CN109604416B - 一种金属板料冲击波成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种金属板料冲击波成形方法及装置，属于板料的塑性加工技术领域。该装置包括激光器、导光系统、板料模具系统、供气系统、控制反馈系统。该装置利用供气系统向压力室中按体积比为2:1的比例提供氢气和氧气，激光器发出的脉冲激光束通过导光系统照射在吸收层上，吸收层气化电离产生高温高压的等离子体，其迅速膨胀产生冲击波作用在工件上，同时高温高压的等离子体引爆压力室中的混合气体产生冲击波，该冲击波也作用在板料上。用激光诱导的冲击波和混合气体爆炸产生冲击波共同作用可以有效地解决激光冲击成形中难以实现对厚板的大面积成形的不足，具有良好的市场应用前景。

Description

一种金属板料冲击波成形方法及装置

技术领域：

本发明装置属于板料的塑性加工成形领域，具体涉及一种金属板料冲击波成形方法与装置，特别适合厚度较厚、变形面积较大的零件的成形。

背景技术：

激光冲击成形是利用激光诱导高幅冲击波的力效应使板材产生塑性变形的成形新技术，具有成形的柔性高、精确可控、成形后材料性能好和无污染等特点。作为一种快速敏捷的先进制造技术，其在航空航天工业，汽车和模具制造业，船舶制造业等领域展现出强大的生命力，具有广阔的应用前景和巨大的开发潜力。

在激光冲击成形中，由于激光器发出的脉冲的能量有限，其诱导的冲击波峰值压力有限，且诱导的压力作用时间往往较短。在实际的操作中，往往使用一些约束层来限制气化产生的高温高压等离子体的膨胀，从而增加冲击波峰压，延长有效时间，增加冲击加工的效果。在约束层材料的选择方面，玻璃约束层的效果最好，但玻璃材料容易被冲击波击碎，破碎的玻璃飞溅容易引起安全事故。在激光冲击成形中，冲击波的峰值压力与激光输出的脉冲能量的平方根呈正比的关系，冲击波峰值的压力越高，输出的脉冲的能量就越大，过高能量的输出会导致激光器中的泵浦管发热而极大地损伤泵浦管的使用寿命，因此，在实际使用中，激光脉冲的能量常常只有几个至几十个焦耳，激光冲击波的峰值压力也不是特别高。目前，以各种透明材料和水之类液体作为约束层的激光冲击成形技术主要用在厚度较薄微小零件成形，而对于厚度较厚板料的大面积，成形深度较深的成形难以满足要求，甚至根本无法成形，这样限制了激光冲击成形技术的进一步推广应用。

目前，爆炸成形技术已得到了广泛的应用，即爆炸前将平板金属板料放在凹模上，并加以密封；用压边圈压紧板料，抽出凹模内空气后在上端水套中放置炸药包；爆炸冲击载荷通过水介质的传递，作用于板料表面，使板料向凹模内流动；当板料与凹模完全贴合时，爆炸拉伸成形完成。此方法可以提供足够强的的冲击波来使板料成形，但其自动化程度低，生产效率低下，炸药的运输和安装的过程中存在安全隐患，危险系数高。

发明内容：

本发明针对现有技术存在的上述问题，提供一种金属板料冲击波成形方法，该成形方法具体步骤如下：

(1)将金属板料30放置在凹模19上，并将吸收层29覆盖在所述金属板料30上表面，将压力室壳体22放置在所述吸收层29上，并用压力室螺栓20将所述压力室壳体22与所述凹模19连接；供气开始前，计算机15向控制器14发出信号，抽气截止阀17打开并使抽气泵16开始工作，所述抽气泵16将压力室27中的空气通过管道抽出，当压力表6达到预定值时，所述压力表6将所述压力室27中的压力信息反馈给所述控制器14，所述控制器14发出指令使所述抽气泵16停止工作，并使所述抽气截止阀17关闭，完成抽气；所述计算机15向所述控制器14发出信号打开供氢截止阀8和供氧截止阀13，从而使氢气瓶10和氧气瓶11通过管道向所述压力室27供气，管道上设有供氢流量计9和供氧流量计12，所述供氢流量计9和所述供氧流量计12用于计量管道中气体的体积，所述供氢流量计9和所述供氧流量计12将体积信息反馈给所述控制器14，所述控制器14控制所述供氢截止阀8和所述供氧截止阀13的开合，从而保证向所述压力室27中的提供的氢气与氧气的体积比为2:1，所述压力室27中的混合气体压力由所述压力表6显示，当压力达到预定值时，所述压力表6将压力信息反馈给所述控制器14，所述控制器14使所述供氢截止阀8和所述供氧截止阀13关闭。

