应使板料产生塑性变形的一种新技术，激光冲击成形技术不仅有效克服了板材在冲击成形过程中的回弹问题，而且在激光冲击波作用下，材料的应变率高达106/s以上，有效的增加了材料本身的可成形性，因此，该技术可以对准静态下难以成形的金属材料进行成形。此外，激光参数具有良好的可控性和可重复性，因此金属薄板激光冲击成形技术在航空航天、汽车、模具、船舶等领域有着巨大的应用价值，该技术越来越受工业界的重视。
中国专利“一种提高金属板料激光冲击成形性能的方法与装置(公开号：CN101486129)，该发明是一种提高金属板料激光冲击成形性能的方法与装置，用以提高板料的成形性能，实现板料复杂形状的精确成形，及获得最大的成形极限，特别适合于常规方法难以成形或根本无法成形的材料成形。采用大功率脉冲激光器，经外光路系统在对板料多次冲击或者曲面零件冲击时，通过反馈系统装置预先扫描的板料轮廓的具体信息，反馈到中央控制处理器，将信息输入CAD软件进行曲面建模，确定法线方向，再通过计算机编程控制多轴坐标台的转动，保证激光束入射的方向始终与板料的法线方向一致。该发明一定程度上能够提高板料的成形性能，改善板料表面残余应力场的分布，提高板料的抗应力腐蚀能力和疲劳寿命。
在激光冲击成形的过程中，板料的厚度薄，冲击的区域小，质量轻，激光冲击加载的压力达到几个甚至是几十个GPa，板料在冲击波的压力作用下，发生高速变形。姚红兵等用脉冲激光束加载L2铝板，研究发现铝板成形过程中的最大速度可高达3700m/s，高速变形的板料与空气剧烈的摩擦使工件的表面的温度急剧上升，高温使板料的表面发生熔化，改变板料的内部组织结构，使成形件的质量下降；板料在冲击变形时，空气会对板料成形产生阻碍作用，降低了板料成形的速度，克服变形的阻力，则需要增大激光能量，高能量激光输出会使激光器的光谱管发热，影响激光器的使用寿命；特别是对于特定形状的板料成形，如尖顶类的成形件，随着空气在局部位置聚集，随着变形量的逐渐加大，使得模腔内局部区域的气压越来越大，增加了板料贴模的难度，甚至会引起板料的反向变形，大大降低了板件的成形精度。
发明内容：
本发明针对现有技术存在的上述问题，提供一种激光冲压成形方法及装置。本发明成形步骤主要有：第一步，为了减少所述凹模模腔内的空气对板材成形精度的影响，先使用所述真空抽气泵将所述凹模模腔内的空气抽出，使模腔内处于接近真空状态；第二步，使用高脉冲能量激光束辐照涂有吸收层的金属薄板诱导高温高压等离子体，其等离子体形成高压冲击波对薄板进行冲压成形。
本发明提供的一种激光冲压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25放在凹模14的模腔上部，所述金属薄板25上部涂上吸收层24，所述吸收层24上方放置光学玻璃23，用压边圈螺栓26和压边圈27将所述金属薄板25固定在所述凹模14的模腔上端，所述凹模14另一端通过螺纹安装在腔体13上；第一透镜密封圈19、汇聚透镜20、第二透镜密封圈21依次放置在透镜压紧螺栓22中孔的环槽内，所述透镜压紧螺栓22与腔盖18通过螺纹连接，并固定和压紧所述第一透镜密封圈19、所述汇聚透镜20和所述第二透镜密封圈21；所述腔体13、所述凹模14、腔底密封圈15、所述腔盖18、腔盖密封圈17、所述透镜压紧螺栓22、所述第一透镜密封圈19、所述汇聚透镜20和所述第二透镜密封圈21共同形成密封腔16；机械手1端部固定的卡爪2将所述腔体13固定夹紧；打开真空抽气泵8通过抽气管道9将所述密封腔16和所述凹模14模腔内的空气抽出，当压力表10显示所述密封腔16内的气压低于102Pa时，关闭所述真空抽气泵8；操作所述计算机12向控制器11发出信号使所述机械手1以及所述机械手1端部的所述卡爪2移动及转动来调整所述腔体13及所述金属薄板25的位置，使所述吸收层24与所述光学玻璃23正对着导光管3，以保证脉冲激光束5依次穿过所述汇聚透镜20和所述光学玻璃23后，在所述吸收层24上形成的光斑大小符合要求；
