CN1374165A - 一种激光冲击精密成形方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机械制造领域,特指一种激光冲击精密成形方法及装置,其适用于金属薄板的成形,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,其装置由激光器(1),外光路系统(2),工装夹具系统,控制系统(13)组成,工装夹具系统由工作台(8)、夹具座(9)、上夹板(10),下夹板(11),试样体系(12)组成。成形方法由激光器发出的激光束通过外光路系统传输到安装在夹具中的工件表面,粘贴在工件表面的柔性贴膜受到激光诱导的冲击波作用而压向工件,并使工件产生快速的塑性变形。本发明能实现三维立体冲击,既能进行大板的复杂成形,又可以进行局部微细成形,可实现定量精确成形,重复性好、易实现自动化生产。

Description

一种激光冲击精密成形方法及装置
一、技术领域
本发明涉及机械制造领域，特指一种激光冲击精密成形方法及装置，其适用于金属薄板的成形，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，如结构钢、钛合金、复合材料等，也可用于杆件的校形。
二、背景技术
目前，国内外用于金属薄板塑性成形方法颇多，包括冲压、爆炸成形、喷丸成形等。最常见的冲冲压成形生产各种钣金件，其缺点是模具费用高，生产周期长，而且只能对低碳薄板(如MB8、10F、20、1Cr18Ni9Ti等)、铝合金(如LY12M、LY12C等)、以及紫铜及部分黄铜，由于受应变率的影响，成形极限受到限制。动态塑性成形方法中喷丸成形和爆炸成形最为典型，其中喷丸成形是利用球丸高速冲击材料表层所产生的冲击力使工件发生塑性成形，优点是可在材料表层形成沿深度分布残余压应力，从而改善了工件的抗疲劳性能，缺点是工件表面变粗糙、参数多而难以精确控制；而爆炸成形是烈性炸药爆炸产生的冲击波成形，非常危险，不能精确成形。
经检索有美国加州大学HACKEL LLOYD和HARRIS FRITZ申请的专利“CONTOUR FORMIMGOF METALS BYLASER PEENING”专利号：WO0105549，该专利提出用激光锤击金属板材表面产生残余应力，再利用残余应力释放产生微曲度进行的微变形成形，通过各点每次锤击的微曲度的累积或在同一点实施多次冲击，就可取得更大尺寸的弯曲。具体实施方式为：首先在金属材料表面固定一层激光能量吸收层，其由聚乙酸乙烯脂塑料和聚氯乙烯塑料组成，然后在能量吸收层表面用1mm厚的水作为惰性约束层。用高功率钕玻璃激光装置产生的脉冲宽度10ns~20ns的激光束(波长1.06μm)锤击金属表面的能量吸收层，形成60J~200J/cm2的能量束，能量吸收层吸收激光后产生惰性约束等离子体。等离子体产生的压力在10,000~100,000个大气压范围内，这使冲击压力超过了金属的弹性极限，从而使金属表面形成深甚至超过1mm的压应力层。应力使金属最表层产生应变，结果导致金属弯曲。其缺点如下：(1)由于是利用残余压应力发生的应变而产生弯曲，所以变形量小；(2)通过逐点锤击产生的应力分布来控制大面积的弯曲，这在实际应用中很困难；(3)在激光冲击前必须在待冲击表面敷能量吸收层，再在涂层上用水作约束层。这种分开式处理方法，造成激光能量利用率低、数据不稳、可靠性差等缺点，而且还需一道去除残留能量吸收层的后处理工序。用水作约束层时需额外的供水系统，并使工装夹具变复杂，且激光锤击过程中水的飞溅难以控制，易损坏光学镜片等，(4)成形材料和工艺单一，只是对金属材料锤击的弯曲成形和杆件校形。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种能克服上述缺点，使各种常用金属成形材料，特别是常规方法难以成形的材料成形的激光冲击精密成形方法及装置。
本发明是按下述技术方案实现的：
它由激光器、外光路系统、工装夹具系统，控制系统组成，其成形方法的特征在于由激光器发出的激光束通过外光路系统传输到安装在夹具中的工件表面，粘贴在工件表面的柔性贴膜受到激光诱导的冲击波作用而压向工件，并使工件产生快速的塑性变形。
可通过改变激光脉宽、能量、光束直径、重复频率等激光参数来调整冲击压力的大小，通过控制冲击位置和各点冲击力的大小，就可获得精确的工件轮廓。
其成形装置的特征在于工装夹具系统由工作台、夹具座、上夹板，下夹板，试样体系组成。
试样体系由工件表面贴设柔性贴膜构成一体式的透明约束层和能量吸收层。激光冲压精密成形装置的激光冲击头内设有聚焦镜组，其包含聚焦镜、可旋转反射镜、三棱镜等。激光器内的调制器产生的激光束的脉冲宽度为4ns～10ns。在激光器发出激光的同时，夹载试样体系的工作台和激光冲击头同时按数控指令向待冲击位置作三维运动，从而达到控制冲击位置的目的。
本发明提出高性能激光冲击精密成形技术，它直接利用强脉冲激光束(功率密度大于109W/cm2，脉冲宽度8-30ns)冲击工件表面的柔性贴膜，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，这使成形材料发生明显塑性变形，这不同于应用残余应力释放弯曲成形中局部冲击不产生明显塑性变形而只是宏观材料变形，然后通过逐点冲击和有序的冲击点分布获得大面积复杂形状。成形材料包括金属、复合材料、塑料，以及镀有脆性涂层(如TiN)的金属薄板冲击成形。能有效地对金属材料、无机材料、高分子材料及复合材料等多种材料进行局部胀形、弯曲、拉伸、板料校平、杆件校直校曲，是集多种成形方式为一体的无模复杂成形。如果采用预先制作好的凹模，那么又可以进行冲压仿形。