(2)所述计算机15向所述控制器14发出信号使激光器1发出脉冲激光束3，所述脉冲激光束3依次通过导光管2、全反射镜4、汇聚透镜25照射到所述吸收层29上，所述吸收层29材料迅速气化并电离产生高温高压的等离子体，高温高压的等离子体迅速膨胀产生的冲击波作用在所述金属板料30上，同时所述脉冲激光束3产生的高温高压的等离子体引爆所述压力室27中的氢气和氧气的混合体，气体爆炸产生的更高压力的冲击波作用在所述金属板料30上；所述金属板料30在所述脉冲激光束3诱导的冲击波和氢气和氧气混合气体爆炸产生的冲击波共同作用下快速向下运动，并最终贴合在所述凹模19的模腔上，完成所述金属板料30的冲击波成形。

本发明同时提供一种金属板料冲击波成形装置，该装置包括激光器1、导光系统、板料模具系统、供气系统及控制反馈系统；所述导光系统包括导光管2、脉冲激光束3、全反射镜4和汇聚透镜25，所述导光管2一端连接着所述激光器1，所述导光管2的另一端对着所述汇聚透镜25，所述全反射镜4安装在所述导光管2中，使得所述脉冲激光束3从所述激光器1中发出，依次通过所述导光管2、全反射镜4及所述汇聚透镜25照射到所述板料模具系统上；所述板料模具系统包括工作台18、凹模19、压力室螺栓20、压力室壳体22、透镜压紧螺栓23、第一密封圈24、汇聚透镜25、第二密封圈26、压力室27、吸收层29及金属板料30，所述凹模19固定在所述工作台18上，所述金属板料30放置在所述凹模19上，所述吸收层29覆盖在所述金属板料30上，所述压力室壳体22安装在所述吸收层29上，将所述凹模19与所述压力室壳体22用所述压力室螺栓20连接，所述第一密封圈24放置在所述压力室壳体22孔内，所述汇聚透镜25放置在所述第一密封圈24上面，所述第二密封圈26放置在所述汇聚透镜25上，所述透镜压紧螺栓23通过螺纹与所述压力室壳体22连接在一起，并将所述第一密封圈24、透镜压紧螺栓23、汇聚透镜25和所述第二密封圈26压紧固定，所述透镜压紧螺栓23带有中孔；所述供气系统包括单向阀5、压力表6、三通7、供氢截止阀8、供氢流量计9、氢气瓶10、氧气瓶11、供氧流量计12、供氧截止阀13、抽气泵16、抽气截止阀17、抽气管道21及供气管道28，所述抽气管道21一端通过管螺纹与所述的压力室壳体22连接，所述抽气管道21的另一端连接着所述抽气泵16，所述抽气截止阀17安装在所述压力室壳体22与所述抽气泵16之间的管路上；所述供气管道28一端通过管螺纹与所述的压力室壳体22连接，所述供气管道28的另一端连接着所述三通7第一通出口，所述三通7第二通出口通过管道依次连接所述供氧截止阀13、供氧流量计12和所述氧气瓶11出口；所述三通7第三通出口通过管道依次连接着所述供氢截止阀8、供氢流量计9和所述氢气瓶10出口；所述压力表6安装在所述单向阀5与所述三通7之间的管路中；所述控制反馈系统包括控制器14、计算机15以及导线，所述控制器14接受所述计算机15的指令，并通过控制器来控制所述激光器1发出的脉冲激光束3的参数，控制所述供氢截止阀8和所述供氧截止阀13阀口开度的大小，控制所述抽气截止阀17的开合以及所述抽气泵16的通电和断电；所述压力表6、供氢流量计9、供氧流量计12向所述控制器14反馈压力与体积信息。

本发明结合了激光冲击成形和爆炸成形优势，具有以下技术特点：

1、相比较于传统的冲压成形等成形方法，本发明成形的设备简单，无需复杂的模具，只需要单个的凹模即可，加工柔性较大，避免了传统模具制造过程中凸模制造、间隙保证、行程控制等棘手的问题。