(2)冲压成形：操作所述计算机12向所述控制器11发出信号来控制激光器6发出所述脉冲激光束5，所述脉冲激光束5沿所述导光管3，经第一全反射镜7、第二全反射镜4反射后，穿过所述汇聚透镜20、所述光学玻璃23辐照在所述吸收层24上，所述吸收层24上的材料瞬间被电离成高压等离子体，高压等离子体吸收能量后形成的高压冲击波作用在所述金属薄板25上，所述金属薄板25在高压冲击波作用下，冲击区域获得动能后向下运动，使所述金属薄板25与所述凹模14模腔贴合，获得成形后的工件；操作所述计算机12向所述控制器11发出信号使所述激光器6断电；冲击完成后，从所述卡爪2上卸下所述凹模14，打开所述腔盖18，松开所述压边圈螺栓26和所述压边圈27，清理所述光学玻璃23碎片，清理所述吸收层24残留层，从所述凹模14中取下所述金属薄板25的成形件，清洗所述成形件后并晾干，完成成形加工。
本发明同时提供一种金属薄板激光冲压成形装置，该装置包括激光器6、导光系统、工件模具系统、控制系统；所述导光系统包括导光管3、脉冲激光束5、第一全反射镜7、第二全反射镜4、汇聚透镜20和光学玻璃23，所述导光管3的一端连接着所述激光器6，依次把所述第一全反射镜7、所述第二全反射镜4连接起来，所述导光管3出口正对着所述汇聚透镜20，所述汇聚透镜20安装在透镜压紧螺栓22中孔的环槽内，所述光学玻璃23放置在吸收层24上方，并被压边圈27、压边圈螺栓26固定在凹模14的腔端；所述工件模具系统包括机械手1、卡爪2、真空抽气泵8、抽气管道9、压力表10、腔体13、凹模14、腔底密封圈15、密封腔16、腔盖密封圈17、腔盖18、第一透镜密封圈19、汇聚透镜20、第二透镜密封圈21、透镜压紧螺栓22、光学玻璃23、吸收层24、金属薄板25、压边圈螺栓26及压边圈27，所述金属薄板25在激光辐照一侧涂敷所述吸收层24，所述吸收层24上方放置所述光学玻璃23，所述金属薄板25、所述吸收层24和所述光学玻璃23被所述压边圈27通过压边圈螺栓26固定在所述凹模14上，所述凹模14端部开有排气槽，所述凹模14的另一端的螺纹安装在所述腔体13内部，所述腔体13夹在所述卡爪2上，所述卡爪2通过螺栓安装在所述机械手1端部，所述透镜压紧螺栓22带有中孔，所述透镜压紧螺栓22的中孔依次放置所述第一透镜密封圈19、所述汇聚透镜20和所述第二透镜密封圈21，所述透镜压紧螺栓22通过外螺纹连接在所述腔盖18上，并将所述第一透镜密封圈19、所述汇聚透镜20和所述第二透镜密封圈21压紧；所述腔体13、凹模14、腔底密封圈15、腔盖18、腔盖密封圈17、透镜压紧螺栓22、第一透镜密封圈19、汇聚透镜20及所述第二透镜密封圈21共同形成所述密封腔16，所述抽气管道9的一端通过管螺纹与所述腔体13连接，所述抽气管道9依次通过管螺纹与所述气压表10和所述真空抽气泵8出口连接起来；所述控制系统包括计算机12、控制器11，所述计算机12向所述控制器11发出信号来控制所述激光器6发出所述脉冲激光束5的参数，控制所述机械手1移动及转动来调整所述卡爪2上模具相对所述导光管3的位置。
相比较于现有成形技术，本发明的突出优势在于：
1、本发明冲击成形设备简单，无需复杂的模具，只需要单个的凹模即可，通过控制机械手的位置，可实现大的加工柔性，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、相比较于传统的冲压成形等成形方法，如：喷丸成形，本发明的加工参数具有良好的可控性，通过控制激光脉冲的输出功率和控制光斑的大小，可精确控制冲击波压力的大小，操作安全可靠。