本发明具有如下技术优势：
(1)在工件表面采用柔性贴膜，其具有能量吸收层及约束层的双重功能。这种双层柔性帖膜覆盖与待处理工件表面，不仅提高了激光能量利用率，而且使激光冲击能方便地处理非平面区域，如圆角、曲面等。
(2)激光冲击成形系统装置采用产生脉冲宽度为4ns~10ns脉冲能量0J~50J的强激光束，由于提高了激光功率，因而产生了更高峰压的冲击波，其峰压达数Gpa。同时，通过改变激光棒晶体材料，也可以产生波长更短更易被柔性贴膜吸收的激光束，如红宝石晶体(波长0.694μm，吸收率比1.06μm高得多)。
(3)金属板材冲击成形后表面形成了很深的高幅值残余压应力，可显著提高疲劳寿命。如3mm厚的2024铝合金冲击成形后表面形成-235MPa至-300MPa的残余压应力，根据我们所做的激光冲击强化实验结果，此状态可提高疲劳寿命4倍以上。这特别适合于制造有抗疲劳性能要求的钣金件，如飞机机翼蒙皮等，可减去常规的强化工艺。
(4)可实现小曲率板材弯曲成形。由于是全塑性弯曲，无回弹，解决了常规工艺反复试模费工费事费钱的缺点。
(5)可实现难成形材料的成形，如钛合金导弹尾翼的弯曲精密成形。
(6)成形精确，成本低，速度快，特别适合于批量少的新品研制。仅估算激光冲击凹模仿形，就可节约一半模具。另在优化控制激光冲击成形工艺参数的条件下，可以实现无模成形。
(7)除了可对薄板冲压成形外，还可对厚达20mm的金属厚板弯曲成形。此外还可对高强度结钢、钛合金、塑料及复合材料等多种材料冷冲压成形，甚至对脆性材料弯曲成形，实现脆塑的动态转变，如对镀TiN(5μm厚)的镜面不锈钢板进行冲击拉伸成形，TiN涂层表面形成塑性滑移线且附着良好，无裂纹。这些特殊的用途是其它成形方法无法替代。
(8)本发明采用光束导光和分光装置，以及多轴连动的工作台，所以它能实现三维立体冲击，并可进行多工位或多点同时工作，成形速度快且易实现程序自动控制。因为激光光斑尺寸可调，所以既能进行大板的复杂成形，又可以进行局部微细成形，实现定量精确成形。因为冲击参数的定量控制，所以重复性好、易实现自动化生产。
(9)由于激光冲击在材料表面形成硬化层和高幅残余压应力，因此提高了材料成形的稳定性，几乎无回弹。同时材料冲击后材料表面质量提高，如表面粗糙度降低，硬度提高、晶粒细化、工件抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能大幅提高。
四、附图说明
图1激光冲击精密成形方法及装置示意图
图2柔性贴膜构成示意图
图3激光冲击薄板凹模仿形
图4激光冲击薄板三维弯曲
图5杆件激光冲击三维校形
1激光器，2导光和分光系统，3可旋转透射镜，4可旋转反射镜，5光学透镜组，6激光冲击头，7聚焦镜组，8工作台，9夹具座，10上夹板，11下夹板，12试样体系，13控制系统，14构成柔性贴膜的透明约束层，15构成柔性贴膜的能量吸收层，16成形工件(板料、杆件等)，17激光束，18凹模，19排气孔
五、实施方式
下面结合图1、图2详细说明本实用新型提出的具体装置的细节和工作情况。
激光冲击精密成形装置由控制系统13、激光器1，激光冲击系统、工装夹具系统组成。激光冲击系统由导光和分光系统2、透射镜3、可旋转反射镜4、光学透镜组5、激光冲击头6、聚焦镜组7组成。工装夹具系统由工作台8、夹具座9、上夹板10，下夹板11，试样体系12、成形工件16组成。图2是柔性贴膜的组成图，它包含构成柔性贴膜的约束部分14和构成柔性贴膜的能量吸收部分15，这是两个具有不同功能的组成部分。前者起约束高温等离子体膨胀，后者起提高激光吸收率的作用。
图1是激光冲击精密成形装置示意图，成形工件16表面经柔性贴膜覆盖后，用上下带中心孔的上夹板10和下夹板11或凹模18紧紧夹在中间，在凹模18上特设排气孔19。激光束17经聚焦后直接辐射柔性贴膜，柔性贴膜中能量吸收部分15瞬时汽化并形成高温等离子体，它们膨胀受柔性贴膜中透明约束部分14的限制，这样，等离子体剧烈升温进而剧烈爆炸，产生向成形工件16内部传播的高幅冲击波，调整激光冲击参数，可形成预定幅值的成绩波加载。当冲击波峰压超过金属材料动态屈服强度时，材料屈服，并产生动态塑性变形，
图3是激光冲击平板凹模仿形微区激光单次冲击示意图。激光束17输出后，作用在构成柔性贴膜的能量吸收层15上，成形工件16和柔性贴膜被夹紧在上夹板10和凹模18之间。根据板料成形尺寸大小，可采用单点单次或多次冲击或多点分布冲击形式实现局部胀形，如直径1厘米以下胀形可采用单点单次冲击。
图4是激光冲击平板一维弯曲的成形示意图。激光束17输出冲击到平板试样体系12上，平板试样体系被工件夹具座9单边夹紧，并采用多点分布冲击。如图中所示在沿弯曲的垂直方向上进行行内密排、平行、变间距形式(d1、d2、d3…..)进行系统分布冲击。冲击过程夹板逐步旋转，以保证激光束与板料相对垂直。
图5是激光冲击弯杆校直的成形示意图。激光束17输出，冲击到杆件试样体系12的凹侧，根据局部曲率大小，不断改变冲击参数逐点冲击从而实现杆件校直。
更多的成形事例不便胜举，控制方式和冲击形式的变化都可能实现不同的成形方式，这里仅阐明它的技术方案和部分实施例。

