CN1403238A - 一种基于激光冲击波技术的快速制造模具的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模具加工领域，特别适用于利用厚金属板料直接制成拉深模和弯曲模。其将激光冲击波作为制作钢板模具的成形力源，采用粗冲成形与精冲成形二次成形过程，并设有带激光位移探针的在线检测装置。实施该方法的装置包括激光发生器、导光系统、冲击头、工件夹具系统、控制系统，激光发生器经导光系统连接冲击头，控制系统分别控制激光发生器、冲击头、工件夹具系统，并设有激光位移探针与控制器相连以实现在线检测。由于激光参数精确可控，所以重复性好、易实现自动化生产；且既能进行大板的复杂成形制作大型复杂模具，又可以进行局部微细的定量精确成形。

Description

一种基于激光冲击波技术的快速制模方法和装置

所属技术领域

本发明涉及模具加工领域，特指一种基于激光冲击波技术的快速制造模具的方法和装置，特别适用于利用厚金属板料直接制成拉深模和弯曲模。

背景技术

常见的快速制模方法有：利用RPM技术制造的样件翻制、直接数控加工和钢板模具等几种。用RPM技术制造的样件来翻制模具，由于样件的尺寸精度和模具材料的脱模收缩率，造成模具精度不高，且低熔点合金的模具寿命较短；直接数控加工模具是利用CAD绘制的三维模具图形生成数控程序，直接由数控铣床铣削后抛光完成，是目前广泛采用的一种方法，其不足是加工余量较大，材料浪费较多；钢板模具是直接由金属板料采用适当的方法组合和连接而成，目前有两种方法：一是日本东京大学的中川威雄等人提出的用激光切割薄钢板叠加法制作模具，并获得发明专利“Manufacture of press blanking die by laser cutting”(专利号JP55165239)。其将模具的三维CAD图形进行分层切片成两维截面形状，激光切割截面轮廓，然后多层薄板叠加装配、连接，获得所需的模具立体几何形状。这种方法是用直线(小台阶)来逼近模具型面，为此还需去除台阶和创成面精加工工序。由于薄片板料厚度不能太大，导致薄片数量较多，且薄片之间的连接难度较高，因而模具整体强度较低，型面精度不高。另一种方法是把模具型面形状划分成若干个小区域，用小平面片来逼近模具型面，通过焊接方法把小平面片连接成一个整体，然后用砂轮打磨焊缝形成模具型面，并在适当部位增加支撑，以提高刚性。这种方法由于小曲面的数量、焊接及打磨以及由此引起的变形等因素也给模具的型面精度带来影响，故只用于精度不高的零件成形。

与本发明最为接近的技术是爆炸成形，爆炸成形主要是利用炸药爆炸时产生的瞬间高温、高压冲击波成形工件，一般在介质如水中进行，如中国专利CN167688“金属板料的爆炸成形技术”，利用在水中引爆炸药，使金属薄板料紧贴凹模成形，从而实现工件仿形。爆炸成形安全性较差，工艺参数难以控制，而且激波作用时间长达数毫秒，扩散效应大，不能精确成形。故不适用将厚钢板直接成形来制作模具。

发明内容

本发明的目的是要提供用于钢板模具快速制造的方法和装置，它能直接对高强度结构钢板进行成形，使成形的钢板件具有较高的刚度，并在成型表面产生高的硬度和残余压缩应力，并能获得较高的尺寸、形状精度和表面粗糙度，可直接作为其他板料成形用的模具。

本发明方法的特征在于将激光冲击波作为制作钢板模具的成形力源，采用粗冲成形与精冲成形二次成形过程，并设有带激光位移探针的在线检测装置。

粗冲成形为将三维形面分解成一系列的二维等高线断面层，逐层冲击总和成形；精冲成形为在原有二维分层面轮廓信息上求搭接面轮廓的空间法向矢量，冲击头倾斜，沿轮廓上各离散点法向矢量逐层再次冲击。且可通过改变激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲形状以及激光光束模式，来获取不同时间和空间分布的塑性变形力以实现粗冲和精冲。粗冲成形所采用的激光参数为：脉冲能量30-100J，脉冲宽度30-80ns，脉冲形状为准高斯模式，所诱导的冲击波的峰值压力2GPa～6GPa。精冲成形的激光参数为：脉冲能量10-30J，脉冲宽度8-30ns，激光光斑尺寸为Φ0.3～4mm，脉冲形状调制为平顶模式，所形成的冲击压力波为矩形脉冲式。

