專利名稱：一種板材成形的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光加工領(lǐng)域，特指一種板材經(jīng)過(guò)激光預(yù)加熱軟化和沖擊成形方法和裝置，特別適用于高強(qiáng)度金屬板材的成形。
背景技術(shù)：
金屬板料塑性成形作為板材深加工主要方法，已在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶工業(yè)、汽車覆蓋件、電子、儀表等生產(chǎn)行業(yè)。板料塑性成形的方法有模具沖壓成形、激光熱應(yīng)力成形和激光沖擊成形。傳統(tǒng)的模具沖壓成形是將金屬板材置于模具上，在壓力機(jī)作用下，在板材內(nèi)部產(chǎn)生使之變形的內(nèi)力，當(dāng)內(nèi)力的作用達(dá)到一定程度時(shí)，就獲得一定的形狀的零件，雖然操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，但是生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，加工柔性差，模具費(fèi)用大，制造成本高等不足，且模具冷沖壓成形僅適用于低碳鋼、鋁合金以及銅等塑性好的材料。
激光熱應(yīng)力成形，也稱激光彎曲，它是利用激光輻照在材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)的來(lái)成形的，即用高能激光束掃描金屬薄板時(shí)，在激光束輻照的區(qū)域形成了對(duì)空間和時(shí)間梯度都很大的不均勻溫度場(chǎng)，從而誘發(fā)在板材厚度方向上不平衡的應(yīng)力使板材發(fā)生變形的。具有生產(chǎn)周期短、柔性大，能成形在常溫下難以成形的脆性材料等優(yōu)點(diǎn)，但是在加工過(guò)程中，誘導(dǎo)的熱應(yīng)力需超過(guò)材料的屈服極限，板材才能變形，因此板材需要深度加熱，成形件的表面質(zhì)量難以控制。
激光沖擊成形是利用短脈沖的強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生沖擊波的力效應(yīng)使板料發(fā)生塑性變形的成形方法，即高能短脈沖激光束穿過(guò)透明約束層照射到涂覆在金屬板料表面的能量吸收層上，能量吸收層吸收激光能量后氣化，氣化后的蒸汽吸收激光能量形成等離子體，等離子體繼續(xù)吸收能量發(fā)生爆炸，形成沖擊波，當(dāng)沖擊波峰值壓力大于材料的動(dòng)態(tài)屈服極限時(shí)，板料發(fā)生塑性變形，通過(guò)多點(diǎn)多次沖擊即可完成板材的大面積成形。其加工的柔性大，加工板料表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，例如專利申請(qǐng)?zhí)枮?1134063，“一種激光沖擊精密成形的方法和裝置”，但是在激光沖擊成形過(guò)程中，板料變形量微小，對(duì)于高強(qiáng)度合金鋼，板材變形量更小，甚至沒有變形，而且沖擊加工過(guò)程中伴隨著沖擊強(qiáng)化，使后續(xù)的沖擊更難實(shí)現(xiàn)變形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種板材大面積變形的方法和裝置，克服了激光熱應(yīng)力成形表面質(zhì)量差和激光沖擊成形變形量小等不足，它能直接對(duì)板材料進(jìn)行成形，使板材沖擊時(shí)具有較大的變形量，較高的尺寸精度，較好的表面質(zhì)量，可直接作為板料成形的工具。
本發(fā)明方法用二氧化碳激光作為板材預(yù)加熱，紅外測(cè)溫儀測(cè)控板材加熱的溫度，釹玻璃激光器為其提供誘導(dǎo)沖擊波產(chǎn)生的短脈沖的強(qiáng)激光，激光沖擊波作為制作板材的成形力源，并帶有板材變形量的測(cè)量反饋裝置。
