專利名稱：一種激光微沖擊無模成形的裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及是微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystems, MEMS)制造領(lǐng)域，特指一種激光微沖擊無模成形的裝置和方法置，其適用于MEMS中金屬薄膜的微成形， 特別適合于常規(guī)方法難以微成形或根本無法成形的材料微成形。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了將傳統(tǒng)的塑性加工工藝應(yīng)用于大批量微型金屬元件制造的微塑性成形。所謂微成形，微成形是指以塑性加工的方法生產(chǎn)至少在二維方向上尺寸處于亞毫米級的零件或結(jié)構(gòu)技術(shù)[2]。隨著大規(guī)模集成電路制造技術(shù)和以計算機(jī)為代表的微電子工業(yè)的發(fā)展，越來越多的電子原件、電氣組件、計算機(jī)配件等相關(guān)零部件及其包裝容器開始采用這一工藝方法進(jìn)行生產(chǎn)。傳統(tǒng)的微塑性成形需要模具，由于微小尺度的原因和模具制造困難，傳統(tǒng)的模具設(shè)計、制造方法不再適用。微成形時所需工作環(huán)境、設(shè)備、相關(guān)測試儀器和測試方法發(fā)生了變化。微成形時被加工材料需要處于真空或在惰性氣體保護(hù)環(huán)境下； 加工過程中對成形設(shè)備的精度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)。由于坯料的重量較輕(典型的只幾毫克)，坯料受表面力影響較大，但是實際生產(chǎn)中對坯料的傳送速度和放置精度要求卻很高， 由此造成對坯料夾持和定位的傳統(tǒng)方法不再可用；與成形相關(guān)的數(shù)據(jù)如應(yīng)變率、溫度場等的測試方法和測試儀器在微小尺度下也變得十分特殊，傳統(tǒng)的測試?yán)碚?、方法和設(shè)備已經(jīng)不再適用。發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供了一種采用常規(guī)方法難以制作的微成形零件的激光沖擊精密成形裝置及方法。
技術(shù)方案為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供了一種激光微沖擊無模成形的裝置， 包括激光器、光路引導(dǎo)系統(tǒng)、工裝夾具系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；所述激光器發(fā)出的激光束通過光路引導(dǎo)系統(tǒng)傳輸?shù)桨惭b在工裝夾具系統(tǒng)中粘貼有柔性吸收層的工件表面，吸收層受到激光誘導(dǎo)產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，等離子體急劇膨脹爆炸產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波壓向工件表層及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，使工件產(chǎn)生快速的塑性變形，檢測系統(tǒng)對工件的沖擊區(qū)進(jìn)行檢測，將檢測的數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接受數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析計算，再將分析計算結(jié)果與該點(diǎn)理論變形進(jìn)行比對，由比對結(jié)果分析得出下次激光沖擊所需要的能量，控制激光器下次發(fā)出的激光束的能量，同時控制工裝夾具系統(tǒng)向下一次沖擊位置作三維運(yùn)動。
本發(fā)明中所述光路引導(dǎo)系統(tǒng)包括第一反射鏡、準(zhǔn)直器和激光沖擊頭；所述激光沖擊頭中從光線進(jìn)入次序為排列順序，依次包括第二反射鏡、三棱鏡和聚焦鏡；通過準(zhǔn)直器距聚焦鏡的距離，以及所選準(zhǔn)直器中心孔尺寸，計算激光光斑尺寸；反之通過調(diào)節(jié)準(zhǔn)直器與聚焦鏡之間的距離來實現(xiàn)激光光斑在微米級，從而達(dá)到對工件的微成形。