2、相对于一般的激光成形方法，本发明利用高能激光诱导氢气和氧气的混合气体爆炸产生冲击波可以成功克服在激光冲击成形中提供的冲击压力和作用时间短等不足，从而可以对厚板实现变形面积较大和变形深度的较深的成形，扩大了激光成形的应用范围。

3、相对于多点多次的激光成形，本发明因为利用了激光能量诱导气体爆炸产生冲击波使大面积深冲件依次成形，具有较高的效率；也不存在传统模具中凸模与板料表面的摩擦，具有较高的成形质量。

4、本方法采用激光诱导的高温高压的等离子体点爆氢气和氧气混合气体爆炸产生的冲击波实现板料的成形，从而可以大大降低激光脉冲输出的能量，降低了泵浦管的热效应，延长了激光器的使用寿命，降低了使用的成本。

5、由于本装置是诱导氢气和氧气混合气体通过现场的点火爆炸，氢气与氧气的体积和混合比可以精确控制，爆炸时产生的压力值可以很好的得到控制，相比于炸药爆炸成形，安全性达到了大大的提高。

附图说明：

图1是本发明金属板料冲击波成形装置结构示意图；

图2是本发明成形装置中的板料模具系统(图1中Ⅰ处)结构示意图。

图中，1：激光器；2：导光管；3：脉冲激光束；4：全反射镜；5：单向阀；6：压力表；7：三通；8：供氢截止阀；9：供氢流量计；10：氢气瓶；11：氧气瓶；12：供氧流量计；13：供氧截止阀；14:控制器；15：计算机；16：抽气泵；17：抽气截止阀；18：工作台；19：凹模；20：压力室螺栓；21：抽气管道；22：压力室壳体；23：透镜压紧螺栓；24：第一密封圈；25：汇聚透镜；26：第二密封圈；27：压力室；28：供气管道；29：吸收层；30：金属板料。

具体实施方式：

本发明提供一种金属板料冲击波成形方法，大面积、厚度较大及成形深度较深的工件在本发明成形装置中成形的具体步骤如下：

(1)将金属板料30放置在凹模19上，并将吸收层29覆盖在金属板料30表面，将压力室壳体22放在吸收层29上，并用压力室螺栓20将压力室壳体22和凹模19连接，其中压力室螺栓20是圆周均匀分布的，并将吸收层29和金属板料30压紧固定。向压力室27供气开始前，检查氢气瓶10和氧气瓶11中气体压力，保证氢气瓶10和氧气瓶11中气体压力大致相等；供完气后，氢气瓶10和氧气瓶11中剩余气体的压力要高于压力室27中混合气体的压力。计算机15向控制器14发出信号，打开抽气截止阀17并使抽气泵16开始工作，抽气泵16将压力室27中的空气通过管道抽出，以免影响氢气和氧气的2:1的混合体积比。抽气后，压力室27出现负压，单向阀5处于导通状态，当压力室27的真空度达到了要求，压力表6达到预定值压力值时，压力表6反馈给控制器14使抽气泵16停止工作，并使抽气截止阀17关闭，完成抽气。计算机15向控制器14发出信号打开供氢截止阀8和供氧截止阀13，从而使氢气瓶10和氧气瓶11通过管道向压力室27供气，并在管道上安装了供氢流量计9和供氧流量计12来计量管道中的流量，从而使得压力室27的氢氧混合气体达到2：1的预定体积比，并将供氢流量计9和供氧流量计12反馈给控制器14，从而保证压力室27中的混合气体比例，当压力表6达到预定值时，压力表6反馈给控制器14使供氢截止阀8和供氧截止阀13关闭，完成供气。

(2)计算机15向控制器14发出信号使激光器1发出脉冲激光束3，脉冲激光束3通过导光管2、全反射镜4、汇聚透镜25辐照在吸收层29上，吸收层29材料迅速气化并电离出高温高压的等离子体，高温高压的等离子体迅速膨胀产生冲击波作用在金属板料30上，同时产生的高温高压的等离子体引爆压力室27中的氢气和氧气混合气体，混合气体爆炸产生的冲击波与激光产生的冲击波都直接作用在金属板料30上，两个冲击波的共同作用使金属板料30贴模。这种成形方法产生的冲击波压力大，作用的时间长，可用于厚度较厚、变形面积较大、变形深度较深的工件成形。