實(shí)施該方法的裝置包括激光加熱系統(tǒng)、激光沖擊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)、測(cè)量反饋系統(tǒng)。激光加熱系統(tǒng)包括二氧化碳激光器、導(dǎo)光管、全反射鏡、光斑調(diào)節(jié)裝置，光斑調(diào)節(jié)裝置中有聚焦鏡；導(dǎo)光管依次把二氧化碳激光器、全反射鏡和光斑調(diào)節(jié)裝置連接起來(lái)，把二氧化碳激光器產(chǎn)生的連續(xù)激光傳遞到工件需要加熱的表面；激光沖擊系統(tǒng)包括釹玻璃激光器、導(dǎo)光管、全反射鏡、光斑調(diào)節(jié)裝置，光斑調(diào)節(jié)裝置中有聚焦鏡，導(dǎo)光管把釹玻璃激光器、全反射鏡、光斑調(diào)節(jié)裝置連接起來(lái)，把釹玻璃激光器產(chǎn)生的脈沖激光傳遞并能聚焦到工件的表面待沖擊的區(qū)域；激光加熱系統(tǒng)和激光沖擊系統(tǒng)中的聚焦鏡光軸位于工件待沖擊面的法線上，工件夾具系統(tǒng)包括工件、工件夾具、五軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)、覆蓋在工件二側(cè)表面的能量吸收層，工件裝夾于工件夾具中，并將工件夾具置于五軸聯(lián)動(dòng)的工作臺(tái)上；測(cè)量反饋系統(tǒng)包括紅外測(cè)溫反饋裝置和位移測(cè)量反饋裝置，控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、中央控制處理器、二氧化碳激光器控制器、釹玻璃激光器控制器組成，其中由計(jì)算機(jī)輸入板料加工信息，并把處理和轉(zhuǎn)換的信息傳遞給中央控制處理器以控制二氧化碳激光發(fā)生器、光斑調(diào)節(jié)裝置、釹玻璃激光器、紅外測(cè)溫反饋裝置、位移測(cè)量反饋裝置、五軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)，同時(shí)中央控制處理器接受和處理反饋信息；測(cè)量反饋系統(tǒng)包括紅外測(cè)溫反饋裝置和位移測(cè)量反饋裝置，紅外測(cè)量反饋裝置和位移測(cè)量反饋裝置分別收集溫度信息和位移信息，并反饋給中央控制處理器。
本發(fā)明實(shí)施過(guò)程如下(1)根據(jù)加工工件的尺寸形狀，展開計(jì)算毛坯尺寸，激光切割板料至所需毛坯形狀，并把表面涂有能量吸收層的工件裝夾于夾具上；(2)二氧化碳激光器的控制器接受到工作指令，使受控的二氧化碳激光器開始工作，發(fā)出的二氧化碳激光輻照在吸收層上，使工件待沖擊的區(qū)域加熱；(3)加熱區(qū)域發(fā)出紅外線傳到紅外測(cè)溫反饋裝置上，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定的溫度時(shí)，紅外測(cè)溫反饋裝置將信息反饋給中央控制處理器，使二氧化碳激光器停止工作，并使釹玻璃激光器開始工作；
(4)當(dāng)釹激光激光器發(fā)出的優(yōu)化的激光脈沖輻照在工件表面的能量吸收層上，能量吸收層吸收能量后汽化、電離、形成等離子體，等離子體繼續(xù)吸收激光的能量爆炸，產(chǎn)生高幅沖擊波，使材料發(fā)生塑性成形；(5)位移測(cè)量反饋裝置接受工作指令，測(cè)量沖擊點(diǎn)的變形量，并把信息反饋給中央控制處理器；隨后五軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，在新的區(qū)域再加熱、再?zèng)_擊，再測(cè)量，通過(guò)由五軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)有序地進(jìn)行逐點(diǎn)沖擊，形成板料初步成形的形狀和相應(yīng)的信息；(6)根據(jù)板料沖擊后反饋的信息，激光控制器優(yōu)化后續(xù)激光沖擊過(guò)程中的工藝參數(shù)，如激光能量、脈沖寬度、光斑尺寸、加熱時(shí)間和沖擊次數(shù)，以獲取不同的變形量，實(shí)現(xiàn)板料精確的局部成形或整體成形。