实施该方法的装置包括激光发生器、导光系统、冲击头、工件夹具系统、控制系统，激光发生器经导光系统连接冲击头，控制系统分别控制激光发生器、冲击头、工件夹具系统。其中导光系统为由导光管、全反镜、聚焦镜、移动座反射镜、球形关节头组成连接激光发生器与冲击头的多轴系统，工件夹具系统包括覆盖能量转换体的工件、工件夹具、工作台，控制系统由激光位移探针、控制器、计算机、激光控制器组成。连接激光冲击头的轴由移动座反射镜、球形关节头组成，并设有激光位移探针与控制器相连以实现在线检测。

本发明实施过程如下：

(1)根据加工零件的尺寸形状，展开计算毛坯尺寸，激光切割板料至所需毛坯形状，

   作为工件装夹于工作台的工件夹具上；

(2)根据零件形状和用于钢板模具的材料性能，编制NC加工程序用于控制器、激光

   控制器，以控制导光系统、冲击头所走轨迹；

(3)在工件表面覆盖能量转换体，应用高能脉冲激光冲击能量转换体表面，使能量吸

   收层汽化、电离、形成等离子体爆炸，产生高幅冲击波，以此作为材料塑性成形

   的变形力。通过改变激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲形状以及激光光束模式，可

   获取不同时间和空间分布的冲击波压力；

(4)根据优化的激光工艺参数如脉冲能量、光斑尺寸以及激光冲击轨迹和作用区域的

   脉冲次数，通过由移动座、球形关节头组成的多轴导光系统控制有序地进行逐点

   冲击，施加应力脉冲，实现板料精确的局部成形或整体成形；

(5)通过激光位移探针的在线检测装置，测量板料冲击波成形过程中板料的变形量及

   误差，由控制系统调节激光冲击头的离焦量和冲击方向，以及激光脉冲能量，以

   实现对板料的粗冲成形和精冲成形；

(6)修边和适当加固形成钢板模具。

其中粗冲成形即激光冲击头作垂直于板料方向的冲击，将复杂的三维形面根据被冲击材料的塑性变形量沿Z轴方向分解成一系列的二维等高线断面层，然后逐层由激光光斑小曲面冲击该层，即一层一层下冲，最后冲击量总和成形。粗冲成形由于冲击头作等高线运动，致使表面粗糙度较大，且在各次冲击后的搭接处会存在局部凸起Δ。精冲成形是在原有二维分层面轮廓信息上求搭接面轮廓的空间法向矢量，冲击头倾斜，沿轮廓上各离散点法向矢量，采用适当的工艺参数逐层再次冲击。从而更有利于提高冲压成形的精度及降低表面粗糙度，能较好接近原有型面的光顺性。

本发明由于采用激光冲击波作为制作钢板模具的成形力源，因而它是无模具非接触式成形，特别适合于有局部反向拉深及胀形的汽车覆盖件模具制造；由于采用光束导光和分光的光学和光纤装置，以及多轴联动的工作台，所以它可实现水平冲击和沿法向冲击，即三维立体冲击。因为激光参数精确可控，所以重复性好、易实现自动化生产；因为激光光斑尺寸可聚焦至微米量级至厘米级，所以既能进行大板的复杂成形，又可以进行局部微细的定量精确成形。单脉冲冲击波成形的最小可控变形量0.035mm，最大可控变形量达数mm，并可根据零件的曲率半径来调整激光光斑尺寸，常用尺寸为Φ2～Φ10mm，因而所成形的钢板模具尺寸具有较大的调节范围，具有较大的柔性；适应性强，对钢板成形前的表面质量要求低于常规的冲压工艺，且使成形表面的粗糙度提高1～2个等级；因为激光冲击波在材料表面形成硬化层和高幅残余压应力，因此钢板模具具有好的使用性能。同时成形件的表面质量提高，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，可省去后续的加工工序和表面处理工序。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是根据本发明提出的基于激光冲击波技术的快速钢板模具制造的装置示意图。

图2是根据本发明提出的钢板模具激光冲击波成形原理示意图。

图3是钢板模具激光冲击波成形工艺流程图。

图4是单脉冲激光冲击波粗冲成形的典型截面轮廓形状。1.激光器发生器  2.激光束  3.导光管  4.全反镜  5.移动座反射镜  6.移动座反射镜7.球形关节头    8.冲击头  9.工件夹具   10.工件   11.激光位移探针  12.工作台13.数控系统控制器  14.计算机  15.激光控制器  16.能量转换体  17.等离子体

具体实施方式

下面结合图1详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

该装置包括一个激光发生器(1)和导光系统、冲击头(8)、工件夹具系统、控制系统。导光系统包括导光管(3)、全反镜(4)、球形关节头(7)、移动座反射镜(5、6)等，工件夹具系统包括工作台(12)、表面覆盖能量转换体(16)的工件(10)、工件夹具(9)，控制系统由计算机(14)、数控系统控制器(13)、激光位移探针(11)组成。

