CN115138742A - 一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置及方法，涉及激光加工微成形领域。该装置包括激光加载系统、增压及尺寸拓宽装置、对中系统、控制系统、成形系统；该方法利用激光加载系统辐射吸收层产生冲击波压力，经液体介质的传递，推动上下端直径不同的增压橡胶冲头运动从而增加液体压力，实现对具有复杂微细特征、难成形材料零件的高效低成本加工成形。该方法可以成形出尺寸为激光最小光斑直径以下的微细结构，拓宽了成形件的尺寸范围，降低了对激光器光斑精度的要求。多层锥形高压液室设计既可以避免液室破裂，又保证了增压装置的增压比可变。

Description

一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置及方法

技术领域

本发明属于激光冲击金属箔材微成形技术领域，特别适用于具有复杂微细特征且形貌尺寸小于最小光斑直径的难成形材料零件的激光冲击成形，更具体的说是一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置及方法。

背景技术

近年来，随着微机电、生物医学、航空航天领域的不断发展，对产品的微型化需求日益增多，而产品的微型化促使具有圆角、倒角等复杂微细特征的零件的应用日益广泛。现有的微冲裁、微拉深、微弯曲等塑性加工工艺，成形上述零件时，成形效率低，且受尺寸效应影响显著，成形精度偏低。

激光冲击微成形在微型零件成形方面具有显著优势，其激光能量精准可控，成形精度高；应变率高，显著提高材料的成形极限，降低颈缩破裂等缺陷的发生；脉冲激光代替刚性冲头，有效避免冲头制造及对中难题。然而，传统激光冲击成形工艺对于具有复杂微细特征的难成形材料零件的成形效果有待提升。如专利CN106077216B利用软膜作为柔性冲头进行激光冲击成形；专利CN107552947B通过激光脉冲作为能量源，利用软膜压缩液体产生冲击压力，从而实现薄板的微成形。上述传统激光冲击成形工艺由于受到软膜流动性的限制，冲击波压力相对较小，对厚度较大、具有复杂微细特征的难成形材料零件成形效果不佳。此外，由于定透镜的最小光斑直径受平衡衍射和球差的光斑效应限制，存在一个最小值。现有的激光冲击成形工艺，对于最小光斑直径以下的微小特征难以成形。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置，包括激光加载系统、增压及尺寸拓宽装置、对中系统、控制系统和成形系统，所述多层高压液室系统为第一层高压液室、第二层高压液室、第三层高压液室和第四层高压液室的分层设计；底座上连接有三维移动平台，外模具连接在三维移动平台的上侧，带有微特征的内模具设置在外模具内，待加工工件放置在内模具的上侧，第一层高压液室、第二层高压液室、第三层高压液室和第四层高压液室从外到内依次套接并组合成一个中心带有圆孔的圆柱体，所述中心带有圆孔的圆柱体放置在待加工工件的上侧，低压液室放置在中心带有圆孔的圆柱体的上侧，增压及尺寸拓宽橡胶冲头为上端直径大下端直径小的组合圆柱体，增压及尺寸拓宽橡胶冲头的上端滑动连接在低压液室上，增压及尺寸拓宽橡胶冲头的下端滑动连接在中心带有圆孔的圆柱体的圆孔处，约束层位于吸收层的上侧，吸收层位于低压液室的上侧，压边圈压在约束层上，紧固螺栓穿过压边圈，紧固螺栓的下端螺纹连接在外模具上，透镜支架固定连接在底座的上部，聚焦透镜安装在透镜支架上；

低压液室、增压及尺寸拓宽橡胶冲头和吸收层之间存有液体介质，第一层高压液室、增压及尺寸拓宽橡胶冲头、待加工工件之间存有液体介质。

进一步，所述激光加载系统包括脉冲激光器、反射镜、透镜支架、聚焦透镜和底座；透镜支架固定连接在底座的上部，聚焦透镜安装在透镜支架上，位于激光经反射镜反射后的光路上；所述透镜支架安装在底座上；所述反射镜与脉冲激光器呈45°。

