專(zhuān)利名稱(chēng)：一種激光直接復(fù)合微塑性成形裝置與方法
一種激光直接復(fù)合微塑性成形裝置與方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于激光加工微機(jī)電系統(tǒng)(MEMQ零件技術(shù)領(lǐng)域，特指一種激光微成形方 法與裝置。
發(fā)明背景
近年來(lái)，隨著微納米技術(shù)的逐步興起以及電子產(chǎn)品中微型化趨勢(shì)的不斷發(fā)展，以 本身形狀尺寸微小或者操作尺寸微小的微機(jī)械技術(shù)已成為人們?cè)谡J(rèn)識(shí)微觀領(lǐng)域和改造客 觀世界的一種高新技術(shù)。特別是隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和人們生活水平的日益提高，人們對(duì) 于日常生活產(chǎn)品的要求日趨智能化、微型化、多功能集成化等，這就使得在設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品 的過(guò)程當(dāng)中，充分考慮到以上功能的要求。
隨著產(chǎn)品微型化的趨勢(shì)發(fā)展，基于傳統(tǒng)塑性成形方法的微成形工藝仍然有其局限 性，微成形裝置的體積一般都比較小，使得其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)的成形設(shè)備更加復(fù)雜，由 于零件要求的精度很高，這使得制造微成形裝置較為困難。目前的微成形裝置存在加工操 作難度較高，加工效率較低的問(wèn)題，同時(shí)準(zhǔn)靜態(tài)塑性微成形受到尺度效應(yīng)的影響，材料成形 能力下降，難以滿(mǎn)足一些高硬度高脆性難成形材料的加工，使其在工業(yè)生產(chǎn)中受到很多的 限制。
近年來(lái)結(jié)合塑性加工方法的微成形技術(shù)得到了很大發(fā)展，研究和應(yīng)用較多的有微 擠壓、微壓印、微鈑金、微拉深、微沖壓、微鍛、微軋制和微無(wú)模成形工藝。
雖然上述的微成型技術(shù)，在一定程度上滿(mǎn)足了微成形產(chǎn)品加工的需要；但隨著激 光器件及系統(tǒng)的飛速發(fā)展，激光技術(shù)也廣泛應(yīng)用于材料加工。以激光沖擊為代表的激光加 工技術(shù)，在材料加工領(lǐng)域發(fā)展迅速，其應(yīng)用范圍廣、工藝靈活多樣，加工精度高、質(zhì)量好，易 于控制和實(shí)現(xiàn)柔性及智能加工，被譽(yù)為“未來(lái)制造系統(tǒng)的共同加工手段。
申請(qǐng)?zhí)枮?1134063.0的中國(guó)專(zhuān)利一種激光沖擊精密成型方法及裝置，具有 利用激光沖擊技術(shù)實(shí)現(xiàn)常規(guī)方法難以成形的或者無(wú)法成形的材料成形。申請(qǐng)?zhí)枮?200610161633. 6的中國(guó)專(zhuān)利激光沖擊成形強(qiáng)化系統(tǒng)，具有激光沖擊波參數(shù)與工件軌跡的精 確控制的特點(diǎn)。專(zhuān)利一種激光沖擊精密成型方法及裝置和專(zhuān)利激光沖擊成形強(qiáng)化系統(tǒng)的方 法與裝置并不能解決產(chǎn)品的批量化及在一次激光沖擊制造零件的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)切邊、沖裁和 沖孔等同步的復(fù)合工藝過(guò)程。