激光发生器产生能量在10～100焦尔、持续时间为8～80纳秒的激光脉冲，激光束(2)的光斑模式可以是基模、多模等多种模式，其由激光控制器(15)调节和控制。由激光发生器(1)产生的激光束经导光系统由冲击头(8)冲击到工件(10)上。冲击头(8)可绕球形关节头(7)转动，其内有聚焦镜，通过调节冲击头与工件距离，可改变光斑大小。该装置可实现三轴移动和冲击头绕关节的转动，从而实现五轴联动，对工件(10)进行立体成形操作。

如图2所示，经导光系统输出的激光束(2)从冲击头(8)发出，作用在粘附在工件上的能量转换体(16)，能量转换体(16)吸收高能激光后，迅速汽化、电离形成等离子体(17)，等离子体(17)继续吸收激光能量，形成爆轰波，产生向金属板料工件(10)内部传播的高幅冲击波，因其峰值压力远远大于金属板料的动态屈服强度，使金属板料产生变形量h。工件(10)固定在工件夹具(9)上，工件夹具(9)再固定在工作台(12)上。数控系统控制器(13)发出数控指令控制工作台(12)和冲击头(8)作多轴运动，直线运动或转动，从而实现钢板模具的三维立体成形。

如图3所示，激光冲击波成形圆形、非圆形钢板凸模或凹模模具的工艺过程为：

激光切割钢板坯料，装夹在工件夹具上，选用适当的激光参数(光斑尺寸、脉冲宽度、激光能量、光束模式)沿一定的冲击轨迹实施冲击后，板料产生的变形量h1。由激光位移探针检测后，调整冲击头和成形面之间的距离，再以一定参数和轨迹实施第二轮冲击后，板料的变形量增加到h2，如此直到满足模具型面的尺寸要求，实现钢板模具的粗冲成形。通过位移探针检测搭接面区域数据，计算搭接面主法线方向，改变激光冲击头位置，沿法向对搭接面实施冲击，以降低模具型面的粗糙度，实现钢板模具的精冲成形。采用激光切割修整钢板成形件突缘轮廓，对成形的钢板件进行加固，最后成为钢板模具凸模或凹模。由于单脉冲激光冲击波成形的最小可控变形量达0.035mm，最大可控变形量达数mm，并可根据零件的曲率半径来调整激光光斑尺寸、激光能量、冲击间距等参数，故可实现钢板模具的精确成形。

如图4所示，用光斑直径为6mm，脉宽23ns，脉冲形状为准高斯模式，能量为48.5J的激光束单次粗冲覆盖有能量转换体的厚为6mm的40Cr钢板，用Taylor Hobson表面轮廓仪测得的变形轮廓的截面形状。

运用激光冲击波钢板模具成形的实施例表明，采用在线检测和可调的激光参数和数控冲击轨迹，可实现任意复杂的模具型面形状；同时由于激光参数精确可控，致使所成形的模具型面具有较高的精度。这种方法所成形的钢板厚度在4～15mm，尺寸精度在100±0.2mm内，表面粗糙度比原是坯料表面高1～2个数量级。

Claims (6)

1.一种基于激光冲击波技术的快速制模的方法，其特征在于将激光冲击波作为制作钢板模具的成形力源，采用粗冲成形与精冲成形二次成形过程，并设有带激光位移探针的在线检测装置。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击波技术的快速制模的方法，其特征在于粗冲成形为三维型面解成一系列的二维等高线断面层，逐层冲击总和成形；精冲成形为在原有二维分层面轮廓信息上求搭接面轮廓的空间法向矢量，冲击头倾斜，沿轮廓上各离散点法向矢量逐层再次冲击。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击波技术的快速制模的方法，其特征在于粗冲成形所采用的激光参数为：脉冲能量30-100J，脉冲宽度30-80ns，脉冲形状为准高斯模式，所诱导的冲击波的峰值压力2GPa～6GPa；精冲成形的激光参数为：脉冲能量10-30J，脉冲宽度8-30ns，激光光斑尺寸为Φ0.3～4mm，脉冲形状调制为平顶模式，所形成的冲击压力波为矩形脉冲式。

4.一种基于激光冲击波技术的快速制模装置，包括控制系统、工件夹具系统，其特征在于由激光发生器(1)经导光系统连接冲击头(8)组成冲击单元，控制系统分别控制激光发生器(1)、冲击头(8)、工件夹具系统。

5.根据权利要求4所述的一种基于激光冲击波技术的快速制模装置，其特征在于连接激光冲击头的轴由移动座反射镜(5、6)、球形关节头(7)组成。

6.根据权利要求4所述的一种基于激光冲击波技术的快速制模装置，其特征在于设有激光位移探针(11)与激光控制器(5)相连组成在线检测装置。

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