專利名稱：一種激光沖擊精密成形方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機械制造領(lǐng)域，特指一種激光沖擊精密成形方法及裝置，其適用于金屬薄板的成形，特別適合于常規(guī)方法難以成形或根本無法成形的材料成形，如結(jié)構(gòu)鋼、鈦合金、復(fù)合材料等，也可用于桿件的校形。
經(jīng)檢索有美國加州大學(xué)HACKEL LLOYD和HARRIS FRITZ申請的專利“CONTOUR FORMIMGOF METALS BYLASER PEENING”專利號WO0105549，該專利提出用激光錘擊金屬板材表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，再利用殘余應(yīng)力釋放產(chǎn)生微曲度進行的微變形成形，通過各點每次錘擊的微曲度的累積或在同一點實施多次沖擊，就可取得更大尺寸的彎曲。
具體實施方式
為首先在金屬材料表面固定一層激光能量吸收層，其由聚乙酸乙烯脂塑料和聚氯乙烯塑料組成，然后在能量吸收層表面用1mm厚的水作為惰性約束層。用高功率釹玻璃激光裝置產(chǎn)生的脈沖寬度10ns~20ns的激光束(波長1.06μm)錘擊金屬表面的能量吸收層，形成60J~200J/cm2的能量束，能量吸收層吸收激光后產(chǎn)生惰性約束等離子體。等離子體產(chǎn)生的壓力在10,000~100,000個大氣壓范圍內(nèi)，這使沖擊壓力超過了金屬的彈性極限，從而使金屬表面形成深甚至超過1mm的壓應(yīng)力層。應(yīng)力使金屬最表層產(chǎn)生應(yīng)變，結(jié)果導(dǎo)致金屬彎曲。其缺點如下(1)由于是利用殘余壓應(yīng)力發(fā)生的應(yīng)變而產(chǎn)生彎曲，所以變形量小；(2)通過逐點錘擊產(chǎn)生的應(yīng)力分布來控制大面積的彎曲，這在實際應(yīng)用中很困難；(3)在激光沖擊前必須在待沖擊表面敷能量吸收層，再在涂層上用水作約束層。這種分開式處理方法，造成激光能量利用率低、數(shù)據(jù)不穩(wěn)、可靠性差等缺點，而且還需一道去除殘留能量吸收層的后處理工序。用水作約束層時需額外的供水系統(tǒng)，并使工裝夾具變復(fù)雜，且激光錘擊過程中水的飛濺難以控制，易損壞光學(xué)鏡片等，(4)成形材料和工藝單一，只是對金屬材料錘擊的彎曲成形和桿件校形。
本發(fā)明是按下述技術(shù)方案實現(xiàn)的它由激光器、外光路系統(tǒng)、工裝夾具系統(tǒng)，控制系統(tǒng)組成，其成形方法的特征在于由激光器發(fā)出的激光束通過外光路系統(tǒng)傳輸?shù)桨惭b在夾具中的工件表面，粘貼在工件表面的柔性貼膜受到激光誘導(dǎo)的沖擊波作用而壓向工件，并使工件產(chǎn)生快速的塑性變形。
可通過改變激光脈寬、能量、光束直徑、重復(fù)頻率等激光參數(shù)來調(diào)整沖擊壓力的大小，通過控制沖擊位置和各點沖擊力的大小，就可獲得精確的工件輪廓。
其成形裝置的特征在于工裝夾具系統(tǒng)由工作臺、夾具座、上夾板，下夾板，試樣體系組成。
試樣體系由工件表面貼設(shè)柔性貼膜構(gòu)成一體式的透明約束層和能量吸收層。激光沖壓精密成形裝置的激光沖擊頭內(nèi)設(shè)有聚焦鏡組，其包含聚焦鏡、可旋轉(zhuǎn)反射鏡、三棱鏡等。激光器內(nèi)的調(diào)制器產(chǎn)生的激光束的脈沖寬度為4ns～10ns。在激光器發(fā)出激光的同時，夾載試樣體系的工作臺和激光沖擊頭同時按數(shù)控指令向待沖擊位置作三維運動，從而達到控制沖擊位置的目的。
本發(fā)明提出高性能激光沖擊精密成形技術(shù)，它直接利用強脈沖激光束(功率密度大于109W/cm2，脈沖寬度8-30ns)沖擊工件表面的柔性貼膜，使其表層氣化電離并形成沖擊波，由于產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值超過材料動態(tài)屈服強度，這使成形材料發(fā)生明顯塑性變形，這不同于應(yīng)用殘余應(yīng)力釋放彎曲成形中局部沖擊不產(chǎn)生明顯塑性變形而只是宏觀材料變形，然后通過逐點沖擊和有序的沖擊點分布獲得大面積復(fù)雜形狀。成形材料包括金屬、復(fù)合材料、塑料，以及鍍有脆性涂層(如TiN)的金屬薄板沖擊成形。能有效地對金屬材料、無機材料、高分子材料及復(fù)合材料等多種材料進行局部脹形、彎曲、拉伸、板料校平、桿件校直校曲，是集多種成形方式為一體的無模復(fù)雜成形。如果采用預(yù)先制作好的凹模，那么又可以進行沖壓仿形。