本發(fā)明具有激光加工零件的優(yōu)點(diǎn)，并且在此之上提出了利用 復(fù)合微模具的成形效應(yīng)設(shè)計(jì)復(fù)合微模具，使得工件在一次激光沖擊制造過(guò)程中完成對(duì)工件 的拉深、切邊和沖孔的復(fù)合工藝，由于特制微模具上具有一定數(shù)量按一定次序排列的復(fù)合 模，所以在一次沖擊過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了單一零件的批量生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)成本。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新型的金屬箔板類(lèi)微型工件的批量成形的方法和裝置。 其特征在于激光經(jīng)透鏡聚焦后穿過(guò)約束層，并作用于能量吸收層，能量吸收層充分吸收高 能激光的能量，而在極短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)高溫高壓的等離子體層，該等離子體層迅速向外 噴射，由于約束層的存在，等離子體的膨脹受到約束層限制，導(dǎo)致等離子體壓力迅速升高，結(jié)果給予工件一個(gè)沖擊加載，產(chǎn)生向金屬內(nèi)部傳播的強(qiáng)烈沖擊波，這樣工件便在約束層與 復(fù)合微模具間受到擠壓，由于復(fù)合微模具的限制作用，使工件產(chǎn)生塑性變形，復(fù)制出復(fù)合微 模具的形貌。復(fù)合微模具上具有拉伸凹模、切邊凹模和沖孔凸模。切邊凹模為環(huán)形凹腔，環(huán) 繞在拉伸凹模凹腔邊緣外圍，沖孔凸模位于拉伸凹模腔內(nèi)。拉伸凹模具有圓角邊緣，切邊凹 模和沖孔凸模具直角邊緣，在激光沖擊加載過(guò)程中拉深凹模對(duì)工件起到拉深作用；切邊凹 模對(duì)工件起到切邊作用；沖孔凸模對(duì)工件起到?jīng)_孔作用，在一次沖擊過(guò)程中便實(shí)現(xiàn)了對(duì)工 件的拉深、沖孔與切邊。所述的拉伸凹模和沖孔凸模的形狀可根據(jù)成形工件的成形要求來(lái) 設(shè)計(jì)。確定相對(duì)位置關(guān)系的拉伸凹模、切邊凹模和沖孔凸模構(gòu)成復(fù)合微模具上一組復(fù)合成 形模。復(fù)合微模具上的復(fù)合成形模按照NXM成陣列排列，N和M數(shù)量按照所需生產(chǎn)零件數(shù) 量確定，根據(jù)工件的大小調(diào)整加載在能量吸收層上的激光能量和光斑，實(shí)現(xiàn)激光在一次加 載過(guò)程中完成對(duì)工件的批量成形。
實(shí)現(xiàn)該目的的裝置由激光加載裝置、成形系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。激光加載裝置由納 秒激光器、全反鏡和透鏡組成。成形系統(tǒng)包括試樣體、夾具、水平移動(dòng)工作臺(tái)、豎直移動(dòng)工作 臺(tái)。控制系統(tǒng)由移動(dòng)平臺(tái)控制器、計(jì)算機(jī)和激光控制器組成?？刂葡到y(tǒng)分別控制激光加載 系統(tǒng)、成形系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)中的移動(dòng)平臺(tái)控制器分別與計(jì)算機(jī)和水平移動(dòng)工作臺(tái)、豎直移動(dòng) 工作臺(tái)相互連接，控制可水平移動(dòng)工作臺(tái)、豎直移動(dòng)工作臺(tái)的位置移動(dòng)。激光控制器分別與 計(jì)算機(jī)和激光加載系統(tǒng)中的納秒激光器相連接，可以調(diào)節(jié)納秒激光器發(fā)出的激光參數(shù)。激 光加載系統(tǒng)中的全反鏡、透鏡和透鏡調(diào)整臂安裝在L型底座上。成形系統(tǒng)中的夾具安裝在 豎直移動(dòng)工作臺(tái)上。夾具可對(duì)放入其中的試樣體進(jìn)行夾緊和定位。試樣體是由約束層、能 量吸收層、工件和復(fù)合微模具組成，所述約束層、能量吸收層依次疊放在復(fù)合微模具上。約 束層為K9玻璃，能量吸收層和工件為金屬箔板，能量吸收層和工件厚度為5 30 μ m。