3、板料在接近于真空下成形，可避免板料在高速变形时与空气的剧烈摩擦，避免了因摩擦而产生高温对成形件内部组织结构的影响，避免了板料表面因为剧烈的摩擦而发生的熔化和氧化现象，提高了成形件的质量，延长了成形件的使用寿命。
4、在接近于真空状态下成形，减少板料在高速运动过程遇到的空气阻力，避免了在模具内部的局部区域困气，使板料变形容易，变形件的贴膜变得简单，更不会产生反向的塑性变形，提高了板料的成形精度。
5、在接近于真空环境下，减少了板料在成形过程中的空气阻力，这样使得施加成形压力的冲击波的压力变低，使所需要的激光脉冲的能量减小，有效降低了激光器在能量输出过程中的热堆积现象，提高了激光器的使用寿命。
附图说明：
图1为本发明激光冲压成形装置结构示意图；
图2为本发明装置的工件模具系统(图1中Ⅰ区)结构示意图；
图3为本发明装置中的凹模结构示意图；
图4为图3中A-A方向剖视结构示意图。
图中：1：机械手；2：卡爪；3：导光管；4：第二全反射镜；5：脉冲激光束；6：激光器；7:第一全反射镜；8:真空抽气泵；9:抽气管道；10:压力表；11:控制器；12：计算机；13：腔体；14:凹模；15：腔底密封圈；16：密封腔；17：腔盖密封圈；18：腔盖；19：第一透镜密封圈；20：汇聚透镜；21：第二透镜密封圈；22：透镜压紧螺栓；23:光学玻璃；24：吸收层；25：金属薄板；26：压边圈螺栓；27：压边圈。
具体实施方式：
下面通过附图来详细说明本发明提出的技术细节。
本发明装置包括激光器6、导光系统、工件模具系统、控制系统；导光系统包括导光管3、脉冲激光束5、第一全反射镜7、第二全反射镜4、汇聚透镜20、光学玻璃23；导光管3的一端连接着激光器6，并依次把第一全反射镜7、第二全反射镜4连接起来，所述的第一全反射镜7和第二全反射镜4主要是改变脉冲激光束5的传播方向的，导光管3出口正对着汇聚透镜20，导光管3的轴线与汇聚透镜20轴线以及金属板料25的对称中心线重合；工件模具系统包括机械手1、卡爪2、真空抽气泵8、抽气管道9、压力表10、腔体13、凹模14、腔底密封圈15、密封腔16、腔盖密封圈17、腔盖18、第一透镜密封圈19、汇聚透镜20、第二透镜密封圈21、透镜压紧螺栓22、光学玻璃23、吸收层24、金属薄板25、压边圈螺栓26、压边圈27；金属薄板25在激光辐照一侧涂敷吸收层24，吸收层24厚度小于0.1mm，吸收层24上方放置光学玻璃23，光学玻璃23厚度为3-6mm，压边圈27通过压边圈螺栓26将金属薄板25、约束层24和光学玻璃23固定在凹模14上，凹模14通过管螺纹安装在腔体13内部；腔体13夹在卡爪2上，卡爪2通过螺栓安装在机械手1端部；透镜压紧螺栓22带有中孔，第一透镜密封圈19、汇聚透镜20、第二透镜密封圈21依次放置在透镜压紧螺栓22带有中孔的环形槽内，第一透镜密封圈19和第二透镜密封圈21有着较好的弹性，在透镜压紧螺栓22压紧力作用下能够发生较大的弹性变形，透镜压紧螺栓22与腔盖18通过螺纹连接，腔盖密封圈17安装在腔盖18的环槽内，腔盖18的环槽的深度小于腔盖密封圈17的圈的截面直径，使腔盖密封圈17在腔盖18与腔体13螺纹拧紧过程中有弹性压缩量；腔底密封圈15安装在腔体13环形槽内，腔体13上的环槽的深度小于所述的腔底密封圈15的圈的截面直径，使所述的腔底密封圈15在凹模14与腔体13螺纹拧紧过程中有弹性压缩量，凹模14的端部开有排气槽；腔体13、凹模14、腔底密封圈15、腔盖18、腔盖密封圈17、透镜压紧螺栓22、第一透镜密封圈19、汇聚透镜20和第二透镜密封圈21共同形成密封腔16，密封腔16有着良好的密封性，抽气管道9一端与腔体13通过管螺纹连接起来，抽气管道9依次通过管螺纹与气压表10和真空抽气泵8出口连接；控制系统包括计算机12、控制器11，计算机12向控制器11发出信号来控制激光器6开关，控制机械手1移动及转动来调整机械手1端部的卡爪2上模具相对导光管3的位置。