本發(fā)明由于先采用二氧化碳激光對(duì)板料進(jìn)行加熱軟化，使板材的屈服極限大幅下降，并具使材料具有良好的塑性，因此在其它參數(shù)相同的情況下，沖擊時(shí)的變形量比不加熱沖擊時(shí)大，這將有利于減少了成形時(shí)沖擊的次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)使高強(qiáng)度的合金鋼的沖擊成形容易，使激光沖擊成形具有很大的實(shí)用性和通用性，同時(shí)也降低了對(duì)激光器輸出功率的要求，為中小功率激光器在板料塑性成形方面開辟了新的領(lǐng)域；與激光熱應(yīng)力成形相比，激光沖擊成形中的加熱用來(lái)達(dá)到軟化金屬材料，使之屈服強(qiáng)度降低，而非向熱應(yīng)力成形那樣，通過(guò)深度加熱獲得塑性變形的動(dòng)力，因此加熱溫度較低，對(duì)金屬板材的組織性能和表面的質(zhì)量影響較小，而且在后續(xù)的沖擊過(guò)程中形成的壓縮應(yīng)力將大大減小板材由于加熱過(guò)程而產(chǎn)生的有害拉應(yīng)力，甚至板材的表面仍保持壓應(yīng)力狀態(tài)；由于激光沖擊波作為板料成形力源，因而它是無(wú)模具非接觸式成形，由于采用五軸聯(lián)動(dòng)的工作臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)從對(duì)板材多個(gè)方向沖擊，實(shí)現(xiàn)了板材的三維立體成形；由于激光光斑尺寸可聚焦至厘米、毫米量級(jí)甚至微米級(jí)，因此既可進(jìn)行局部微細(xì)的定量精確成形，也能進(jìn)行大面積的沖擊成形；對(duì)板材成形前的表面質(zhì)量要求低于常規(guī)的沖壓工藝，且使成形表面的光潔度有所提高，因此預(yù)熱板材的激光沖擊成形具有實(shí)用范圍廣、成形的效率高、成形件具有好的使用性能優(yōu)越的特點(diǎn)。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是根據(jù)本發(fā)明方法提出的激光預(yù)加熱和沖擊成形的裝置示意圖。
1.中央控制處理器 2.五軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái) 3.光斑調(diào)節(jié)裝置 4.全反射鏡 5.釹玻璃激光器控制器 6.釹玻璃激光器 7.導(dǎo)光管 8.全反射鏡 9.脈沖激光10.工件夾具 11.工件 12.位移測(cè)量反饋裝置 13.連續(xù)激光 14.全反射鏡 15.導(dǎo)光管 16.二氧化碳激光器 17.二氧化碳激光器控制器 18.全反射鏡19.光斑調(diào)節(jié)裝置 20.紅外測(cè)溫反饋裝置 21.能量吸收層 22.計(jì)算機(jī)23.能量吸收層具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖1詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提出的具體裝置的細(xì)節(jié)和工作情況。該裝置包括激光加熱系統(tǒng)、激光沖擊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)、測(cè)量反饋系統(tǒng)。激光加熱系統(tǒng)包括二氧化碳激光器(16)、導(dǎo)光管(15)、二塊全反射鏡(14)(18)、光斑調(diào)節(jié)裝置(19)；激光沖擊系統(tǒng)包括釹玻璃激光器(6)、導(dǎo)光管(7)，二塊全反射鏡(4)(8)、光斑調(diào)節(jié)裝置(2)；工件夾具系統(tǒng)包括工件(11)、覆蓋在工件表面的能量吸收層(21)、能量吸收層(23)、工件夾具(10)、五軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)(2)；控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)(22)、中央控制處理器(1)、二氧化碳激光器控制器(17)、釹玻璃激光器控制器(5)組成；測(cè)量反饋系統(tǒng)包括紅外測(cè)溫反饋裝置(20)和位移測(cè)量反饋裝置(12)。