本裝置的工作過(guò)程如下
(1)復(fù)合微模具制備及工件毛坯尺寸的確定。根據(jù)所需要成形工件的形貌設(shè)計(jì)制 作復(fù)合微模具，然后根據(jù)復(fù)合微模具成形區(qū)域的大小計(jì)算出工件毛坯尺寸。
(2)試樣體的裝配、密封與裝夾。將工件毛坯、作為能量吸收層的金屬箔板以及約 束層依次疊放在復(fù)合微成形模具上，同時(shí)在能量吸收層與約束層之間用水進(jìn)行密封。然后 將復(fù)合微模具、工件、能量吸收層和約束層組成的試樣體依次放入夾具中夾緊。
(3)激光作用區(qū)域?qū)?zhǔn)。利用激光控制器調(diào)控納秒激光器發(fā)出一束調(diào)試光，利用移 動(dòng)平臺(tái)控制器控制水平移動(dòng)平臺(tái)和豎直移動(dòng)平臺(tái)精確動(dòng)作，使得經(jīng)全反鏡反射和透鏡聚焦 后的調(diào)試光光斑覆蓋試樣體表面，保持各部件位置的固定，關(guān)閉調(diào)試光。
(4)獲取所需激光能量。通過(guò)計(jì)算機(jī)優(yōu)化激光參數(shù)，控制納秒激光器所發(fā)出脈沖激 光的參數(shù)(脈沖寬度、脈沖能量、脈沖形狀以及光斑大小)，獲取所需的激光脈沖沖擊力。
( 加工過(guò)程。應(yīng)用脈沖激光沖擊約束層下能量吸收層，使其表面層氣化后形成高 溫高壓的等離子體，等離子體急劇膨脹爆炸，產(chǎn)生向工件內(nèi)部傳播的強(qiáng)烈沖擊波，由于工件 受到復(fù)合微模具限制，最終使工件完成拉伸、沖孔、切邊以及批量生產(chǎn)的過(guò)程。
本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì)
本發(fā)明采用脈沖激光作為成形力源，激光的參數(shù)精確可控，重復(fù)性好，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 化生產(chǎn)；因?yàn)榧す夤獍呖删劢怪廖⒚准?jí)至厘米級(jí)，所以既能進(jìn)行批量工件的一次成形，也能 進(jìn)行局部微細(xì)的定量成形，因此對(duì)工件的尺寸與成形數(shù)量有較大的調(diào)整范圍，具有較大的柔性、適應(yīng)性強(qiáng)。
本發(fā)明根據(jù)復(fù)合微模具成形效應(yīng)，采用拉深凹模、沖孔凸模以及切邊凹模的相間 組合，使得工件在一次的沖擊成形過(guò)程中實(shí)現(xiàn)拉深、沖孔和切邊的復(fù)合過(guò)程。如果增加拉深 凹模和切邊凹模的數(shù)量并按一定次序排列便可實(shí)現(xiàn)微型工件在一次沖擊過(guò)程中的批量生 產(chǎn)。當(dāng)然可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)合微模具上凹模以及凸模的形狀，以實(shí)現(xiàn)不同要求下工 件的批量成形。


下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
圖1所示是根據(jù)本發(fā)明提出的一種激光直接復(fù)合成形的裝置示意圖。
圖2所示是根據(jù)本發(fā)明提出的試樣體的原理圖。
圖3所示是根據(jù)本發(fā)明提出的復(fù)合微模具上一組復(fù)合成形模的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖4所示為復(fù)合微模具的俯視圖。
圖5所示為復(fù)合微模具三維圖以及成型后的工件三維圖。
圖6為在一次激光沖擊成形過(guò)程后剩下的工件廢料的三維圖。