本发明提供的金属板料冲击波成形装置包括激光器1、导光系统、板料模具系统、供气系统、控制反馈系统。导光系统包括导光管2、脉冲激光束3、全反射镜4和汇聚透镜25，导光管2将激光器1所发的脉冲激光束3传导到全反射镜4，全反射镜4改变脉冲激光束3的传播方向，脉冲激光束3再经过汇聚透镜25汇聚，辐照在板料模具系统上的吸收层29上。

板料模具系统包括工作台18、凹模19、压力室螺栓20、压力室壳体22、透镜压紧螺栓23、第一密封圈24、汇聚透镜25、第二密封圈26、压力室27、吸收层29、金属板料30。透镜压紧螺栓23的中心区域带有中孔，以便让脉冲激光束3通过。凹模19的模腔开有排气孔，以防止金属板料30在快速的变形过程中形成高压而影响变形的精度。凹模19固定在工作台18上，金属板料30放置在凹模19上，吸收层29覆盖在金属板料30上，压力室壳体22安装在吸收层29上，将凹模19与压力室壳体22用压力室螺栓20连接，其中压力室螺栓20是圆周均匀分布的，同时由于压力室壳体22与凹模19之间为螺栓连接，将吸收层29和金属板料30压紧，防止吸收层29和金属板料30在成形过程中发生位置上的改变。第一密封圈24和第二密封圈26具有弹性，在透镜压紧螺栓23螺纹旋合压紧下，能发生充分的弹性变形，从而防止压力室27中的气体泄漏。

供气系统包括单向阀5、压力表6、三通7、供氢截止阀8、供氢流量计9、氢气瓶10、氧气瓶11、供氧流量计12、供氧截止阀13、抽气泵16、抽气截止阀17、抽气管道21、供气管道28，抽气管道21一端通过管螺纹与压力室壳体22连接，另一端连接着抽气泵16，抽气截止阀17安装在压力室壳体22与抽气泵16之间的管路；供气管道28一端通过管螺纹与压力室壳体22连接，另一端连接着三通7第一通出口，三通7第二通出口通过管道依次连接着供氧截止阀13、供氧流量计12和氧气瓶11出口，三通7第三通出口通过管道依次连接着的供氢截止阀8、供氢流量计9和氢气瓶10出口。压力表6安装在单向阀5与三通7之间的管路中。

控制反馈系统包括控制器14、计算机15以及连接的导线，控制器14通过控制线控制激光器1的发出脉冲激光束3的参数，控制供氢截止阀8和供氧截止阀13两个阀口的开度，以调节压力室27中氢气和氧气的体积混合比，控制抽气泵16的通电和断电，控制抽气截止阀17开合。压力表6，供氢流量计9，供氧流量计12向控制器14反馈压力和体积的信息。

Claims (2)

1.一种金属板料冲击波成形方法，其特征在于该成形方法的具体步骤如下：

(1)将金属板料(30)放置在凹模(19)上，并将吸收层(29)覆盖在所述金属板料(30)上表面，将压力室壳体(22)放置在所述吸收层(29)上，并用压力室螺栓(20)将所述压力室壳体(22)与所述凹模(19)连接；供气开始前，计算机(15)向控制器(14)发出信号，抽气截止阀(17)打开并使抽气泵(16)开始工作，所述抽气泵(16)将压力室(27)中的空气通过管道抽出，当压力表(6)达到预定值时，所述压力表(6)将所述压力室(27)中的压力信息反馈给所述控制器(14)，所述控制器(14)发出指令使所述抽气泵(16)停止工作，并使所述抽气截止阀(17)关闭，完成抽气；所述计算机(15)向所述控制器(14)发出信号打开供氢截止阀(8)和供氧截止阀(13)，从而使氢气瓶(10)和氧气瓶(11)通过管道向所述压力室(27)供气，管道上设有供氢流量计(9)和供氧流量计(12)，所述供氢流量计(9)和所述供氧流量计(12)用于计量管道中气体的体积，所述供氢流量计(9)和所述供氧流量计(12)将体积信息反馈给所述控制器(14)，所述控制器(14)控制所述供氢截止阀(8)和所述供氧截止阀(13)的开合，从而保证向所述压力室(27)中的提供的氢气与氧气的体积比为2:1，所述压力室(27)中的混合气体压力由所述压力表(6)显示，当压力达到预定值时，所述压力表(6)将压力信息反馈给所述控制器(14)，所述控制器(14)使所述供氢截止阀(8)和所述供氧截止阀(13)关闭；