在上述装置安装调试好后，开启真空抽气泵8，抽出密封腔16和凹模14模腔内空气，用压力表10测量密封腔16内的气压，当气压低于102Pa时，关闭真空抽气泵8。
根据待成形金属薄板25厚度、材料的屈服极限以及成形的深度等，通过计算和模拟初步确定在真空状态下成形脉冲激光束5的参数，如输出功率密度、脉宽大小、光斑大小等，将相应的激光参数输入计算机12。由计算机12向控制器11发送信号使激光器6发射经参数优化后的脉冲激光束5，脉冲激光束5沿着导光管3，经第一全反射镜7、第二全反射镜4反射到达导光管3，穿过导光管3照射在腔盖18上的汇聚透镜20上，经汇聚透镜20汇聚后，穿过光学玻璃23辐照在吸收层24上，吸收层24上的材料瞬间电离成高压等离子体，高压等离子体喷射形成的冲击波作用在金属薄板25表面，光学玻璃23的存在增加了冲击波对金属薄板25的作用效果和作用时间，金属薄板25在大于其自身屈服极限的冲击压力作用下，金属薄板25受冲击的区域快速向凹模14模腔内运动变形，同时也带动冲击区域的毗邻部分向凹模14模腔内运动变形，最终金属薄板25与凹模14模腔贴合。
操作计算机12向控制器11发送指令使激光器6断电，从卡爪2上卸下腔体13，打开腔盖18，松开压边圈螺栓26和压边圈27，清理光学玻璃23碎片，清理吸收层24残留层，从凹模14中取下金属薄板25的成形件，清洗金属薄板25成形件后并晾干，完成成形加工。

Claims (2)

1.一种激光冲压成形方法，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(25)放在凹模(14)的模腔上部，所述金属薄板(25)上部涂上吸收层(24)，所述吸收层(24)上方放置光学玻璃(23)，用压边圈螺栓(26)和压边圈(27)将所述金属薄板(25)固定在所述凹模(14)的模腔上端，所述凹模(14)另一端通过螺纹安装在腔体(13)上；第一透镜密封圈(19)、汇聚透镜(20)、第二透镜密封圈(21)依次放置在透镜压紧螺栓(22)中孔的环槽内，所述透镜压紧螺栓(22)与腔盖(18)通过螺纹连接，并固定和压紧所述第一透镜密封圈(19)、所述汇聚透镜(20)和所述第二透镜密封圈(21)；所述腔体(13)、所述凹模(14)、腔底密封圈(15)、所述腔盖(18)、腔盖密封圈(17)、所述透镜压紧螺栓(22)、所述第一透镜密封圈(19)、所述汇聚透镜(20)和所述第二透镜密封圈(21)共同形成密封腔(16)；机械手(1)端部固定的卡爪(2)将所述腔体(13)固定夹紧；打开真空抽气泵(8)通过抽气管道(9)将所述密封腔(16)和所述凹模(14)模腔内的空气抽出，当压力表(10)显示所述密封腔(16)内的气压低于102Pa时，关闭所述真空抽气泵(8)；操作所述计算机(12)向控制器(11)发出信号使所述机械手(1)以及所述机械手(1)端部的所述卡爪(2)移动及转动来调整所述腔体(13)及所述金属薄板(25)的位置，使所述吸收层(24)与所述光学玻璃(23)正对着导光管(3)，以保证脉冲激光束(5)依次穿过所述汇聚透镜(20)和所述光学玻璃(23)后，在所述吸收层(24)上形成的光斑大小符合要求；