本發(fā)明中所述工裝夾具系統(tǒng)包括三維工作臺、夾具，夾具座；所述三維工作臺上設(shè)有夾具座，所述夾具座上設(shè)有夾具。
本發(fā)明中所述檢測系統(tǒng)包括同步加速輻射光源、探測器、放大器、脈沖高度分析器、計數(shù)器；所述同步加速輻射光源發(fā)出的入射激光進(jìn)入夾具中的工件表面后，由探測器接收轉(zhuǎn)換為電脈沖，電脈沖經(jīng)放大器放大后進(jìn)入脈沖高度分析器轉(zhuǎn)換為信號脈沖，信號脈沖發(fā)送至計數(shù)器再送入控制系統(tǒng)運(yùn)算分析。
本發(fā)明還公開了一種激光微沖擊無模成形的方法，其特征在于該方法的具體步驟如下(A)在激光微沖擊無模成形的裝置的工裝夾具系統(tǒng)中放入試樣體系，所述試樣體系包括工件和工件表面貼設(shè)的柔性貼膜；(B)啟動激光微沖擊無模成形的裝置，其中激光器內(nèi)的調(diào)制器產(chǎn)生脈沖寬度為4ns IOns的激光束；所述激光束經(jīng)過所述光路引導(dǎo)系統(tǒng)沖擊工件表面，在激光器發(fā)出激光的同時，工裝夾具系統(tǒng)中工作臺和激光沖擊頭同時接受控制系統(tǒng)指令向待沖擊位置作三維運(yùn)動，從而達(dá)到控制沖擊位置的目的；(C)然后激光器放出強(qiáng)脈沖激光束，即功卒密度大于IO9W/ cm2，脈沖寬度8 ns 30ns 的強(qiáng)脈沖激光束，該強(qiáng)脈沖激光束沖擊試樣體系中工件表面的柔性貼膜，使其表層氣化電離并形成沖擊波，使產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值超過材料動態(tài)屈服強(qiáng)度，使成形材料發(fā)生明顯塑性的宏觀材料變形，然后通過逐點(diǎn)沖擊和有序的沖擊點(diǎn)分布獲得大面積復(fù)雜形狀；(D)在激光束沖擊成形的過程中，所述同步加速輻射光源(13)發(fā)出的入射激光進(jìn)入夾具中的工件表面后，由探測器(8)接收轉(zhuǎn)換為電脈沖，電脈沖經(jīng)放大器(9)放大后進(jìn)入脈沖高度分析器(10)轉(zhuǎn)換為信號脈沖，信號脈沖發(fā)送至計數(shù)器(9)再送入控制系統(tǒng)運(yùn)算分析；(E)控制系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)算分析、誤差分析和參數(shù)修正后，再將分析計算結(jié)果與該點(diǎn)理論變形進(jìn)行比對，由比對結(jié)果分析得出下次激光沖擊所需要的能量，控制激光器下次發(fā)出的激光束的能量，同時發(fā)出指令控制工裝夾具系統(tǒng)中工作臺和激光沖擊頭向下一次沖擊位置作三維運(yùn)動，從而達(dá)到控制沖擊位置和沖擊能量的目的；(F)控制系統(tǒng)不斷調(diào)整激光束的沖擊能量和沖擊位置，直至獲得完整精確的工件輪廓， 激光微沖擊無模成形的裝置關(guān)閉。
本發(fā)明中成形材料包括金屬、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(jī)材料、高分子材料及復(fù)合材料等多種材料進(jìn)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， 應(yīng)用范圍廣泛。
有益效果本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下I、本發(fā)明所述裝置實現(xiàn)了微成形零件的無模成形，并且保證了微成形零件的精度和質(zhì)量。
2、本發(fā)明所述方法屬于無模成形，避免了微塑性成形中最棘手的模制造、間隙保證和行程控制等問題，激光束作為柔性沖頭能使板材達(dá)到高成形精度和對異形凹模的高覆膜性，并將微尺度的摩擦降到最低。因而可加工一些形狀復(fù)雜的微型元器件，諸如非球面光學(xué)元件，尤其是制造一種作為醫(yī)療器械的復(fù)雜光柵等.3、本發(fā)明所述方法是高應(yīng)變率成形O105S-1)，成形速度快，同時由于慣性效應(yīng)和率相關(guān)的材料本構(gòu)行為的變化，與準(zhǔn)靜態(tài)成形相比，材料的成形極限明顯提高。