本發(fā)明具有如下技術(shù)優(yōu)勢(1)在工件表面采用柔性貼膜，其具有能量吸收層及約束層的雙重功能。這種雙層柔性帖膜覆蓋與待處理工件表面，不僅提高了激光能量利用率，而且使激光沖擊能方便地處理非平面區(qū)域，如圓角、曲面等。
(2)激光沖擊成形系統(tǒng)裝置采用產(chǎn)生脈沖寬度為4ns~10ns脈沖能量0J~50J的強激光束，由于提高了激光功率，因而產(chǎn)生了更高峰壓的沖擊波，其峰壓達數(shù)Gpa。同時，通過改變激光棒晶體材料，也可以產(chǎn)生波長更短更易被柔性貼膜吸收的激光束，如紅寶石晶體(波長0.694μm，吸收率比1.06μm高得多)。
(3)金屬板材沖擊成形后表面形成了很深的高幅值殘余壓應(yīng)力，可顯著提高疲勞壽命。如3mm厚的2024鋁合金沖擊成形后表面形成-235MPa至-300MPa的殘余壓應(yīng)力，根據(jù)我們所做的激光沖擊強化實驗結(jié)果，此狀態(tài)可提高疲勞壽命4倍以上。這特別適合于制造有抗疲勞性能要求的鈑金件，如飛機機翼蒙皮等，可減去常規(guī)的強化工藝。
(4)可實現(xiàn)小曲率板材彎曲成形。由于是全塑性彎曲，無回彈，解決了常規(guī)工藝反復(fù)試模費工費事費錢的缺點。
(5)可實現(xiàn)難成形材料的成形，如鈦合金導(dǎo)彈尾翼的彎曲精密成形。
(6)成形精確，成本低，速度快，特別適合于批量少的新品研制。僅估算激光沖擊凹模仿形，就可節(jié)約一半模具。另在優(yōu)化控制激光沖擊成形工藝參數(shù)的條件下，可以實現(xiàn)無模成形。
(7)除了可對薄板沖壓成形外，還可對厚達20mm的金屬厚板彎曲成形。此外還可對高強度結(jié)鋼、鈦合金、塑料及復(fù)合材料等多種材料冷沖壓成形，甚至對脆性材料彎曲成形，實現(xiàn)脆塑的動態(tài)轉(zhuǎn)變，如對鍍TiN(5μm厚)的鏡面不銹鋼板進行沖擊拉伸成形，TiN涂層表面形成塑性滑移線且附著良好，無裂紋。這些特殊的用途是其它成形方法無法替代。
(8)本發(fā)明采用光束導(dǎo)光和分光裝置，以及多軸連動的工作臺，所以它能實現(xiàn)三維立體沖擊，并可進行多工位或多點同時工作，成形速度快且易實現(xiàn)程序自動控制。因為激光光斑尺寸可調(diào)，所以既能進行大板的復(fù)雜成形，又可以進行局部微細成形，實現(xiàn)定量精確成形。因為沖擊參數(shù)的定量控制，所以重復(fù)性好、易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。
(9)由于激光沖擊在材料表面形成硬化層和高幅殘余壓應(yīng)力，因此提高了材料成形的穩(wěn)定性，幾乎無回彈。同時材料沖擊后材料表面質(zhì)量提高，如表面粗糙度降低，硬度提高、晶粒細化、工件抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能大幅提高。
激光沖擊精密成形裝置由控制系統(tǒng)13、激光器1，激光沖擊系統(tǒng)、工裝夾具系統(tǒng)組成。激光沖擊系統(tǒng)由導(dǎo)光和分光系統(tǒng)2、透射鏡3、可旋轉(zhuǎn)反射鏡4、光學(xué)透鏡組5、激光沖擊頭6、聚焦鏡組7組成。工裝夾具系統(tǒng)由工作臺8、夾具座9、上夾板10，下夾板11，試樣體系12、成形工件16組成。圖2是柔性貼膜的組成圖，它包含構(gòu)成柔性貼膜的約束部分14和構(gòu)成柔性貼膜的能量吸收部分15，這是兩個具有不同功能的組成部分。前者起約束高溫等離子體膨脹，后者起提高激光吸收率的作用。


圖1是激光沖擊精密成形裝置示意圖，成形工件16表面經(jīng)柔性貼膜覆蓋后，用上下帶中心孔的上夾板10和下夾板11或凹模18緊緊夾在中間，在凹模18上特設(shè)排氣孔19。激光束17經(jīng)聚焦后直接輻射柔性貼膜，柔性貼膜中能量吸收部分15瞬時汽化并形成高溫等離子體，它們膨脹受柔性貼膜中透明約束部分14的限制，這樣，等離子體劇烈升溫進而劇烈爆炸，產(chǎn)生向成形工件16內(nèi)部傳播的高幅沖擊波，調(diào)整激光沖擊參數(shù)，可形成預(yù)定幅值的成績波加載。當沖擊波峰壓超過金屬材料動態(tài)屈服強度時，材料屈服，并產(chǎn)生動態(tài)塑性變形，圖3是激光沖擊平板凹模仿形微區(qū)激光單次沖擊示意圖。激光束17輸出后，作用在構(gòu)成柔性貼膜的能量吸收層15上，成形工件16和柔性貼膜被夾緊在上夾板10和凹模18之間。根據(jù)板料成形尺寸大小，可采用單點單次或多次沖擊或多點分布沖擊形式實現(xiàn)局部脹形，如直徑1厘米以下脹形可采用單點單次沖擊。