1.L型底座，2.水平移動(dòng)平臺(tái)，3.豎直移動(dòng)平臺(tái)，4.夾具，5.試樣體，6.透鏡調(diào)整 臂，7.透鏡，8.全反鏡，9.激光束，10.激光控制器，11.納秒激光器，12.計(jì)算機(jī)，13.移動(dòng)平 臺(tái)控制器，14.約束層，15.能量吸收層，16.工件，17.復(fù)合微模具，18.拉伸凹模，19.切邊 凹模，20.沖孔凸模具體實(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。
該裝置由13個(gè)部分組成。計(jì)算機(jī)12控制激光控制器10，激光控制器10根據(jù)實(shí) 際情況對(duì)納秒激光器11發(fā)出的激光參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。納秒激光器11發(fā)出的激光經(jīng)激光束9 依次傳遞到全反鏡7和透鏡6最終傳遞到透鏡6下方的試樣體5上。試樣體5放在夾具4 中，夾具4安裝在豎直移動(dòng)平臺(tái)3上。水平移動(dòng)平臺(tái)2和豎直移動(dòng)平臺(tái)3安裝在L型底座 1上，水平移動(dòng)平臺(tái)2和豎直移動(dòng)平臺(tái)3的位移調(diào)整是由計(jì)算機(jī)12控制的移動(dòng)平臺(tái)控制器 13來(lái)調(diào)控的。實(shí)施的具體過(guò)程如下
首先，根據(jù)所需要成形的微型零件的形狀、尺寸來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)合微模具，并計(jì)算工件毛 坯的尺寸，然后制備復(fù)合微模具17和工件毛坯。
其次，根據(jù)加工的實(shí)際情況需要，調(diào)節(jié)透鏡調(diào)整臂6到一定高度使透鏡6距離夾具 4 一定高度，然后將試樣體5在夾具4中夾緊。
然后，打開(kāi)激光器控制器10和納秒激光器11，利用激光控制器10調(diào)控納秒激光 器11發(fā)出一束調(diào)試光，調(diào)試光經(jīng)由全反鏡8發(fā)射、透鏡7聚焦后抵達(dá)試樣體。利用移動(dòng)平 臺(tái)控制器13控制水平移動(dòng)平臺(tái)2和豎直移動(dòng)平臺(tái)3精確動(dòng)作使光斑面積能將試樣體表面 覆蓋，保持各部件位置的固定，關(guān)閉調(diào)試光。
最后，根據(jù)加工要求，由計(jì)算機(jī)12計(jì)算參數(shù)并將參數(shù)輸送到激光控制器10中，激 光控制器10控制納秒激光器11發(fā)出一定能量和一定脈寬的脈沖激光，脈沖激光通過(guò)激光 束經(jīng)由全反鏡8反射后，最后由透鏡7聚焦后穿過(guò)約束層14到達(dá)能量吸收層15表面，使其表面層氣化后形成高溫高壓的等離子體，等離子體急劇膨脹爆炸，產(chǎn)生向工件16內(nèi)部傳播 的強(qiáng)烈沖擊波，由于復(fù)合微模具17的限制作用和復(fù)合成形效應(yīng)，能同步實(shí)現(xiàn)工件16的大規(guī) 模單一微零件復(fù)合成形。
綜上所述，本發(fā)明所涉及的成形方法和裝置以激光為成形動(dòng)力源，利用復(fù)合微模 具17的拉深、沖孔以及切邊等作用同步實(shí)現(xiàn)成形及切邊的復(fù)合工藝過(guò)程。復(fù)合微模具17 上具有一定數(shù)量的根據(jù)所工件成形要求設(shè)計(jì)的拉深凹模18、切邊凹模19以及沖孔凸模20， 使得在一次激光沖擊的過(guò)程中完成了對(duì)工件的定量成形。由于加工速度超快，材料成形過(guò) 程中應(yīng)變率很高，成形后的工件具有普通成形方法無(wú)法比擬的成形能力，本發(fā)明的系統(tǒng)設(shè) 計(jì)合理，工藝簡(jiǎn)單，一致性好，適于批量化生產(chǎn)。
