專利名稱：一種基于激光沖擊波技術(shù)的快速制模裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及模具加工裝置，特指一種基于激光沖擊波技術(shù)的快速制造模具的裝置，特別適用于利用厚金屬板料直接制成拉深模和彎曲模，用于汽車覆蓋件等零件的小批量生產(chǎn)。
實(shí)現(xiàn)該目的的裝置的特征為由激光器發(fā)生器、導(dǎo)光系統(tǒng)、沖擊頭、工件夾具系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，激光發(fā)生器經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)連接沖擊頭，控制系統(tǒng)分別控制激光發(fā)生器、沖擊頭、工件夾具系統(tǒng)。其中導(dǎo)光系統(tǒng)由導(dǎo)光管、全反鏡、聚焦鏡、移動(dòng)座反射鏡、球形關(guān)節(jié)頭組成連接激光發(fā)生器與沖擊頭的多軸系統(tǒng)，工件夾具系統(tǒng)包括覆蓋能量轉(zhuǎn)換體的工件、工件夾具、工作臺(tái)，控制系統(tǒng)由激光位移探針、控制器、計(jì)算機(jī)、激光控制器組成。連接激光沖擊頭的軸由移動(dòng)座反射鏡、球形關(guān)節(jié)頭組成，并設(shè)有激光位移探針與控制器相連。
本裝置的工作過程如下(1)根據(jù)加工零件的尺寸形狀，展開計(jì)算毛坯尺寸，激光切割板料至所需毛坯形狀，并裝夾于數(shù)控工作臺(tái)的夾具上；(2)根據(jù)零件形狀和用于鋼板模具的材料性能，優(yōu)化激光沖擊波成形的工藝參數(shù)和激光頭所走軌跡，編制NC加工程序；(3)在工件表面覆蓋能量轉(zhuǎn)換體，應(yīng)用高能脈沖激光沖擊能量轉(zhuǎn)換體表面，使能量吸收層汽化、電離、形成等離子體爆炸，產(chǎn)生高幅沖擊波，以此作為材料塑性成形的變形力。通過改變激光脈沖能量、脈沖寬度、脈沖形狀以及激光光束模式，可獲取不同時(shí)間和空間分布的塑性變形力；(4)根據(jù)優(yōu)化的激光工藝參數(shù)如脈沖能量、光斑尺寸以及激光沖擊軌跡和作用區(qū)域的脈沖次數(shù)，通過多軸數(shù)控系統(tǒng)控制有序地進(jìn)行逐點(diǎn)沖擊，施加應(yīng)力脈沖，實(shí)現(xiàn)板料精確的局部成形或整體成形；(5)通過在線檢測(cè)裝置，測(cè)量板料沖擊波成形過程中板料的變形量及誤差，由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光沖擊頭的離焦量和沖擊方向，以及激光脈沖能量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)板料的粗沖成形和精沖成形；(6)修邊和適當(dāng)加固形成鋼板模具。
本實(shí)用新型由于采用激光沖擊波作為制作鋼板模具的成形力源，因而它是無模具非接觸式成形，特別適合于有局部反向拉深及脹形的汽車覆蓋件模具制造；由于采用光束導(dǎo)光和分光的光學(xué)和光纖裝置，以及多軸聯(lián)動(dòng)的工作臺(tái)，所以它可實(shí)現(xiàn)水平?jīng)_擊和沿法向沖擊，即三維立體沖擊。因?yàn)榧す鈪?shù)精確可控，所以重復(fù)性好、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)；因?yàn)榧す夤獍叱叽缈删劢怪廖⒚琢考?jí)至厘米級(jí)，所以既能進(jìn)行大板的復(fù)雜成形，又可以進(jìn)行局部微細(xì)的定量精確成形。單脈沖沖擊波成形的最小可控變形量0.035mm，最大可控變形量達(dá)數(shù)mm，并可根據(jù)零件的曲率半徑來調(diào)整激光光斑尺寸，常用尺寸為Φ2～Φ10mm，因而所成形的鋼板模具尺寸具有較大的調(diào)節(jié)范圍，具有較大的柔性；適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)鋼板成形前的表面質(zhì)量要求低于常規(guī)的沖壓工藝，且使成形表面的粗糙度提高1～2個(gè)等級(jí)；因?yàn)榧す鉀_擊波在材料表面形成硬化層和高幅殘余壓應(yīng)力，因此提高了板料成形件的穩(wěn)定性，幾乎無回彈，也即鋼板模具具有較高的精度。同時(shí)成形件的表面質(zhì)量提高，如表面粗糙度降低，硬度提高、晶粒細(xì)化、工件抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能大幅提高，可省去后續(xù)的加工工序和表面處理工序。


圖1是根據(jù)本實(shí)用新型提出的基于激光沖擊波技術(shù)的快速鋼板模具制造的裝置示意圖。
圖2是根據(jù)本實(shí)用新型提出的鋼板模具激光沖擊波成形原理示意圖。1.激光器發(fā)生器 2.激光束 3.導(dǎo)光管 4.全反鏡 5.移動(dòng)座反射鏡 6.移動(dòng)座反射鏡7.球形關(guān)節(jié)頭 8.沖擊頭 9.工件夾具 10.工件 11.激光位移探針 12.工作臺(tái) 13.數(shù)控系統(tǒng)控制器 14.計(jì)算機(jī) 15.激光控制器 16.能量轉(zhuǎn)換體 17.等離子體該裝置包括一個(gè)激光器發(fā)生器(1)和導(dǎo)光系統(tǒng)、沖擊頭(8)、工件夾具系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。導(dǎo)光系統(tǒng)包括導(dǎo)光管(3)、全反鏡(4)、球形關(guān)節(jié)頭(7)、移動(dòng)座反射鏡(5、6)等，工件夾具系統(tǒng)包括工作臺(tái)(12)、表面覆蓋能量轉(zhuǎn)換體(16)的工件(10)、工件夾具(9)，控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)(14)、數(shù)控系統(tǒng)控制器(13)、激光位移探針(11)組成。