圖4是激光沖擊平板一維彎曲的成形示意圖。激光束17輸出沖擊到平板試樣體系12上，平板試樣體系被工件夾具座9單邊夾緊，并采用多點分布沖擊。如圖中所示在沿彎曲的垂直方向上進行行內(nèi)密排、平行、變間距形式(d1、d2、d3…..)進行系統(tǒng)分布沖擊。沖擊過程夾板逐步旋轉(zhuǎn)，以保證激光束與板料相對垂直。
圖5是激光沖擊彎桿校直的成形示意圖。激光束17輸出，沖擊到桿件試樣體系12的凹側(cè)，根據(jù)局部曲率大小，不斷改變沖擊參數(shù)逐點沖擊從而實現(xiàn)桿件校直。
更多的成形事例不便勝舉，控制方式和沖擊形式的變化都可能實現(xiàn)不同的成形方式，這里僅闡明它的技術(shù)方案和部分實施例。
權(quán)利要求
1.一種激光沖擊精密成形方法，其特征在于由激光器發(fā)出的激光束通過外光路系統(tǒng)傳輸?shù)桨惭b在夾具中的工件表面，粘貼在工件表面的柔性貼膜受到激光誘導(dǎo)的沖擊波作用而壓向工件，并使工件產(chǎn)生快速的塑性變形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊精密成形方法，其特征在于通過改變激光脈寬、能量、光束直徑、重復(fù)頻率等激光參數(shù)來調(diào)整沖擊壓力的大小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊精密成形方法，其特征在于通過控制沖擊位置和各沖擊點的沖擊力的大小，可獲得精確的工件輪廓。
4.為實施權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊精密成形方法的裝置，其由激光器(1)，外光路系統(tǒng)(2)，工裝夾具系統(tǒng)，控制系統(tǒng)(13)組成，其特征在于工裝夾具系統(tǒng)由工作臺(8)、夾具座(9)、上夾板(10)，下夾板(11)，試樣體系(12)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種激光沖擊精密成形裝置，其特征在于試樣體系(12)由成形工件(16)表面貼設(shè)柔性貼膜構(gòu)成一體式的透明約束層(14)和能量吸收層(15)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種激光沖擊精密成形裝置，其特征在于外光路系統(tǒng)(2)的激光沖擊頭(6)內(nèi)設(shè)有由聚焦鏡、可旋轉(zhuǎn)反射、三棱鏡組成的聚焦鏡組(7)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種激光沖擊精密成形裝置，其特征在于激光器(1)內(nèi)的調(diào)制器產(chǎn)生的激光束的脈沖寬度為4ns～10ns。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種激光沖擊精密成形裝置，其特征在于夾載試樣體系的工作臺(8)和激光沖擊頭(6)可按數(shù)控指令向待沖擊位置作三維運動。
全文摘要
本發(fā)明涉及機械制造領(lǐng)域,特指一種激光沖擊精密成形方法及裝置,其適用于金屬薄板的成形,特別適合于常規(guī)方法難以成形或根本無法成形的材料成形,其裝置由激光器(1),外光路系統(tǒng)(2),工裝夾具系統(tǒng),控制系統(tǒng)(13)組成,工裝夾具系統(tǒng)由工作臺(8)、夾具座(9)、上夾板(10),下夾板(11),試樣體系(12)組成。成形方法由激光器發(fā)出的激光束通過外光路系統(tǒng)傳輸?shù)桨惭b在夾具中的工件表面,粘貼在工件表面的柔性貼膜受到激光誘導(dǎo)的沖擊波作用而壓向工件,并使工件產(chǎn)生快速的塑性變形。本發(fā)明能實現(xiàn)三維立體沖擊,既能進行大板的復(fù)雜成形,又可以進行局部微細成形,可實現(xiàn)定量精確成形,重復(fù)性好、易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。
文檔編號B23K26/00GK1374165SQ0113406
公開日2002年10月16日 申請日期2001年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月19日
發(fā)明者張永康, 周明, 周建忠 申請人:江蘇大學(xué)