Claims (8)

1、一种激光冲击精密成形方法，其特征在于由激光器发出的激光束通过外光路系统传输到安装在夹具中的工件表面，粘贴在工件表面的柔性贴膜受到激光诱导的冲击波作用而压向工件，并使工件产生快速的塑性变形。
2、根据权利要求1所述的一种激光冲击精密成形方法，其特征在于通过改变激光脉宽、能量、光束直径、重复频率等激光参数来调整冲击压力的大小。
3、根据权利要求1所述的一种激光冲击精密成形方法，其特征在于通过控制冲击位置和各冲击点的冲击力的大小，可获得精确的工件轮廓。
4、为实施权利要求1所述的一种激光冲击精密成形方法的装置，其由激光器(1)，外光路系统(2)，工装夹具系统，控制系统(13)组成，其特征在于工装夹具系统由工作台(8)、夹具座(9)、上夹板(10)，下夹板(11)，试样体系(12)组成。
5、根据权利要求4所述的一种激光冲击精密成形装置，其特征在于试样体系(12)由成形工件(16)表面贴设柔性贴膜构成一体式的透明约束层(14)和能量吸收层(15)。
6、根据权利要求4所述的一种激光冲击精密成形装置，其特征在于外光路系统(2)的激光冲击头(6)内设有由聚焦镜、可旋转反射、三棱镜组成的聚焦镜组(7)。
7、根据权利要求4所述的一种激光冲击精密成形装置，其特征在于激光器(1)内的调制器产生的激光束的脉冲宽度为4ns～10ns。
8、根据权利要求4所述的一种激光冲击精密成形装置，其特征在于夹载试样体系的工作台(8)和激光冲击头(6)可按数控指令向待冲击位置作三维运动。
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According to article 9 of the patent law and article 13 of the detailed rules for the implementation of the patent law: 1134063 of the invention patents in this issue as a notice of authorization, and at the same time corresponding to the 01263316.X utility model patent to be given up, and in the 19 volume of the 48 issue of the new type of communique on the patent right to abandon the announcement.

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: Nanjing Feiyan Piston Ring Co., Ltd.

Assignor: Jiangsu University

Contract fulfillment period: 2008.8.23 to 2011.8.23

Contract record no.: 2008320001087

Denomination of invention: Laser shock method and equipment for precise formation

Granted publication date: 20031126

License type: General permission

Record date: 20081103

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Free format text: COMMON LICENSE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2008.8.23 TO 2011.8.23; CHANGE OF CONTRACT

Name of requester: NANJING FEIYAN PISTON RING CO., LTD.

Effective date: 20081103

C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20031126

Termination date: 20121019