进一步，所述对中系统包括CCD传感器、图像采集器、计算机和三维移动平台；所述CCD传感器依次与图像采集器和计算机相连接。

进一步，所述控制系统包括激光控制器、三维移动平台控制器和液压控制器，激光控制器、三维移动平台控制器、液压控制器均与计算机连通；

所述激光控制器与脉冲激光器相连；

所述三维移动平台控制器与三维移动平台相连；

所述液压控制器依次和泵、单向阀和截止阀相连。

进一步，所述的成形系统用于成形待加工工件；脉冲激光穿透约束层辐射吸收层；所述的压边圈在紧固螺栓的作用下与外模具相连，压边圈压在约束层上；冲击波压力经过增压及尺寸拓宽装置，与带有微特征的内模具配合。

进一步，所述第一层高压液室、第二层高压液室、第三层高压液室和第四层高压液室所组成的高压液室为分层锥形结构。

进一步，所述增压及尺寸拓宽橡胶冲头为上端直径大下端直径小的组合圆柱体，采用橡胶材质。

进一步，所述液体介质为具有良好的流动性和传力性质的水或液压油。

使用一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置进行加工的加工方法，该方法包括如下步骤：

S1：光斑和液室中心对中：激光加载系统发出调试光，CCD传感器记录调试光光斑中心与液室中心的相对位置，图像采集器处理后输入计算机，计算机发出指令带动三维移动平台完成光斑中心和液室中心的对中；关闭激光器；依次取出低压液室、第一层高压液室、第二层高压液室、第三层高压液室和第四层高压液室；

S2：成形装置搭建：将待加工工件放入带有微特征的内模具中；依次将第四层高压液室、第三层高压液室、第二层高压液室、第一层高压液室、低压液室放在待加工工件上；将增压及尺寸拓宽橡胶冲头小直径圆柱体端放在第一层高压液室中，大直径圆柱体端放在低压液室中；将吸收层和约束层依次放在低压液室上；用紧固螺栓将压边圈与外模具连接；液压控制器控制泵和单向阀配合加载液体介质；加满后给液压控制器信号，控制泵和截止阀关闭，停止加载；

S3：工件激光冲击微成形：脉冲激光器开启，发出的激光经过反射镜、聚焦透镜、约束层后辐射吸收层；吸收层发生等离子体爆炸压缩低压液室中液体介质产生冲击波压力，推动增压及尺寸拓宽橡胶冲头运动，从而压缩第一层高压液室中的液体，增大流体压力，并依靠液体介质良好的流动性，完成待加工工件的成形；

S4：成形装置拆卸和工件取出：关闭激光器，液压控制器控制泵将液体介质排出；拧开紧固螺栓，依次取下压边圈、约束层、吸收层、低压液室、增压及尺寸拓宽橡胶冲头、第一层高压液室、第二层高压液室、第三层高压液室和第四层高压液室；取出加工后的工件；然后从S2开始进入下一个循环。

本发明产生的有益效果是：

1.本发明提出的激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置及方法，采用液体介质传递冲击波压力，推动上下端直径不同的橡胶冲头运动以增大冲击波压力，可实现具有圆角、倒角等复杂微细特征、尺寸小于最小光斑直径的难成形材料零件的高效低成本加工成形。

2.本发明拓宽了激光冲击成形零件的尺寸范围，降低了对激光器制造精度的依赖性。激光器由于存在衰减，使用时间过长时易导致难以准确聚焦，实际照射区域过大，能量不能集中，成形效果不佳。经过增压及尺寸拓宽装置的尺寸拓展作用和液体介质的均压作用后，能量得以集中，从而获得良好的成形效果；

3.本发明的多层高压液室设计，一方面可以沿接触面可以发生微小侧向位移以承受增压作用后的高压液体压力，避免了单层结构中易出现的破裂危险；另一方面可以通过第一层高压液室的更换，不但可以改变橡胶冲头上下底面间的面积比，以此获得不同的增压比，而且能够完成不同尺寸微细特征的成形，提高装置适应性；

