CN1751837A - 水下激光冲击成形的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水下激光冲击成形的方法和装置，其利用激光冲击波作为成形力源，激光控制系统控制激光发生器按预先优化的激光能量、光斑直径、激光模式产生激光脉冲，脉冲激光束经视窗玻璃―水到达预制成一定厚度和密度的吸收层膜带，被吸收层中能量转换体吸收，使吸收层材料汽化、电离产生高温高压气体形成冲击波，冲击波经介质水传递到工件表面，工件在冲击波的作用下成形。通过工作台控制系统控制工件按一定轨迹运动实现逐点冲击。其利用玻璃―水组合作为约束层，解决了水约束层效果差而玻璃约束层易碎的问题，不需对工件进行预处理直接对坯料进行成形加工，达到工件自由成形或模具约束成形，使激光冲击成形批量化连续生产得以实现。

Description

水下激光冲击成形的方法和装置
技术领域：
本发明涉及快速成形领域，特指一种基于激光冲击波技术的水下激光冲击成形的方法和装置，尤其适用于金属板料快速成形的批量生产。
背景技术：
常见的激光冲击波冲击成形技术一般是指在待加工材料表面直接涂布一层黑色涂料，作为激光能量的吸收层，以透光材料如水、玻璃、有机薄膜等作为约束层。激光穿过约束层后为吸收层所吸收，在极短时间内产生高温高压气体形成冲击波，使工件发生变形，达到成形目的。约束层的作用是约束高压气体的扩散，以提高冲击波的峰压并延长冲击波有效峰值作用时间。用玻璃作为约束层其缺点是玻璃易被冲击波击碎使激光冲击成形的实用性降低，而以水、有机薄膜等做约束层，冲击波峰压提高有限。另外在工件上直接涂布吸收层材料，增加了工件表面残余涂料的清理工作，而且涂层的厚度、均匀性不易控制，导致工件成形质量难以掌握，制约了激光冲击成形的批量生产。
本发明最为接近的技术是水下爆炸成形技术。水下爆炸成形是将工件和炸药放置在水下进行爆炸成形，利用水的约束作用增强爆轰波强度和传递爆轰波，由于爆轰波在水中传播会发生衰减，调节炸药和工件之间的距离就可以粗略调节爆轰波的强度。水下爆炸成形由于爆轰波不易精确控制因而成形精度差，同时炸药爆炸具有一定的危险性。而水下激光冲击成形同样利用水约束汽化物的扩散来增强冲击波强度和利用水传递冲击波，但激光参数精确可控，容易实现精确成形，且无安全方面的问题。
发明内容：
本发明的目的是要提供激光冲击成形实用化和批量生产的水下激光冲击成形的方法和装置，不需对工件进行预处理直接对坯料进行成形加工，达到工件自由成形或模具约束成形。
本发明实施的装置包括激光发生器、激光控制系统、工件模具系统、工作台及工作台控制装置，其特征是具有可调节玻璃与吸收层之间距离的可调视窗系统，可以自动更换的膜带及膜带进给装置，可安装多个模具能够实施连续加工的工件夹具系统以及供水系统。
其中可调视窗由视窗座、视窗调节支架、视窗玻璃、视窗玻璃压盖依次连接而成。膜带进给系统由膜带卷筒及依附其上的吸收层膜带，固定膜带卷筒的卷带支架与卷带支架压紧螺钉组成。供水系统由位于水槽上方的进水管、水槽及水槽下部的排水缝隙及排水孔和位于水槽上安装视窗座的圆孔内的“O”型密封圈组成。工件模具系统由工件、压边圈、模具依次组合放置在可安装多个模具并能旋转换位的转盘及支架而成。
可调视窗系统通过视窗调节支架和水槽连接在一起，供水系统通过水槽固连在支架上，而工件模具系统由转盘通过旋转副安装于支架上，膜带进给系统通过卷带支架压紧螺钉将卷带支架安装在水槽内，这样可调视窗系统、供水系统、膜带进给系统和工件模具系统构成一个整体并通过支架安装在工作台上。