如圖2所示，經(jīng)透鏡7聚焦后的激光穿過(guò)約束層14加載在能量吸收層15表面，使 其表面層氣化后形成高溫高壓的等離子體，等離子體急劇膨脹爆炸，產(chǎn)生向工件16內(nèi)部傳 播的強(qiáng)烈沖擊波，工件16受到擠壓，并復(fù)制出復(fù)合微模具17的形狀，由于復(fù)合微模具17具 有拉深凹模18、切邊凹模19和沖孔凹模20，所以在一次的沖擊過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件的拉 深成形、沖孔、以及切邊的同步復(fù)合工藝。
如圖3所示，復(fù)合微模具17上拉深凹模18圓角半徑采用2. 2 2. 3倍工件厚度， 對(duì)工件起到拉深作用；切邊凹模19對(duì)工件起到切邊作用；沖孔凸模20對(duì)工件起到?jīng)_孔作 用。確定相對(duì)位置關(guān)系的一組拉伸凹模18、切邊凹模19和沖孔凸模20組成復(fù)合微磨具17 上的一組復(fù)合成形模。
如圖4所示，本發(fā)明裝置涉及到的復(fù)合微模具17上具有成陣列的復(fù)合成形模(例 如圖5所示)，可以實(shí)現(xiàn)在一次激光沖擊加工中對(duì)零件的批量生產(chǎn)。(注復(fù)合微模具上的 凹模和凸模形狀可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的零件形狀設(shè)計(jì))
權(quán)利要求
1.一種激光直接復(fù)合微塑性成形裝置，其特征在于，由激光加載裝置、成形系統(tǒng)、控制 系統(tǒng)組成。激光加載裝置由納秒激光器(11)、全反鏡(8)、透鏡(7)和透鏡調(diào)整臂(6)組 成；成形系統(tǒng)包括試樣體(5)、夾具G)、水平移動(dòng)工作臺(tái)O)、豎直移動(dòng)工作臺(tái)(3)；控制系 統(tǒng)由移動(dòng)平臺(tái)控制器(13)、計(jì)算機(jī)(1 和激光控制器(10)組成；所述控制系統(tǒng)分別控制 激光加載系統(tǒng)、成形系統(tǒng)；所述移動(dòng)平臺(tái)控制器(1 分別與計(jì)算機(jī)(1 和水平移動(dòng)工作臺(tái) O)、豎直移動(dòng)工作臺(tái)( 相互連接；所述激光控制器(10)分別與計(jì)算機(jī)(1 和激光加載 系統(tǒng)中的納秒激光器(11)相連接；所述全反鏡(8)、透鏡(7)和透鏡調(diào)整臂(6)等安裝在L 型底座(1)上。所述夾具(4)安裝在豎直移動(dòng)工作臺(tái)(3)，夾具(4)夾緊和定位試樣體(5)； 試樣體( 是由約束層(14)、能量吸收層(15)、工件(16)和復(fù)合微模具(17)組成；所述能 量吸收層(15)和工件(16)為金屬箔板，能量吸收層(15)和工件(16)厚度為5 30 μ m， 所述約束層(14)為K9玻璃；所述復(fù)合微模具(17)包括拉伸凹模(18)、切邊凹模(19)和沖 孔凸模(20)，所述切邊凹模(19)為環(huán)形凹腔，環(huán)繞在拉伸凹模(18)凹腔邊緣外圍，拉伸凹 模(18)與切邊凹模(19)同軸，所述沖孔凸模(20)位于拉伸凹模(18)腔內(nèi)，拉伸凹模(18) 具有圓角邊緣，切邊凹模(19)和沖孔凸模00)具直角邊緣，所述拉伸凹模(18)和沖孔凸 模00)形狀根據(jù)成形工件的成形要求來(lái)設(shè)計(jì)，確定相對(duì)位置關(guān)系的拉伸凹模(18)、切邊凹 模(19)和沖孔凸模00)構(gòu)成復(fù)合微模具(17)上一組復(fù)合成形模。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光間接復(fù)合微塑性成形裝置，其特征在于，所述復(fù)合微模 具(17)上復(fù)合成形模按照NXM成陣列排列，N和M數(shù)量按照所需生產(chǎn)零件數(shù)量確定。