4、本發(fā)明所述方法利用等離子體爆炸誘發(fā)的力效應(yīng)而非熱效應(yīng)進(jìn)行成形，避免了連續(xù)激光照射時因劇烈溫度梯度導(dǎo)致的不良組織和性能，同時由于應(yīng)力波前沿所引起的大量的位錯和嚴(yán)重的塑性變形，反而使組織結(jié)構(gòu)均勻和細(xì)化，因而可進(jìn)行高質(zhì)量的激光微成形加工。
5、本發(fā)明所述方法繼承了激光沖擊強(qiáng)化的優(yōu)點(diǎn)，在材料表面能夠形成殘余壓應(yīng)力，因而顯著提高零件的耐磨性、耐蝕性和疲勞壽命；6、本發(fā)明所述方法適用的材料類型廣泛，可以加工硅或金屬基材料，還能穿過透明材料進(jìn)行加工成形；工藝范圍廣，可用于加工微型機(jī)器人，醫(yī)療器械的超小型金屬、陶瓷、塑料機(jī)械零部件及其包裝容器。
7、本發(fā)明所述方法由于激光脈沖參數(shù)可以實時調(diào)整和控制，且加工參數(shù)具有可重復(fù)性，可在同一地方通過累積的方式多次噴丸；對激光微沖擊工藝非插入的、實時的監(jiān)視， 在線檢測金屬微器件的微成形效果，并由控制系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析，實時調(diào)整激光加工工藝參數(shù)，可控制金屬微器件變形情況，以確保實現(xiàn)預(yù)期的成形效果，滿足金屬微器件所需的不同的微成形要求。


圖I為本發(fā)明所述激光微沖擊無模成形的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。實施例
如圖I所示的一種激光微沖擊無模成形的裝置，包括激光器I、光路引導(dǎo)系統(tǒng)、工裝夾具系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；所述光路引導(dǎo)系統(tǒng)包括第一反射鏡2、準(zhǔn)直器3和激光沖擊頭5 ;所述激光沖擊頭5中從光線進(jìn)入次序為排列順序，依次包括第二反射鏡17、三棱鏡4和聚焦鏡6 ;所述工裝夾具系統(tǒng)包括三維工作臺14、夾具15，夾具座16 ;所述檢測系統(tǒng)包括同步加速輻射光源13、探測器8、放大器9、脈沖高度分析器10、計數(shù)器11 ;所述控制系統(tǒng)采用工業(yè)計算機(jī)12。
本實施例還公開了激光微沖擊無模成形的的方法，具體步驟如下(A)在激光微沖擊無模成形的裝置的工裝夾具系統(tǒng)中放入試樣體系，所述試樣體系7 包括工件和工件表面貼設(shè)的柔性吸收層；夾具15將試樣體系7夾住并固定在夾具座16 上，夾具座16固定在三維工作臺14上；(B)啟動激光微沖擊無模成形的裝置，其中激光器I內(nèi)的調(diào)制器產(chǎn)生脈沖寬度為4ns IOns的激光束；所述激光束經(jīng)過所述光路引導(dǎo)系統(tǒng)中的第一反射鏡2反射穿過準(zhǔn)直器3進(jìn)入激光沖擊頭5中，激光沖擊頭5中的第二反射鏡17改變激光路徑，將激光反射入三棱鏡 4中，從三棱鏡4中射出后進(jìn)入聚焦鏡6，經(jīng)過聚焦鏡6聚焦后沖擊工件表面，在激光器發(fā)出激光的同時，工裝夾具系統(tǒng)中三維工作臺14和激光沖擊頭5同時接受控制系統(tǒng)指令向待沖擊位置作三維運(yùn)動，從而達(dá)到控制沖擊位置的目的；(C)然后激光器放出強(qiáng)脈沖激光束，即功卒密度大于IO9W/ cm2，脈沖寬度8 ns 30ns 