本发明方法是利用激光冲击波作为成形力源，激光控制系统控制激光发生器按预先优化的激光能量、光斑直径、激光模式产生激光脉冲，脉冲激光束经视窗玻璃一水到达预制成一定厚度和密度的吸收层膜带，被吸收层中能量转换体吸收，使吸收层材料汽化、电离产生高温高压气体形成冲击波，冲击波经介质水传递到工件表面，工件在冲击波的作用下成形。通过工作台控制系统控制工件按一定轨迹运动实现逐点冲击。更新工件后转动膜带卷筒，移去被烧灼过的材料，使新膜带对准工件，即可进行新一轮加工。
本发明的实施过程如下：
1.根据零件变形要求制作相应宽度、厚度和能量转换体密度的膜带。
2.根据零件变形要求制作相应模具。
3.根据零件变形要求编制工作台控制程序，用于控制工作台的运动路径。
4.将工件安装到夹具上，膜带安装到膜带进给装置上，槽内注水并保持一定水位。
5.根据工件变形要求调整激光光斑大小、激光功率等。
6.根据工件变形量要求调整视窗位置和膜带位置。
7.根据工艺要求优化后的激光脉冲光束通过视窗玻璃、水照到吸收层上，使吸收层材料汽化、电离产生冲击波，冲击波经水传导到工件表面，在冲击波作用下工件发生变形。利用工作台控制系统控制工件按一定轨迹移动，逐点冲击，实现工件精密成形。
8.旋转转盘，使安装在另一模具上的工件沉入水槽，更换膜带并进行加工，并卸下加工好的工件。
本发明采用玻璃—水组合作为约束层，一方面利用水的缓冲作用降低冲击波对玻璃的冲击破坏，保护玻璃不被冲击波击碎。另一方面利用玻璃的刚性反射的二次冲击波继续对工件加载，延长冲击波有效压力维持时间，增加激光一次冲击的工件变形量，效果比单独用水膜做约束层要好得多。由于采用了玻璃—水做约束层，因而约束层和工件无需机械压紧，只需将工件浸入水中即可，从而使批量性连续生产得以进行。而把吸收层预制成膜带，能量转换体的含量、均匀性等可以有效控制，无需在每一个工件表面涂布能量转换体，既节省了工件预处理和残余吸收层材料清理时间，又避免了单独涂布时吸收层的厚度、均匀性无法可靠控制的问题。另外，将夹具安装底座制成多工位盘形结构，实现了边加工边安装，大大提高了生产效率。
附图说明：
下面结合图1对本发明作进一步说明：
图1是根据本发明提出的水下激光冲击成形装置的示意图。
图2是膜带进给系统示意图。
1.激光发生器  2.激光束  3.视窗座  4.调节调节支架  5.视窗玻璃  6.视窗玻璃压盖  7.进水管  8.“O”型密封圈  9.水槽  10.排水孔  11.排水缝隙  12.吸收层膜带13.膜带卷筒  14.卷带轴  15.卷带调节支架  16.压紧螺钉  17.压边圈  18.工件  19.模具  20.转盘  21.支架  22.工作台  23.工作台控制装置  24.激光发生器控制装置25.数字控制装置  26.计算机
具体实施方式：
下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
本装置包括激光发生器1、激光发生器控制装置24、可调视窗系统、卷膜进给系统、工件模具系统、供水系统、可控工作台22及工作台控制装置23、数字控制装置25及计算机26。
其中可调视窗系统由视窗座3、视窗调节支架4、视窗玻璃5、视窗玻璃压盖6组成，卷膜进给系统由膜带12、卷带支架15、卷带支架压紧螺钉16、膜带卷筒13组成，工件夹具系统包括压边圈17、工件18、模具19、转盘20、支架21组成，供水系统包括进水管7、水槽9、排水孔10、排水缝隙11、“O”型密封圈8。
