CN2496591Y - 激光冲压精密成形装置 - Google Patents
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Abstract
一种激光冲压精密成形装置,主要用于各种常用金属成形材料,特别是常规方法难以成形的材料的激光冲压精密成形。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,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,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),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)。由于冲击参数的定量控制,所以重复性好、易实现自动化生产。
Description
一、技术领域
本实用新型涉及机械制造领域，特指一种激光冲压精密成形装置。
二、背景技术
目前，国内外用于金属薄板塑性成形装置包括冲床、爆炸成形设备、喷丸成形机等。最常见的冲床与成套模具配合而生产出各种钣金件，即所谓的冲压成形。其缺点是模具费用高，生产周期长，而且仅能对低碳薄板(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。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。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 BY LASER 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。且在激光冲击前必须在待冲击表面敷一层吸光材料涂层，即能量吸收层。再在涂层上覆盖一层透明材料，即约束层。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，成本高且效果差，而且水飞溅易造成光学元件的损坏，尤其是聚焦镜的损伤。且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；而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；同时成形工艺单一，仅仅是金属板材的弯曲成形；成形材料单一，仅仅是对金属材料锤击成形。
三、发明内容
本实用新型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装置。
本实用新型的目的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。外光路系统的激光冲击头内设有由聚焦镜、可旋转反射镜、三棱镜组成的聚焦镜组。激光器内的调制器产生的激光束的脉冲宽度为4ns～10ns。
其工作过程为：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。通过控制激光参数就可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。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，实现三维冲击成形。
本实用新型是直接利用本激光冲压成形装置产生的冲击波对板材进行冲压成形，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。
其优点在于：
(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，提高了激光能量利用率，使激光冲击不仅能处理平面型区域，而且能方便地处理非平面区域，如圆角、曲面等。
(2)在外光路系统中，采用光学透镜的导光分光体系，通过调节冲击头与工件距离，可改变光斑大小，通过调节平面反射镜和入射光束的夹角，以及激光冲击头内的聚焦镜组，可实现激光束斜角冲击，从而适合于不同的冲击成形工艺，如局部胀形、弯曲、校形等。
(3)在激光器的光路系统中，采用的调制器可使激光器产生脉冲宽度为4ns～10ns脉冲能量50J的强激光束，提高了激光功率，从而产生了更高峰压的冲击波。也可通过改变激光棒晶体材料，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)。
(4)在控制系统，采用自行开发的控制软件，建立了数据库，配以专用夹具，实现了板材的无模具冲压成形。具有成形速度快，生产成本低的特点。由于采用光束导光和分光技术，以及多轴连动的工作台，所以它能进行多工位或多点同时工作，而且实现程序自动数控。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，实现定量精密成形。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。
(5)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激光冲击成形装置的示意图图2激光冲击成形试样体系示意图图3激光冲击成形曲面试样体系示意图图4激光冲击平板局部胀形成形微区单次冲击示意图图5激光冲击平板大区域多点逐次冲击成形示意图图6激光冲击平板一维弯曲的成形示意图图7激光冲击弯杆校直的成形示意图
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单次激光冲击光斑
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。
该装置由控制系统13、激光器1，激光冲击系统、工装夹具系统组成。激光冲击系统由外光路系统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。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。
如图1所示，激光器1产生高能脉冲激光束17，最大输出能量50焦尔、脉冲宽度4～10纳秒的激光脉冲。它首先进入经过外光路系统2，引入到激光冲击头6，通过调节外光路系统2中的反射镜角度，使其按设定入射角进入激光冲击头6，经聚焦镜垂直入射或斜入射冲击到工作台8上。在工作台8上放置试样夹具座9，在夹具座9上安置上夹板10和下夹板11，将试样体系12安装在其中，试样体系12中处理面朝向激光入射方向。根据光束可分特点，激光冲击系统可以进行单工位或多工位或更多工位的立体成形操作。激光冲击头6内有聚焦镜组7通过调节激光冲击头6与成形工件16距离，可改变光斑大小，通过调节可旋转平面反射镜与聚焦入射光束的夹角，可实现激光束斜角冲击。
如图2所示，经图1中外光路系统2从激光冲击头6输出的激光束17，透过构成柔性贴膜的透明约束层14，冲击到构成柔性贴膜的能量吸收层15上。试样体系12固定在上夹板10和下夹板11之间，试样夹具座9再固定在工作台8上。数控系统发出数控指令控制工作台8和激光冲击头6作多轴直线或旋转运动，从而实现三维立体冲击。
图3是激光冲击成形曲面试样体系示意图。在曲面成形工件16上，经图1中外光路系统2从激光冲击头输出的激光束17，沿曲面法向作用在柔性贴膜上。
图4是激光冲击平板局部胀形成形微区单次冲击示意图。激光束17经激光冲击头6输出，作用在柔性贴膜上，成形工件16及柔性贴膜被夹紧在上下两个带中心孔的夹板10和11之间，工件夹具座9再固定在工作台8上。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激光冲击光斑18冲击。
图5是激光冲击平板大区域多点逐次冲击成形示意图。其中阴影部分小圆光斑为单次激光冲击光斑18。采用多点分布冲击，最终实现大区域成形。
图6是激光冲击平板一维弯曲的成形示意图。激光束17经激光冲击头6输出，冲击到平板试样体系12上，平板试样体系12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7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 (4)
1、激光冲压精确成形装置，由激光器(1)，外光路系统(2)，工装夹具系统，控制系统(13)组成，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。
2、根据权利要求1所述的激光冲压精密成形装置，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)。
3、根据权利要求1所述的激光冲压精密成形装置，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)。
4、根据权利要求1所述的激光冲压精密成形装置，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。
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