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

图1是带有增压及尺寸拓宽装置的激光冲击微成形系统；

图2是图1涉及到的增压及尺寸拓宽装置的示意图；

图3是图1涉及到的增压及尺寸拓宽装置的三维结构示意图；

图4是本发明激光冲击微成形增压及尺寸拓宽方法的流程图。

图中：底座1；三维移动平台2；外模具3；带有微特征的内模具4；待加工工件5；第四层高压液室6；第三层高压液室7；第二层高压液室8；第一层高压液室9；低压液室10；液体介质11；增压及尺寸拓宽橡胶冲头12；紧固螺栓13；压边圈14；透镜支架15；截止阀16；泵17；吸收层18；约束层19；单向阀20；液压控制器21；计算机22；三维移动平台控制器23；CCD传感器24；图像采集器25；聚焦透镜26；激光控制器27；反射镜28；脉冲激光器29。

具体实施方式

为对本发明做进一步的了解，下面结合附图以及具体实施例对本发明作出进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

结合附图1-3所示，底座1上连接有三维移动平台2，外模具3连接在三维移动平台2的上侧，三维移动平台2用于带动外模具3移动完成光斑中心和液室中心的对中，带有微特征的内模具4设置在外模具3内，待加工工件5放置在内模具4的上侧，带有微特征的内模具4的上侧带有需要的微特征，当待加工工件5受到压力下压在带有微特征的内模具4上后，在待加工工件5上加工出微特征，完成待加工工件5的成形，第一层高压液室9、第二层高压液室8、第三层高压液室7和第四层高压液室6从外到内依次套接并组合成一个中心带有圆孔的圆柱体，中心带有圆孔的圆柱体放置在待加工工件5的上侧，低压液室10放置在中心带有圆孔的圆柱体的上侧，增压及尺寸拓宽橡胶冲头12为上端直径大下端直径小的组合圆柱体，所述第一层高压液室9、第二层高压液室8、第三层高压液室7和第四层高压液室6所组成的高压液室为分层锥形结构，沿接触面可以发生微小侧向位移。多个高压液室的设计一者可以沿接触面可以发生微小侧向位移以承受增压作用后的高压液体压力，避免了单层结构中易出现的破裂危险；二者可以通过第一层高压液室的更换，不但可以改变橡胶冲头上下底面间的面积比，以此获得不同的增压比，而且能够完成不同尺寸微细特征的成形，提高装置适应性，第一层高压液室9、第二层高压液室8、第三层高压液室7和第四层高压液室6都是固体金属，通过低压液室10施加的力和重力从而配合成一体，没有经过焊接等工艺连接，彼此自由，可从上部轻松拆卸取出，增压及尺寸拓宽橡胶冲头12的上端滑动连接在低压液室10上，增压及尺寸拓宽橡胶冲头12的下端滑动连接在中心带有圆孔的圆柱体的圆孔处，约束层19位于吸收层18的上侧，吸收层18位于低压液室10的上侧，压边圈14压在约束层19上，紧固螺栓13穿过压边圈14，紧固螺栓13的下端螺纹连接在外模具3上，通过旋动紧固螺栓13向下移动使紧固螺栓13压向压边圈14，进而使压边圈14下压在约束层19上，透镜支架15固定连接在底座1的上部，聚焦透镜26安装在透镜支架15上，透镜支架15起到了支撑聚焦透镜26的作用；

低压液室10、增压及尺寸拓宽橡胶冲头12和吸收层18之间存有液体介质11，第一层高压液室9、增压及尺寸拓宽橡胶冲头12、待加工工件5之间存有液体介质11，液体介质11为液体；

吸收层18发生等离子体爆炸压缩低压液室10中液体介质11产生冲击波压力，冲击波压力在液体介质11中传播，作用于压缩增压及尺寸拓宽橡胶冲头12时，产生方向向下的压力，推动冲头12向下运动，压缩增压及尺寸拓宽橡胶冲头12下表面液体，从而增大其压力。当压力超过工件5的动态屈服强度时，工件发生变形。

