CN110918770B - 一种多点激光冲击成形装置及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光冲击成形技术领域，尤其涉及一种多点激光冲击成形装置及成形方法，其结构为：激光器群由若干个相互独立的单个脉冲激光器组成，每一个脉冲激光器由激光器控制系统单独控制，使各脉冲激光器在同一时间能够分别发出具有相同或不同参数的激光束；各脉冲激光器呈二维平面排布，工件夹持系统用于固定工件，并使工件能接激光冲击；工作台用于承载待加工工件。本发明提出的多点激光成形技术，集合多个激光器同时作业，利用激光参数决定成形效果的原理，由个体激光器在相应作用位点分别产生局部变形，并列叠加即可实现板材的整体成形，可实现对金属材料、无机材料、高分子材料以及复合材料等的局部胀形，弯曲，板料校平以及仿形等成形加工。

Description

一种多点激光冲击成形装置及成形方法

技术领域

本发明涉及激光冲击成形技术领域，尤其涉及一种多点激光冲击成形装置及成形方法。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

金属薄板的塑性成形在汽车业、航空航天等领域占据重要地位。目前国内外常用的金属薄板成形方法为冲压成形，通过冲头运动与模具的配合实现板材的精确成形，但其存在着模具成本高，生产周期长、效率低，加工材料受限等缺点。

申请号为CN200010010773.6的中国专利文献提出了板材无模多点成形装置，采用由多个可独立调整的冲头组成的上下基体群代替了传统模具，实现板材的无模成形，省去模具设计、制造和调试工序，生产准备时间缩短为模具成形的数十分之一，节约制造模具的材料、工具、能源和时间等，还可以在较小设备上成形较大尺寸的板类件，消除回弹、起皱等缺陷。工作效率、加工质量和精度明显提高，加工成本显著下降，可实现自动化控制。然而，本发明人发现该方法中每个冲头只对应一个加工位，只能与加工位下的材料直接接触并引起变形，各加工位难以实现交叉，因此加工件的表面质量较低。另外，多冲头装置一旦制造完成，各冲头的尺寸即无法调整，因此，一套多点成形装置只适合于进行一个尺度范围内的零件的塑性成形。

近年来，激光冲击成形方法得到广泛研究。脉冲激光诱导产生等离子体爆轰波冲击金属，使金属表面发生高应变率塑性流动，可提高材料成形极限，同时获得更高的表面质量。申请号为CN200110034063.1的中国专利文献提出一种激光冲击精密成形方法及装置，利用强脉冲激光冲击工件表面柔性贴膜使其表层气化电离并形成冲击波，由于产生的冲击波压力峰值超过材料动态屈服强度，使成形材料发生明显塑性变形。然而，本发明人发现：虽然该方法可以高效实现材料的塑性变形及局部细微变形，但大面积成形时采用逐点逐次冲击方式加工效率太低。而且，由于激光能量通常呈高斯分布，对光点外围位置材料仍有辐射作用，前一次冲击造成的材料硬化极可能影响第二次冲击的成形效果，冲击引起的板材弯曲等形貌变化也提高了二次冲击的难度，对于形状复杂的工件，加工工艺繁琐，成形精度也受到影响。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种多点激光冲击成形装置及成形方法，该装置不仅能使金属薄板快速成形，而且具有成形复杂零件时依旧高效精确的特点。

本发明的第一目的，是提供一种多点激光冲击成形装置。

本发明的第二目的，是提供一种多点激光冲击成形方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术手段为：

首先，本发明公开一种多点激光冲击成形装置，包括：激光器控制系统，激光器群，工件夹持系统和工作台。其中，所述激光器群由若干个相互独立的单个脉冲激光器组成，每一个脉冲激光器由激光器控制系统单独控制，使各脉冲激光器在同一时间能够分别发出具有相同或不同参数的激光束；各脉冲激光器呈二维平面排布，所述工件夹持系统用于固定待加工工件，并使工件能够接受激光器群的激光束的冲击；所述工作台用于承载待加工工件。

进一步地，还包括工作台控制系统，工作台控制系统主要用于控制工作台进行水平、竖直方向的运动。

进一步地，各脉冲激光器的激光头处在同一平面上且呈现阵列式排布，脉冲激光器数量由所要求的最大加工面积决定。

进一步地，各激光器激光发射角度能够单独调节，且可按需开关，从而可以加工形状复杂的异形件。例如，某个位置不需要变形，或需要的变形很小，可以关闭对应位置的激光器，或将其能量调到很小。

进一步地，所述激光器控制系统可以对激光器群中任意脉冲激光器的开关、激光发射角度、激光参数进行调节。

进一步地，所述工件夹持系统固定在工作台上，工作台可在控制器的调控下做三维运动。

其次，本发明公开采用多点激光冲击成形装置进行板材成形方法，包括如下步骤：

(1)将待加工板材、能量吸收层、约束层依次序用工件夹持系统夹紧固定在工作台上；

(2)按需选择激光器群中参与作业的激光器，在激光器控制系统中设置各激光器激光参数；

(3)开启作业激光器同时向待加工板材发射脉冲激光，在各对应位点引发不同变形效果，进而完成板材的整体成形。

进一步地，步骤(1)中，所述约束层包括水或玻璃，其目的是限制等离子体的发散，使其产生朝向工件的冲击波。约束层对激光束透明，厚度取决于激光种类、板材厚度、加工能量、预计变形尺寸。