激光器產(chǎn)生能量在10～100焦?fàn)?、持續(xù)時(shí)間為8～80納秒的激光脈沖，激光束(2)的光斑模式可以是基模、多模等多種模式，其由激光控制器(15)調(diào)節(jié)和控制。由激光器(1)產(chǎn)生的激光束經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)由沖擊頭(8)沖擊到工件(10)上。沖擊頭(8)可繞球形關(guān)節(jié)頭(7)轉(zhuǎn)動(dòng)，其內(nèi)有聚焦鏡，通過調(diào)節(jié)沖擊頭與工件距離，可改變光斑大小。該裝置可實(shí)現(xiàn)三軸移動(dòng)和沖擊頭繞關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，對(duì)工件(10)進(jìn)行立體成形操作。
如圖2所示，經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)輸出的激光束(2)從沖擊頭(8)發(fā)出，作用在粘附在工件上的能量轉(zhuǎn)換體(16)，能量轉(zhuǎn)換體(16)吸收高能激光后，迅速汽化、電離形成等離子體(17)，等離子體(17)繼續(xù)吸收激光能量，形成爆轟波，產(chǎn)生向金屬板料工件(10)內(nèi)部傳播的高幅沖擊波，因其峰值壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬板料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，使金屬板料產(chǎn)生變形量h。工件(10)固定在工件夾具(9)上，工件夾具(9)再固定在工作臺(tái)(12)上。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出數(shù)控指令控制工作臺(tái)(12)和沖擊頭(8)作多軸運(yùn)動(dòng)，直線運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鋼板模具的三維立體成形。
權(quán)利要求1.一種基于激光沖擊波技術(shù)的快速制模裝置，包括控制系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)，其特征在于由激光發(fā)生器(1)經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)連接沖擊頭(8)組成沖擊單元，控制系統(tǒng)分別控制激光發(fā)生器(1)、沖擊頭(8)、工件夾具系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光沖擊波技術(shù)的快速制模裝置，其特征在于連接激光沖擊頭的軸由移動(dòng)座反射鏡(5、6)、球形關(guān)節(jié)頭(7)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光沖擊波技術(shù)的快速制模裝置，其特征在于設(shè)有激光位移探針(11)與激光控制器(5)相連組成在線檢測(cè)裝置。
專利摘要本實(shí)用新型涉及模具加工裝置，特別適用于利用厚金屬板料直接制成拉深模和彎曲模，用于汽車覆蓋件等零件的小批量生產(chǎn)。該裝置由激光器發(fā)生器、導(dǎo)光系統(tǒng)、沖擊頭、工件夾具系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，激光發(fā)生器經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)連接沖擊頭，控制系統(tǒng)分別控制激光發(fā)生器、沖擊頭、工件夾具系統(tǒng)。其中導(dǎo)光系統(tǒng)由導(dǎo)光管、全反鏡、聚焦鏡、移動(dòng)座反射鏡、球形關(guān)節(jié)頭組成連接激光發(fā)生器與沖擊頭的多軸系統(tǒng)，工件夾具系統(tǒng)包括覆蓋能量轉(zhuǎn)換體的工件、工件夾具、工作臺(tái)，控制系統(tǒng)由激光位移探針、控制器、計(jì)算機(jī)、激光控制器組成。由于激光參數(shù)精確可控，所以重復(fù)性好、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)；既能進(jìn)行大板的復(fù)雜成形制作大型復(fù)雜鋼板模具，又可以進(jìn)行局部微細(xì)的定量精確成形。
文檔編號(hào)B23K26/00GK2571530SQ02264630
公開日2003年9月10日 申請(qǐng)日期2002年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月25日
發(fā)明者周建忠, 張永康, 楊繼昌, 周明 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)