由于增压及尺寸拓宽橡胶冲头12分为面积大小不一的两端，面积大的为低压压力端，面积小的为高压压力端，等离子体爆炸产生的低压压力将推动增压及尺寸拓宽橡胶冲头12向下运动并压缩高压压力端的液柱，产生高压。高压压力推动流动性良好的液体介质11向下运动，推动待加工工件5成形。

结合附图1所示，本发明所述的激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置包括激光加载系统、增压及尺寸拓宽装置、对中系统、控制系统和成形系统；

结合附图1所示，所述激光加载系统包括器脉冲激光29、反射镜28、透镜支架15、聚焦透镜26和底座1；所述反射镜28与脉冲激光器29之间的角度呈45°，进而将横向的激光反射呈竖向的激光；所述聚焦透镜26安装在透镜支架15上，位于激光经反射镜28反射后的光路上；所述透镜支架15安装在底座1上。

结合附图2和3所示，所述增压及尺寸拓宽装置包括液体介质11、增压及尺寸拓宽橡胶冲头12和多层高压液室系统；所述的液体介质11为具有良好的流动性和传力性质的水或液压油等流体，用来传递冲击波压力；液压控制器21、泵17、单向阀20和截止阀16的作用下，控制液体介质11的加载和卸载；所述增压及尺寸拓宽橡胶冲头12为上端直径大下端直径小的橡胶材质的组合圆柱体,用来增压并拓宽尺寸范围；所述多层高压液室系统为第一层高压液室9、第二层高压液室8、第三层高压液室7和第四层高压液室6分层设计，组合成一个中心带有圆孔的圆柱体；多个高压液室的设计可以沿接触面可以发生微小侧向位移以承受增压作用后的高压液体压力，避免了单层结构中易出现的破裂危险；还可以通过第一层高压液室的更换，不但可以改变橡胶冲头上下底面间的面积比，以此获得不同的增压比，而且能够完成不同尺寸微细特征的成形，提高装置适应性。

结合附图1所示，所述对中系统包括CCD传感器24、图像采集器25、计算机22和三维移动平台2；所述CCD传感器24依次与图像采集器25、计算机22相连接。CCD传感器24记录调试光光斑中心与液室中心的相对位置，图像采集器25处理后输入计算机22，计算机22发出指令带动三维移动平台2完成光斑中心和液室中心的对中；

结合附图1所示，所述控制系统包括激光控制器27、三维移动平台控制器23和液压控制器21，均与计算机22连通，通过计算机22控制激光控制器27、三维移动平台控制器23和液压控制器21；所述激光控制器27与脉冲激光器29相连，激光控制器27控制脉冲激光器29发出激光；所述三维移动平台控制器23与三维移动平台2相连，三维移动平台控制器23控制三维移动平台2移动，进而完成光斑中心和液室中心的对中；所述液压控制器21依次和泵17、单向阀20和截止阀16相连，控制液体介质11的加载与卸载，液压控制器21控制泵17、单向阀20和截止阀16工作，进而控制液体介质11的加载与卸载。

结合附图1所示，所述的成形系统用于成形材料为常规成形方式下难成形材料的待加工工件5；脉冲激光穿透约束层19辐射吸收层18，吸收层18发生等离子体爆炸压缩低压液室10中液体介质11产生冲击波压力；所述的压边圈14在紧固螺栓13的作用下与外模具3相连，压在约束层19上；冲击波压力经过所述的增压及尺寸拓宽装置，与带有微特征的内模具4配合，使待加工工件5发生塑性变形，成形出尺寸在最小光斑直径以下且存在圆角、倒角等复杂微细特征的成形件。

使用一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置进行加工的加工方法，该方法包括如下步骤：

S1：光斑和液室中心对中：激光加载系统发出调试光，CCD传感器24记录调试光光斑中心与液室中心的相对位置，图像采集器25处理后输入计算机22，计算机22发出指令带动三维移动平台2完成光斑中心和液室中心的对中；关闭激光器29；依次取出低压液室10、第一层高压液室9、第二层高压液室8、第三层高压液室7和第四层高压液室6；