可调视窗系统通过视窗调节支架4和水槽9连接在一起，供水系统通过水槽9固联在支架21上，而工件模具系统则由转盘20通过旋转副安装中支架21上，膜带进给系统通过卷带调节支架15安装在水槽9内。这样可调视窗系统、供水系统、膜带进给系统和工件模具系统构成一个整体并通过支架21安装在工作台22上。
转盘上可安装多副模具，把工件用压边圈17固定在模具18上，转动转盘19将工件沉入水下(在模具和转盘上有孔与外部大气连通以利排气，避免工件背面有水时产生背压影响工件成形；转盘和水槽之间的间隙用于排水，又保证转盘可自由转动)。根据工件形状及变形要求调整膜带到工件的距离，并根据激光能量大小调整视窗位置。水槽注水并保持一定水位。
激光发生器产生能量在10～100焦耳，持续时间8～80纳秒的激光脉冲，激光束的光斑模式可以是基模、多模等多种模式，由激光发生器的控制装置控制和调节。
激光发生器产生的激光脉冲光束经导光系统由视窗玻璃、水传到吸收层膜带上，被其中的能量转换体吸收并引起膜带材料的汽化、电离产生冲击波，冲击波经水传递到工件表面使工件产生变形。通过工作台控制装置控制工作台按预定轨迹移动，逐点冲击，实现工件的精密成形。
更新工件后转动膜带卷筒，移去被烧灼过的材料，使新膜带对准工件，即可进行新一轮加工。

Claims (4)

1.水下激光冲击成形装置，其特征在于包括激光发生器(1)、激光控制系统(24)、工件模具系统、工作台(22)及工作台控制装置(23)，其特征是具有可调节玻璃与吸收层之间距离的可调视窗系统，可以自动更换的膜带及膜带进给装置，可安装多个模具能够实施连续加工的工件夹具系统以及供水系统；
其中可调视窗由视窗座(3)、视窗调节支架(4)、视窗玻璃(5)、视窗玻璃压盖(6)依次连接而成；膜带进给系统由膜带卷筒(13)及依附其上的吸收层膜带(12)，固定膜带卷筒的卷带支架(15)与卷带支架压紧螺钉(16)组成；供水系统由位于水槽上方的进水管(7)、水槽(9)及水槽下部的排水缝隙(11)及排水孔(10)和位于水槽上安装视窗座的圆孔内的“O”型密封圈(8)组成；工件模具系统由工件(18)、压边圈(17)、模具(19)依次组合安装在可安装多个模具并能旋转换位的转盘(20)及支架(21)而成；
可调视窗系统通过视窗调节支架(4)和水槽(9)连接在一起，供水系统通过水槽(9)固连在支架(21)上，而工件模具系统由转盘(20)通过旋转副安装于支架(21)上，膜带进给系统通过卷带支架压紧螺钉(16)将卷带轴调节支架(15)安装在水槽(9)内，这样可调视窗系统、供水系统、膜带进给系统和工件模具系统构成一个整体并通过支架(21)安装在工作台(22)上。
2.水下激光冲击成形的方法，其特征在于利用激光冲击波作为成形力源，激光控制系统控制激光发生器按预先优化的激光能量、光斑直径、激光模式产生激光脉冲，脉冲激光束经视窗玻璃-水到达预制成一定厚度和密度的吸收层膜带，被吸收层中能量转换体吸收，使吸收层材料汽化、电离产生高温高压气体形成冲击波，冲击波经介质水传递到工件表面，工件在冲击波的作用下成形。
3.根据权利要求2所述的水下激光冲击成形的方法，其特征在于通过工作台控制系统控制工件按一定轨迹运动实现逐点冲击。
4.根据权利要求2所述的水下激光冲击成形的方法，其特征在于更新工件后转动膜带卷筒，移去被烧灼过的材料，使新膜带对准工件，即可进行新一轮加工。
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