將加工的信息編寫成加工程序輸入到計(jì)算機(jī)(22)中，由計(jì)算機(jī)(22)發(fā)出控制信息和工作指令相繼傳給中央控制處理器(1)，經(jīng)過(guò)二氧化碳激光器控制器(17)傳遞給二氧化碳激光器(16)，二氧化碳激光器(16)接受到工作指令后，發(fā)出連續(xù)功率密度103～104W/cm2量級(jí)的激光(13)，并經(jīng)過(guò)導(dǎo)光管(15)、全反射鏡(14)(18)和光斑調(diào)節(jié)裝置(19)，輻照在板材(11)表面能量吸收層(21)上使板材(11)加熱，連續(xù)激光(13)的能量由激光控制器(16)調(diào)節(jié)。板材(11)被加熱激光(13)加熱后，溫度上升并不斷向外發(fā)出相應(yīng)穩(wěn)定波長(zhǎng)的紅外線，測(cè)溫反饋裝置(20)根據(jù)收集到的紅外波長(zhǎng)測(cè)定板材的溫度，并把信息反饋給中央控制處理器(1)，當(dāng)板材的溫度達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)，中央控制處理器(1)發(fā)出指令，使二氧化碳激光器(16)停止工作，釹玻璃激光器(6)開始工作，激光器(6)發(fā)出脈沖能量40-160J，脈沖寬度50-120ns，功率密度在108W/cm2以上脈沖激光束(9)，激光束(9)的光斑模式可以是基模、多模等多種模式，其由釹玻璃激光器控制器(5)調(diào)節(jié)和控制。由釹玻璃激光器(6)優(yōu)化后的激光束經(jīng)導(dǎo)光管(7)、全反射鏡(8)(4)、光斑調(diào)節(jié)裝置(3)輻照到工件(11)表面的能量吸收層(23)上，能量吸收層(23)吸收高能脈沖激光(9)后，迅速汽化、電離形成等離子體，等離子體繼續(xù)吸收激光能量，形成爆轟波，產(chǎn)生向金屬板料工件(11)內(nèi)部傳播的高幅沖擊波，當(dāng)其峰值壓力高于金屬板料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，金屬板料產(chǎn)生塑性變形。隨后釹玻璃激光器(6)接受指令停止工作，位移測(cè)量反饋裝置(12)開始工作，位移測(cè)量(12)反饋裝置測(cè)量變形量，并反饋給中央控制處理器(1)，以優(yōu)化下次沖擊前連續(xù)激光(13)加熱時(shí)的能量，加熱的區(qū)域以及加熱的時(shí)間等參數(shù)，以及脈沖激光(9)工作時(shí)能量、光斑大小等參數(shù)。隨后中央控制處理器(1)發(fā)出指令，使五軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)(2)的移動(dòng)，固定在五軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)(2)上的工件夾具(10)上以及工件(11)隨同移動(dòng)，由于五軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)(10)能作沿三個(gè)軸向的移動(dòng)和繞二個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)板材(11)的三維立體成形，工作臺(tái)(10)移動(dòng)后，完成了加熱-沖擊-測(cè)量-移動(dòng)的工作循環(huán)，中央控制處理器(1)再發(fā)出指令完成加熱-沖擊-測(cè)量-移動(dòng)的工作循環(huán)，直到?jīng)_擊的形狀和尺寸符合要求為止，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)板材的精確成形。
權(quán)利要求
1.一種板材成形的方法，其特征在于二氧化碳激光器(17)發(fā)出二氧化碳激光輻照在工件(11)表面的能量吸收層(21)上，使工件(11)待沖擊的區(qū)域加熱；加熱區(qū)域發(fā)出的紅外線傳到紅外測(cè)溫反饋裝置(20)上，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定的溫度時(shí)，紅外測(cè)溫反饋裝置(20)將信息反饋給中央控制處理器(1)，使二氧化碳激光器(16)停止工作，釹激光激光器(6)發(fā)出脈沖激光(9)輻照在工件(11)表面的能量吸收層(21)上，能量吸收層(21)吸收能量后汽化、電離、形成等離子體，等離子體繼續(xù)吸收激光的能量爆炸，產(chǎn)生高幅沖擊波，使材料發(fā)生塑性成形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種板材成形的方法，其特征在于位移測(cè)量反饋裝置(12)在沖擊過(guò)程中裝測(cè)量沖擊點(diǎn)的變形量，并把信息反饋給中央控制處理器(1)；根據(jù)板料沖擊后反饋的信息，釹玻璃激光控制器(5)優(yōu)化后續(xù)激光沖擊過(guò)程中的工藝參數(shù)，以獲取不同的變形量，實(shí)現(xiàn)板料精確的局部成形或整體成形。