S2：成形装置搭建：将待加工工件5放入带有微特征的内模具4中；依次将第四层高压液室6、第三层高压液室7、第二层高压液室8、第一层高压液室9、低压液室10放在待加工工件5上；将增压及尺寸拓宽橡胶冲头12小直径圆柱体端放在第一层高压液室9中，大直径圆柱体端放在低压液室10中；将吸收层18和约束层19依次放在低压液室10上；用紧固螺栓13将压边圈14与外模具3连接；液压控制器21控制泵17和单向阀20配合加载液体介质11；加满后给液压控制器21信号，控制泵17和截止阀16关闭，停止加载；

S3：工件激光冲击微成形：脉冲激光器29开启，发出的激光经过反射镜28、聚焦透镜26、约束层19后辐射吸收层18；吸收层18发生等离子体爆炸压缩低压液室10中液体介质11产生冲击波压力，推动增压及尺寸拓宽橡胶冲头12运动，从而压缩第一层高压液室9中的液体，增大流体压力，并依靠液体介质11良好的流动性，完成待加工工件5的成形；

S4：成形装置拆卸和工件取出：关闭激光器29，液压控制器21控制泵17将液体介质11排出；拧开紧固螺栓13，依次取下压边圈14、约束层19、吸收层18、低压液室10、增压及尺寸拓宽橡胶冲头12、第一层高压液室9、第二层高压液室8、第三层高压液室7和第四层高压液室6；取出加工后的工件；然后从S2开始进入下一个循环。

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，本技术领域的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 (9)

1.一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置，包括激光加载系统、增压及尺寸拓宽装置、对中系统、控制系统和成形系统，其特征在于：所述多层高压液室系统为第一层高压液室(9)、第二层高压液室(8)、第三层高压液室(7)和第四层高压液室(6)的分层设计；底座(1)上连接有三维移动平台(2)，外模具(3)连接在三维移动平台(2)的上侧，带有微特征的内模具(4)设置在外模具(3)内，待加工工件(5)放置在内模具(4)的上侧，第一层高压液室(9)、第二层高压液室(8)、第三层高压液室(7)和第四层高压液室(6)从外到内依次套接并组合成一个中心带有圆孔的圆柱体，所述中心带有圆孔的圆柱体放置在待加工工件(5)的上侧，低压液室(10)放置在中心带有圆孔的圆柱体的上侧，增压及尺寸拓宽橡胶冲头(12)为上端直径大下端直径小的组合圆柱体，增压及尺寸拓宽橡胶冲头(12)的上端滑动连接在低压液室(10)上，增压及尺寸拓宽橡胶冲头(12)的下端滑动连接在中心带有圆孔的圆柱体的圆孔处，约束层(19)位于吸收层(18)的上侧，吸收层(18)位于低压液室(10)的上侧，压边圈(14)压在约束层(19)上，紧固螺栓(13)穿过压边圈(14)，紧固螺栓(13)的下端螺纹连接在外模具(3)上，透镜支架(15)固定连接在底座(1)的上部，聚焦透镜(26)安装在透镜支架(15)上；

低压液室(10)、增压及尺寸拓宽橡胶冲头(12)和吸收层(18)之间存有液体介质(11)，第一层高压液室(9)、增压及尺寸拓宽橡胶冲头(12)、待加工工件(5)之间存有液体介质(11)。

2.根据权利要求1所述的一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置，其特征在于：所述激光加载系统包括脉冲激光器(29)、反射镜(28)、透镜支架(15)、聚焦透镜(26)和底座(1)；透镜支架(15)固定连接在底座(1)的上部，聚焦透镜(26)安装在透镜支架(15)上，位于激光经反射镜(28)反射后的光路上；所述透镜支架(15)安装在底座(1)上；所述反射镜(28)与脉冲激光器(29)呈45°。