(2)所述计算机(15)向所述控制器(14)发出信号使激光器(1)发出脉冲激光束(3)，所述脉冲激光束(3)依次通过导光管(2)、全反射镜(4)、汇聚透镜(25)照射到所述吸收层(29)上，所述吸收层(29)材料迅速气化并电离产生高温高压的等离子体，高温高压的等离子体迅速膨胀产生的冲击波作用在所述金属板料(30)上，同时所述脉冲激光束(3)产生的高温高压的等离子体引爆所述压力室(27)中的氢气和氧气的混合体，气体爆炸产生的更高压力的冲击波作用在所述金属板料(30)上；所述金属板料(30)在所述脉冲激光束

(3)诱导的冲击波和氢气和氧气混合气体爆炸产生的冲击波共同作用下快速向下运动，并最终贴合在所述凹模(19)的模腔上，完成所述金属板料(30)的冲击波成形。

2.一种金属板料冲击波成形装置，其特征在于该成形装置包括激光器(1)、导光系统、板料模具系统、供气系统及控制反馈系统；所述导光系统包括导光管(2)、脉冲激光束(3)、全反射镜(4)和汇聚透镜(25)，所述导光管(2)一端连接着所述激光器(1)，所述导光管(2)的另一端对着所述汇聚透镜(25)，所述全反射镜(4)安装在所述导光管(2)中，使得所述脉冲激光束(3)从所述激光器(1)中发出，依次通过所述导光管(2)、全反射镜(4)及所述汇聚透镜(25)照射到所述板料模具系统上；所述板料模具系统包括工作台(18)、凹模(19)、压力室螺栓(20)、压力室壳体(22)、透镜压紧螺栓(23)、第一密封圈(24)、汇聚透镜(25)、第二密封圈(26)、压力室(27)、吸收层(29)及金属板料(30)，所述凹模(19)固定在所述工作台(18)上，所述金属板料(30)放置在所述凹模(19)上，所述吸收层(29)覆盖在所述金属板料(30)上，所述压力室壳体(22)安装在所述吸收层(29)上，将所述凹模(19)与所述压力室壳体(22)用所述压力室螺栓(20)连接，所述第一密封圈(24)放置在所述压力室壳体(22)孔内，所述汇聚透镜(25)放置在所述第一密封圈(24)上面，所述第二密封圈(26)放置在所述汇聚透镜(25)上，所述透镜压紧螺栓(23)通过螺纹与所述压力室壳体(22)连接在一起，并将所述第一密封圈(24)、透镜压紧螺栓(23)、汇聚透镜(25)和所述第二密封圈(26)压紧固定，所述透镜压紧螺栓(23)带有中孔；所述供气系统包括单向阀(5)、压力表(6)、三通(7)、供氢截止阀(8)、供氢流量计(9)、氢气瓶(10)、氧气瓶(11)、供氧流量计(12)、供氧截止阀(13)、抽气泵(16)、抽气截止阀(17)、抽气管道(21)及供气管道(28)，所述抽气管道(21)一端通过管螺纹与所述的压力室壳体(22)连接，所述抽气管道(21)的另一端连接着所述抽气泵(16)，所述抽气截止阀(17)安装在所述压力室壳体(22)与所述抽气泵(16)之间的管路上；所述供气管道(28)一端通过管螺纹与所述的压力室壳体(22)连接，所述供气管道(28)的另一端连接着所述三通(7)第一通出口，所述三通(7)第二通出口通过管道依次连接所述供氧截止阀(13)、供氧流量计(12)和所述的氧气瓶(11)出口；所述三通(7)第三通出口通过管道依次连接着所述供氢截止阀(8)、供氢流量计(9)和所述氢气瓶(10)出口；所述压力表(6)安装在所述单向阀(5)与所述三通(7)之间的管路中；所述控制反馈系统包括控制器(14)、计算机(15)以及导线，所述控制器(14)接受所述计算机(15)的指令，并通过控制器来控制所述激光器(1)发出的脉冲激光束(3)的参数，控制所述供氢截止阀(8)和所述供氧截止阀(13)阀口开度的大小，控制所述抽气截止阀(17)的开合以及所述抽气泵(16)的通电和断电；所述压力表(6)、供氢流量计(9)、供氧流量计(12)向所述控制器(14)反馈压力与体积信息。