3.一種板材成形的裝置，其特征在于包括激光加熱系統(tǒng)、激光沖擊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)、測(cè)量反饋系統(tǒng)，激光加熱系統(tǒng)包括二氧化碳激光器(16)、導(dǎo)光管(7)、全反射鏡(8)、光斑調(diào)節(jié)裝置(3)，光斑調(diào)節(jié)裝置(3)中有聚焦鏡；導(dǎo)光管(7)依次把二氧化碳激光器(16)、全反射鏡(8)和光斑調(diào)節(jié)裝置(3)連接起來(lái)，把二氧化碳激光器(16)產(chǎn)生的連續(xù)激光傳遞到工件(11)需要加熱的表面；激光沖擊系統(tǒng)包括釹玻璃激光器(6)、導(dǎo)光管(7)、全反射鏡(8)、光斑調(diào)節(jié)裝置(3)，光斑調(diào)節(jié)裝置(3)中有聚焦鏡，導(dǎo)光管(7)把釹玻璃激光器(6)、全反射鏡(8)、光斑調(diào)節(jié)裝置(3)連接起來(lái)，把釹玻璃激光器(6)產(chǎn)生的脈沖激光傳遞并能聚焦到工件(11)的表面待沖擊的區(qū)域；激光加熱系統(tǒng)和激光沖擊系統(tǒng)中的聚焦鏡光軸位于工件(11)待沖擊面的法線上，工件夾具系統(tǒng)包括工件(11)、工件夾具(10)、五軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)(2)、覆蓋在工件二側(cè)表面的能量吸收層(21)，工件(11)裝夾于工件夾具(20)中，工件夾具(10)置于五軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)(2)上；測(cè)量反饋系統(tǒng)包括紅外測(cè)溫反饋裝置(20)和位移測(cè)量反饋裝置(12)，控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)(22)、中央控制處理器(1)、二氧化碳激光器控制器(17)、釹玻璃激光器控制器(5)組成，計(jì)算機(jī)(22)通過(guò)中央控制處理器(1)控制二氧化碳激光器控制器(17)、釹玻璃激光器控制器(5)、光斑調(diào)節(jié)裝置(3)、、紅外測(cè)溫反饋裝置(20)、位移測(cè)量反饋裝置(12)、五軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)(2)；二氧化碳激光器控制器(17)控制二氧化碳激光器(16)，釹玻璃激光器控制器(5)控制釹玻璃激光器(6)。
全文摘要
一種板材成形的方法和裝置，屬于激光加工領(lǐng)域。本發(fā)明方法用二氧化碳激光作為板材預(yù)加熱，紅外測(cè)溫儀測(cè)控板材加熱的溫度，釹玻璃激光器為其提供誘導(dǎo)沖擊波產(chǎn)生的短脈沖的強(qiáng)激光，激光沖擊波作為制作板材的成形力源，并帶有板材變形量的測(cè)量反饋裝置。本發(fā)明克服了激光熱應(yīng)力成形表面質(zhì)量差和激光沖擊成形變形量小等不足，它能直接對(duì)板材料進(jìn)行成形，使板材沖擊時(shí)具有較大的變形量，較高的尺寸精度，較好的表面質(zhì)量，可直接作為板料成形的工具。
文檔編號(hào)B21D37/16GK1931467SQ20061009647
公開日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2006年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月27日
發(fā)明者張永康, 張興權(quán), 周建忠, 顧永玉, 楊超君, 魯金忠 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)