3.一種實(shí)施權(quán)利要求1所述的激光直接微塑性成形裝置的方法，其特征在于，具體步 驟如下A.復(fù)合微模具(17)制備及工件毛坯尺寸的確定，根據(jù)所需要成形工件的形貌設(shè)計(jì)制 作復(fù)合微模具(17)，然后根據(jù)復(fù)合微模具(17)成形區(qū)域的大小計(jì)算出工件毛坯尺寸；B.試樣體(5)的裝配、密封與裝夾，將工件毛坯、能量吸收層(1 和約束層(14)依次 疊放在復(fù)合微模具(17)上，用水對(duì)能量吸收層(1 與約束層(14)之間進(jìn)行密封。然后將 復(fù)合微模具(17)、工件(16)、能量吸收層(15)和約束層(14)在夾具(4)中夾緊；C.激光作用區(qū)域?qū)?zhǔn)，利用激光控制器(10)調(diào)控納秒激光器(11)發(fā)出一束調(diào)試光，利 用移動(dòng)平臺(tái)控制器(1 控制水平移動(dòng)平臺(tái)( 和豎直移動(dòng)平臺(tái)( 精確動(dòng)作，使得經(jīng)全反 鏡(8)反射和透鏡(7)聚焦后的調(diào)試光光斑覆蓋試樣體( 表面，保持各部件位置的固定， 關(guān)閉調(diào)試光；D.獲取所需激光能量，通過(guò)計(jì)算機(jī)(1 優(yōu)化激光參數(shù)，控制納秒激光器(11)所發(fā)出脈 沖激光的參數(shù)(脈沖寬度、脈沖能量、脈沖形狀以及光斑大小)，獲取所需的脈沖激光沖擊 力；E.加工過(guò)程，應(yīng)用脈沖激光沖擊約束層(14)下的能量吸收層(15)，使其表面層氣化后 形成高溫高壓的等離子體，等離子體急劇膨脹爆炸，產(chǎn)生向工件(16)內(nèi)部傳播的強(qiáng)烈沖擊 波，由于復(fù)合微模具(17)限制，最終使工件完成成形、切邊以及批量成形過(guò)程。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種激光直接復(fù)合微塑性成形裝置，屬于激光加工微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)零件技術(shù)領(lǐng)域。裝置由激光加載系統(tǒng)、成形系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成；方法利用激光經(jīng)透鏡聚焦后穿過(guò)約束層，并作用于能量吸收層，能量吸收層吸收激光能量，在極短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)高溫高壓的等離子體層，該等離子體層迅速向外噴射，膨脹的等離子體受到約束層限制，導(dǎo)致等離子體壓力迅速升，給予工件一個(gè)沖擊加載。工件在約束層與復(fù)合微模具間受到擠壓，使工件產(chǎn)生塑性變形，復(fù)制出復(fù)合微模具的形貌。復(fù)合微模具上陣列的拉伸凹模、切邊凹模和沖孔凸模使得靶材工件在一次的沖擊成形過(guò)程中實(shí)現(xiàn)拉深、沖孔和切邊的復(fù)合過(guò)程，同時(shí)完成工件的批量成形。
文檔編號(hào)B21D26/06GK102029317SQ201010505869
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者劉會(huì)霞, 宋新華, 張 成, 張虎, 李品, 李威, 沈宗寶, 王凱, 王霄, 王鶴軍, 許貞凱, 鄭遠(yuǎn)遠(yuǎn), 陶茂科, 黃志輝 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)