进一步地，步骤(1)中，所述能量吸收层包括黑漆或石墨，在受到激光照射时电离气化形成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量转变为使工件发生形变的等离子体爆轰波。能量吸收层的厚度取决于激光种类、板材厚度、加工能量、预计变形尺寸。

进一步地，步骤(1)中，所述板材包括铜、铝、钢等金属材料，也可以是塑料等非金属材料，厚度通常不大于3mm。

进一步地，步骤(1)中，板材下方根据需求安装或不安装模具，从而实现无模的激光冲击塑性成形，或者配合半模实现激光冲击仿形。

本发明提出的多点激光成形技术，集合多个激光器同时作业，利用激光参数决定成形效果的原理，由个体激光器在相应作用位点分别产生局部变形，并列叠加即可实现板材的整体成形。可以实现对金属材料、无机材料、高分子材料以及复合材料等的拉深、胀形、弯曲、板料校平以及仿形等成形加工。另外，多个激光器同时对同一加工对象作业，使其发生大面积变形。这种整体变形是由每个激光器对应位点变形并列叠加实现的，且每个位点的变形都由该点的激光参数进行控制，因此具有很高的可控性和生产柔性。

与现有技术相比，本发明提出的多点激光冲击成形装置至少具有以下几方面的有益效果：

(1)加工质量高。相邻激光器发出的激光束在板材上形成的光斑可以交叉和重合，因此各点位处的变形能够与周围点位的变形很好地过渡与融合，并且该变形是通过爆炸等离子体诱发而非刚性冲头接触产生的，从而使加工件具有更高的表面质量。

(2)加工柔性大。激光束的光径直径、激光能量等参数易于调节，因此，这种一套激光多点成形系统既可以加工大型零件，也可以加工细小零件、形状复杂的异形件，能够进行多尺度范围内的零件的塑性成形。

(3)加工效率高。由于激光冲击成形加工速度快，几个纳秒即可完成一次冲击，采用本发明的装置使多个激光器同时作业，可在瞬间实现板材大面积成形。

(4)零件性能好。多点激光冲击能在材料表面形成很深的高幅值残余压应力，从而提高成形件的抗疲劳能力和耐腐蚀性。

(5)本发明的方法不仅克服了现有大功率单点激光冲击无法进行复杂形状无模成形的缺点，即使是在半模成形和仿形成形中，该方法能够通过一系列小能量激光器，形成激光器阵列，来扩大激光加工面积，比传统方法采用一个大功率激光器，通过扩大光斑来扩大加工面积，可以更加节省设备费用，也更容易保证变形的均匀性，并提高板材的成形极限。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1中多点激光成形装置(无模成形情形)的结构示意图。

图2为本发明实施例2中薄板仿形工艺采用的多点激光成形装置结构示意图。

图3为本发明实施例3中另一无模成形工艺采用的多点激光成形装置结构示意图。

图4为本发明实施例4中薄板弯折工艺采用的多点激光成形装置结构示意图。

上述附图中标记分别代表：1-激光器控制系统，2-激光器群，3-激光束、 4-工件夹持系统、5-约束层、6-能量吸收层、7-板材、8-工作台、9-工作台控制系统、10-仿形凹模、11-排气孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件需要具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如前文所述，现有的采用逐点逐次冲击方式不仅加工效率太低，而且冲击引起的板材弯曲等形貌变化也提高了二次冲击的难度，对于形状复杂的工件，加工工艺繁琐，成形精度也受到影响。因此，本发明提出了一种多点激光冲击成形装置及成形方法；现结合说明书附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

第一实施例，参考图1，示例一种本发明设计的一种多点激光冲击成形装置，包括：包括：激光器控制系统1，激光器群2，工件夹持系统4、工作台8、工作台控制系统9。

其中，所述激光器群2由若干个相互独立的单个脉冲激光器组成，每一个脉冲激光器由激光器控制系统1单独控制，使各脉冲激光器在同一时间能够分别发出具有相同或不同参数的激光束3；各脉冲激光器的激光头处在同一平面上且呈现阵列式排布，所述工件夹持系统4用于固定待加工工件，并使工件能够接受激光器群2的激光束3的冲击；所述工作台8用于承载待加工工件，工件夹持系统固定在工作台上，工作台可在控制器9的调控下在X、Y、Z方向移动，以便于调整待加工板材与激光束3的相对位置。