的強(qiáng)脈沖激光束，該強(qiáng)脈沖激光束沖擊試樣體系中工件表面的柔性貼膜，使其表層氣化電離并形成沖擊波，使產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值超過材料動態(tài)屈服強(qiáng)度，使成形材料發(fā)生明顯塑性的宏觀材料變形，然后通過逐點(diǎn)沖擊和有序的沖擊點(diǎn)分布獲得大面積復(fù)雜形狀；(D)在激光束沖擊成形的過程中，所述同步加速輻射光源13發(fā)出的入射激光進(jìn)入夾具中的工件表面后，由探測器8接收轉(zhuǎn)換為電脈沖，電脈沖經(jīng)放大器9放大后進(jìn)入脈沖高度分析器10轉(zhuǎn)換為信號脈沖，信號脈沖發(fā)送至計數(shù)器9再送入控制系統(tǒng)運(yùn)算分析；(E)控制系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)算分析、誤差分析和參數(shù)修正后，再將分析計算結(jié)果與該點(diǎn)理論變形進(jìn)行比對，由比對結(jié)果分析得出下次激光沖擊所需要的能量，控制激光器下次發(fā)出的激光束的能量，同時發(fā)出指令控制工裝夾具系統(tǒng)中工作臺和激光沖擊頭向下一次沖擊位置作三維運(yùn)動，從而達(dá)到控制沖擊位置和沖擊能量的目的；(F)控制系統(tǒng)不斷調(diào)整激光束的沖擊能量和沖擊位置，直至獲得完整精確的工件輪廓， 激光微沖擊無模成形的裝置關(guān)閉。
權(quán)利要求
1.一種激光微沖擊無模成形的裝置，其特征在于包括激光器、光路引導(dǎo)系統(tǒng)、工裝夾具系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；所述激光器發(fā)出的激光束通過光路引導(dǎo)系統(tǒng)傳輸?shù)桨惭b在工裝夾具系統(tǒng)中粘貼有柔性吸收層的工件表面，吸收層受到激光誘導(dǎo)產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，等離子體急劇膨脹爆炸產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波壓向工件表層及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，使工件產(chǎn)生快速的塑性變形，檢測系統(tǒng)對工件上的沖擊區(qū)進(jìn)行檢測，將檢測的數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接受數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析計算，再將分析計算結(jié)果與該點(diǎn)理論變形進(jìn)行比對，由比對結(jié)果分析得出下次激光沖擊所需要的能量，控制激光器下次發(fā)出的激光束的能量，同時控制工裝夾具系統(tǒng)向下一次沖擊位置作三維運(yùn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種激光微沖擊無模成形的裝置，其特征在于所述光路引導(dǎo)系統(tǒng)包括第一反射鏡(2)、準(zhǔn)直器(3)和激光沖擊頭(5);所述激光沖擊頭(5)中從光線進(jìn)入次序為排列順序，依次包括第二反射鏡(17)、三棱鏡(4)和聚焦鏡(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種激光微沖擊無模成形的裝置，其特征在于所述工裝夾具系統(tǒng)包括三維工作臺(14)、夾具(15)，夾具座(16);所述三維工作臺(14)上設(shè)有夾具座(16)，所述夾具座(16)上設(shè)有夾具(15)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種激光微沖擊無模成形的裝置，其特征在于所述檢測系統(tǒng)包括同步加速輻射光源(13)、探測器(8)、放大器(9)、脈沖高度分析器(10)、計數(shù)器(11);所述同步加速輻射光源(13)發(fā)出的入射激光進(jìn)入夾具中的工件表面后，由探測器(8) 接收轉(zhuǎn)換為電脈沖，電脈沖經(jīng)放大器(9)放大后進(jìn)入脈沖高度分析器(10)轉(zhuǎn)換為信號脈沖，信號脈沖發(fā)送至計數(shù)器(9 )再送入控制系統(tǒng)運(yùn)算分析。