(2)冲压成形：操作所述计算机(12)向所述控制器(11)发出信号来控制激光器(6)发出所述脉冲激光束(5)，所述脉冲激光束(5)沿所述导光管(3)，经第一全反射镜(7)、第二全反射镜(4)反射后，穿过所述汇聚透镜(20)、所述光学玻璃(23)辐照在所述吸收层(24)上，所述吸收层(24)上的材料瞬间被电离成高压等离子体，高压等离子体吸收能量后形成的高压冲击波作用在所述金属薄板(25)上，所述金属薄板(25)在高压冲击波作用下，冲击区域获得动能后向下运动，使所述金属薄板(25)与所述凹模(14)模腔贴合，获得成形后的工件；操作所述计算机(12)向所述控制器(11)发出信号使所述激光器(6)断电；冲击完成后，从所述卡爪(2)上卸下所述凹模(14)，打开所述腔盖(18)，松开所述压边圈螺栓(26)和所述压边圈(27)，清理所述光学玻璃(23)碎片，清理所述吸收层(24)残留层，从所述凹模(14)中取下所述金属薄板(25)的成形件，清洗所述成形件后并晾干，完成成形加工。
2.一种激光冲压成形装置，其特征在于该装置包括激光器(6)、导光系统、工件模具系统、控制系统；所述导光系统包括导光管(3)、脉冲激光束(5)、第一全反射镜(7)、第二全反射镜(4)、汇聚透镜(20)和光学玻璃(23)，所述导光管(3)的一端连接着所述激光器(6)，依次把所述第一全反射镜(7)、所述第二全反射镜(4)连接起来，所述导光管(3)出口正对着所述汇聚透镜(20)，所述汇聚透镜(20)安装在透镜压紧螺栓(22)中孔的环槽内，所述光学玻璃(23)放置在吸收层(24)上方，并被压边圈(27)、压边圈螺栓(26)固定在凹模(14)的腔端；所述工件模具系统包括机械手(1)、卡爪(2)、真空抽气泵(8)、抽气管道(9)、压力表(10)、腔体(13)、凹模(14)、腔底密封圈(15)、密封腔(16)、腔盖密封圈(17)、腔盖(18)、第一透镜密封圈(19)、汇聚透镜(20)、第二透镜密封圈(21)、透镜压紧螺栓(22)、光学玻璃(23)、吸收层(24)、金属薄板(25)、压边圈螺栓(26)及压边圈(27)，所述金属薄板(25)在激光辐照一侧涂敷所述吸收层(24)，所述吸收层(24)上方放置所述光学玻璃(23)，所述金属薄板(25)、所述吸收层(24)和所述光学玻璃(23)被所述压边圈(27)通过压边圈螺栓(26)固定在所述凹模(14)上，所述凹模(14)端部开有排气槽，所述凹模(14)的另一端的螺纹安装在所述腔体(13)内部，所述腔体(13)夹在所述卡爪(2)上，所述卡爪(2)通过螺栓安装在所述机械手(1)端部，所述透镜压紧螺栓(22)带有中孔，所述透镜压紧螺栓(22)的中孔依次放置所述第一透镜密封圈(19)、所述汇聚透镜(20)和所述第二透镜密封圈(21)，所述透镜压紧螺栓(22)通过外螺纹连接在所述腔盖(18)上，并将所述第一透镜密封圈(19)、所述汇聚透镜(20)和所述第二透镜密封圈(21)压紧；所述腔体(13)、凹模(14)、腔底密封圈(15)、腔盖(18)、腔盖密封圈(17)、透镜压紧螺栓(22)、第一透镜密封圈(19)、汇聚透镜(20)及所述第二透镜密封圈(21)共同形成所述密封腔(16)，所述抽气管道(9)的一端通过管螺纹与所述腔体(13)连接，所述抽气管道(9)依次通过管螺纹与所述气压表(10)和所述真空抽气泵(8)出口连接起来；所述控制系统包括计算机(12)、控制器(11)，所述计算机(12)向所述控制器(11)发出信号来控制所述激光器(6)发出所述脉冲激光束(5)的参数，控制所述机械手(1)移动及转动来调整所述卡爪(2)上模具相对所述导光管(3)的位置。
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