可以理解的是，在所述第一实施例的基础上，还可衍生出包括但不限于以下的技术方案，以解决不同的技术问题，实现不同的发明目的，具体示例如下：

第二实施例，参考图2，一种薄板仿形工艺，包括如下步骤：

(1)将待加工板材7设定为0.1mm厚的纯铜板、能量吸收层6使用黑漆、约束层5采用K9玻璃，并依次序用工件夹持系统夹紧固定在工作台8上；板材下方安装带有排气孔11的仿形凹模10，且仿形凹模10夹紧固定在工作台 8上；

(2)首先开启激光器群2中待成形区域的正上方(即仿形凹模10的型腔口部正上方)的YAG脉冲激光器，各激光器输出功率为400mJ，并进行多脉冲冲击。

当板材即将接触凹模底部时，同时开启成形区域斜上方的YAG脉冲激光器，各激光器输出功率为500mJ。调节这些激光器的射出角度，使这些激光器发出的激光束照射模具10的侧壁方向，从而为板材提供斜向冲击力。

在仿形凹模10的型腔口部正上方和斜上方的激光束的共同作用上，推动板材向模具内变形，贴紧模具内壁实现仿形。

第三实施例，参考图3，一种薄板无模成形，包括如下步骤：

(1)将待加工板材7、能量吸收层6、约束层5依次序用工件夹持系统夹紧固定在工作台8上；板材7采用为0.2mm厚的纯铜板，能量吸收层6采用黑漆，约束层5采用K9玻璃。

(2)选择激光器群2中参与加工的激光器为最大输出功率700mJ的YAG 脉冲激光器。将板材7的最大待成形深度视为h，第i变形位点的成形深度为 h(i)，第j变形位点的成形深度为h(j)。在激光器控制系统1中设定各位点激光器激光参数，若成形深度h处所需要的脉冲个数为n,则i处的脉冲个数设为 h(i)/h的n倍并圆整。开启激光器，各激光束作用于能量吸收层产生具有不同能量的爆轰波，推动板材向下运动，使板材不同位置发生不同程度形变，并列叠加获得板材整体成形效果。

第四实施例，参考图4，一种薄板弯折成形，包括如下步骤：

(1)采用悬臂梁式夹持方法用夹具4将覆盖有能量吸收层6的板材7固定在工作台8上；板材7采用为0.1mm厚的不锈钢板，能量吸收层6采用黑漆，约束层5采用K9玻璃。

(2)在激光器群2中选择一列参与加工的激光器为功率为500mJ的YAG 脉冲激光器，该列激光器位于板材7的弯折线的正上方。在激光器控制系统1 中设定各激光器激光功率500mJ。开启激光器，脉冲激光垂直作用于能量吸收层，诱导等离子体爆炸，使板材发生折弯。根据所需要的弯折角度，调整各激光器的脉冲个数。实验表明，弯折角度与脉冲个数呈近似线性关系。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多点激光冲击成形装置，其特征在于，包括：激光器控制系统，激光器群，工件夹持系统和工作台；其中：所述激光器群由若干个相互独立的单个脉冲激光器组成，每一个脉冲激光器由激光器控制系统单独控制，使各脉冲激光器在同一时间能够分别发出具有相同或不同参数的激光束；各脉冲激光器呈二维平面排布，所述工件夹持系统用于固定待加工工件，并使工件能够接受激光器群的激光束的冲击；所述工作台用于承载待加工工件；

各脉冲激光器的激光头处在同一平面上且呈现阵列式排布，脉冲激光器数量由加工面积决定；

所述激光器控制系统可以对激光器群中任意脉冲激光器的开关、激光发射角度、激光参数进行调节；

还包括工作台控制系统，其主要用于控制工作台进行水平、竖直方向的运动；

各激光器激光发射角度能够单独调节，且可按需开关；

所述工件夹持系统固定在工作台上，工作台可在控制器的调控下做三维运动；

多个激光器同时对金属板材操作，使其发生整体变形，这种整体变形是由每个激光器对应位点变形并列叠加实现的，且每个位点的变形都由该点的激光参数进行控制。

2.一种多点激光冲击成形的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的多点激光冲击成形装置执行，包括如下步骤：

（1）将待加工板材、能量吸收层、约束层依次序用工件夹持系统夹紧固定在工作台上；

（2）按需选择激光器群中参与作业的激光器，在激光器控制系统中设置各激光器激光参数；

（3）开启作业激光器同时向待加工板材发射脉冲激光，在各对应位点引发不同变形效果，进而完成板材的整体成形。

3.如权利要求2所述的多点激光冲击成形的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述约束层包括水或玻璃；

或者，步骤（1）中，所述能量吸收层包括黑漆或石墨。

4.如权利要求2所述的多点激光冲击成形的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述板材包括铜、铝、钢金属材料。

5.如权利要求2所述的多点激光冲击成形的方法，其特征在于，所述板材为非金属材料。

6.如权利要求2所述的多点激光冲击成形的方法，其特征在于，所述板材为塑料。

7.如权利要求2所述的多点激光冲击成形的方法，其特征在于，所述板材的厚度不大于3mm。

8.如权利要求2所述的多点激光冲击成形的方法，其特征在于，步骤（1）中，在板材下方根据需求安装或不安装模具。

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