3.根据权利要求1所述的一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置，其特征在于：所述对中系统包括CCD传感器(24)、图像采集器(25)、计算机(22)和三维移动平台(2)；所述CCD传感器(24)依次与图像采集器(25)和计算机(2)相连接。

4.根据权利要求1所述的一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置，其特征在于：所述控制系统包括激光控制器(27)、三维移动平台控制器(23)和液压控制器(21)，激光控制器(27)、三维移动平台控制器(23)、液压控制器(21)均与计算机(22)连通；

所述激光控制器(27)与脉冲激光器(29)相连；

所述三维移动平台控制器(23)与三维移动平台(2)相连；

所述液压控制器(21)依次和泵(17)、单向阀(20)和截止阀(16)相连。

5.根据权利要求1所述的一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置，其特征在于：所述的成形系统用于成形待加工工件(5)；脉冲激光穿透约束层(19)辐射吸收层(18)；所述的压边圈(14)在紧固螺栓(13)的作用下与外模具(3)相连，压边圈(14)压在约束层(19)上；冲击波压力经过增压及尺寸拓宽装置，与带有微特征的内模具(4)配合。

6.根据权利要求1所述的一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置，其特征在于：所述第一层高压液室(9)、第二层高压液室(8)、第三层高压液室(7)和第四层高压液室(6)所组成的高压液室为分层锥形结构。

7.根据权利要求1所述的一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置，其特征在于：所述增压及尺寸拓宽橡胶冲头(12)为上端直径大下端直径小的组合圆柱体，采用橡胶材质。

8.根据权利要求1所述的一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置，其特征在于：所述液体介质(11)为具有良好的流动性和传力性质的水或液压油。

9.使用权利要求1所述的一种激光冲击微成形增压及尺寸拓宽装置进行加工的加工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1：光斑和液室中心对中：激光加载系统发出调试光，CCD传感器(24)记录调试光光斑中心与液室中心的相对位置，图像采集器(25)处理后输入计算机(22)，计算机(22)发出指令带动三维移动平台(2)完成光斑中心和液室中心的对中；关闭激光器(29)；依次取出低压液室(10)、第一层高压液室(9)、第二层高压液室(8)、第三层高压液室(7)和第四层高压液室(6)；

S2：成形装置搭建：将待加工工件(5)放入带有微特征的内模具(4)中；依次将第四层高压液室(6)、第三层高压液室(7)、第二层高压液室(8)、第一层高压液室(9)、低压液室(10)放在待加工工件(5)上；将增压及尺寸拓宽橡胶冲头(12)小直径圆柱体端放在第一层高压液室(9)中，大直径圆柱体端放在低压液室(10)中；将吸收层(18)和约束层(19)依次放在低压液室(10)上；用紧固螺栓(13)将压边圈(14)与外模具(3)连接；液压控制器(21)控制泵(17)和单向阀(20)配合加载液体介质(11)；加满后给液压控制器(21)信号，控制泵(17)和截止阀(16)关闭，停止加载；

S3：工件激光冲击微成形：脉冲激光器(29)开启，发出的激光经过反射镜(28)、聚焦透镜(26)、约束层(19)后辐射吸收层(18)；吸收层(18)发生等离子体爆炸压缩低压液室(10)中液体介质(11)产生冲击波压力，推动增压及尺寸拓宽橡胶冲头(12)运动，从而压缩第一层高压液室(9)中的液体，增大流体压力，并依靠液体介质(11)良好的流动性，完成待加工工件(5)的成形；

S4：成形装置拆卸和工件取出：关闭激光器(29)，液压控制器(21)控制泵(17)将液体介质(11)排出；拧开紧固螺栓(13)，依次取下压边圈(14)、约束层(19)、吸收层(18)、低压液室(10)、增压及尺寸拓宽橡胶冲头(12)、第一层高压液室(9)、第二层高压液室(8)、第三层高压液室(7)和第四层高压液室(6)；取出加工后的工件；然后从S2开始进入下一个循环。

Images