5.一種激光微沖擊無模成形的方法，其特征在于該方法的具體步驟如下(A)在激光微沖擊無模成形的裝置的工裝夾具系統(tǒng)中放入試樣體系，所述試樣體系包括工件和工件表面貼設(shè)的柔性吸收層；(B)啟動激光微沖擊無模成形的裝置，其中激光器內(nèi)的調(diào)制器產(chǎn)生脈沖寬度為4ns IOns的激光束；所述激光束經(jīng)過所述光路引導(dǎo)系統(tǒng)沖擊工件表面，在激光器發(fā)出激光的同時，工裝夾具系統(tǒng)中工作臺和激光沖擊頭同時接受控制系統(tǒng)指令向待沖擊位置作三維運(yùn)動，從而達(dá)到控制沖擊位置的目的；(C)然后激光器放出強(qiáng)脈沖激光束，即功卒密度大于IO9W/ cm2，脈沖寬度8 ns 30ns 的強(qiáng)脈沖激光束，該強(qiáng)脈沖激光束沖擊試樣體系中工件表面的柔性貼膜，使其表層氣化電離并形成沖擊波，使產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值超過材料動態(tài)屈服強(qiáng)度，使成形材料發(fā)生明顯塑性的宏觀材料變形，然后通過逐點(diǎn)沖擊和有序的沖擊點(diǎn)分布獲得大面積復(fù)雜形狀；(D)在激光束沖擊成形的過程中，所述同步加速輻射光源(13)發(fā)出的入射激光進(jìn)入夾具中的工件表面后，由探測器(8)接收轉(zhuǎn)換為電脈沖，電脈沖經(jīng)放大器(9)放大后進(jìn)入脈沖高度分析器(10)轉(zhuǎn)換為信號脈沖，信號脈沖發(fā)送至計數(shù)器(9)再送入控制系統(tǒng)運(yùn)算分析；(E)控制系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)算分析、誤差分析和參數(shù)修正后，再將分析計算結(jié)果與該點(diǎn)理論變形進(jìn)行比對，由比對結(jié)果分析得出下次激光沖擊所需要的能量，控制激光器下次發(fā)出的激光束的能量，同時發(fā)出指令控制工裝夾具系統(tǒng)中工作臺和激光沖擊頭向下一次沖擊位置作三維運(yùn)動，從而達(dá)到控制沖擊位置和沖擊能量的目的；(F)控制系統(tǒng)不斷調(diào)整激光束的沖擊能量和沖擊位置，直至獲得完整精確的工件輪廓， 激光微沖擊無模成形的裝置關(guān)閉。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光微沖擊無模成形的裝置,包括激光器、光路引導(dǎo)系統(tǒng)、工裝夾具系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；所述激光器發(fā)出的激光束通過光路引導(dǎo)系統(tǒng)傳輸?shù)桨惭b在工裝夾具系統(tǒng)中粘貼有柔性吸收層的工件表面，吸收層受到激光誘導(dǎo)產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，等離子體急劇膨脹爆炸產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波壓向工件表層及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，使工件產(chǎn)生快速的塑性變形，檢測系統(tǒng)對工件上的沖擊區(qū)進(jìn)行檢測，將檢測的數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接受數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析計算，再將分析計算結(jié)果與該點(diǎn)理論變形進(jìn)行比對，由比對結(jié)果分析得出下次激光沖擊所需要的能量，控制激光器下次發(fā)出的激光束的能量，同時控制工裝夾具系統(tǒng)向下一次沖擊位置作三維運(yùn)動。本發(fā)明適合于常規(guī)方法難以成形或根本無法成形的材料微成形。
文檔編號B21D26/06GK102527813SQ20121005599
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月6日
發(fā)明者宋娟, 朱學(xué)莉, 李江瀾, 汪幫富, 祝勇俊 申請人:蘇州科技學(xué)院