專利名稱：激光沖擊爆炸成形的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及快速成形領(lǐng)域，特指一種激光沖擊爆炸成形的方法和裝置，特別適用于各種金屬板料的快速成形。
背景技術(shù)：
常見的各種激光沖擊成形，因激光能量的有限因而其誘導(dǎo)的沖擊波峰壓不大且作用時(shí)間較短，不能直接滿足激光沖擊成形的需要。實(shí)際加工時(shí)常采用各種約束層來限制激光汽化物的膨脹，從而增加沖擊波峰壓和延長有效自由時(shí)間。從約束效果來看，玻璃約束層效果最好，但玻璃易為沖擊波擊碎，使激光沖擊成形實(shí)用性降低。而以各種透明材料和水之類液體作為約束層，效果又不是太理想。基于上述原因，激光沖擊成形的實(shí)用化一直沒有太大進(jìn)展。
與本發(fā)明最接近的技術(shù)是爆炸成形技術(shù)。爆炸成形是將炸藥爆炸產(chǎn)生的能量，通過水、沙或空氣等傳壓介質(zhì)傳播作用于金屬毛料上，使毛料產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)、變形，在有?；驘o模條件下形成所需形狀零件的加工方法。爆炸成形可分為爆炸拉深和爆炸脹形兩種，爆炸拉深可在有模也可在無模條件下進(jìn)行，但爆炸脹形一般需要一個(gè)凹模。爆炸成形工藝設(shè)備簡單，不需要凸模，凹模可以用金屬材料，也可以用木材、石膏、水泥、環(huán)氧樹脂、玻璃鋼甚至冰等非金屬材料制備。對(duì)一些單件或小批量的大型零件的生產(chǎn)可以大幅度地提高生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本。爆炸成形可以加工一些用常規(guī)方法不易加工的材料。對(duì)一些材強(qiáng)度很高的特種鋼或彈性差、常規(guī)成形加工時(shí)容易破裂的材料，在高速變形條件，塑性變形能力有所提高，而且爆炸成形不使用金屬?zèng)_頭，毛料受力比較均勻，因而成形能力強(qiáng)。爆炸成形時(shí)，零件以很高的速度貼模、碰撞壓力的，貼模壓力一般高于成形材料的塑性極限，因此貼模后材料的彈性回彈小，成形零件的尺寸精度高。爆炸成形雖然具有許多優(yōu)點(diǎn)，但爆炸成形需要專用的爆炸場(chǎng)，且爆炸參數(shù)難以精確控制，因此成形可控性差。同時(shí)對(duì)于小型零件成形精度不高。而且安全性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供用于金屬材料快速成形的激光沖擊爆炸成形的方法和裝置，它可以直接對(duì)工件進(jìn)行加工成形，克服激光沖擊成形受激光能量制約的局限，使激光沖擊成形得以實(shí)用化，尤其是大變形量的沖擊成形。
實(shí)施本發(fā)明的裝置包括激光發(fā)生器、工件模具系統(tǒng)及工作臺(tái)控制裝置，工件模具系統(tǒng)由工件、模具、可控工作臺(tái)組成，其特征在于在工件表面設(shè)有混有炸藥的吸收層材料，并設(shè)有與激光發(fā)生器相連的激光發(fā)生器控制裝置。
本發(fā)明所述方法的特征是在工件表面涂布或粘貼混合一定量炸藥成分的吸收層材料并將工件安裝到固定在工作臺(tái)上的模具上，由激光發(fā)生器控制裝置控制激光發(fā)生器按優(yōu)化好的參數(shù)發(fā)出激光脈沖，激光束照射到吸收層上使吸收層汽化、電離產(chǎn)生沖擊波，同時(shí)激光的熱效應(yīng)和沖擊波效應(yīng)引起吸收層中的炸藥爆炸產(chǎn)生爆轟波，沖擊波和爆轟波共同作用使工件變形。
其中吸收層材料由炸藥顆粒和能量轉(zhuǎn)換體混合制成或在炸藥層表面涂布能量轉(zhuǎn)換體制成或在炸藥層表面涂布由炸藥顆粒和能量轉(zhuǎn)換體混合物而成。
通過工作臺(tái)控制裝置控制工作臺(tái)按預(yù)定軌跡移動(dòng)，逐點(diǎn)沖擊，實(shí)現(xiàn)精密可控成形。
本發(fā)明的實(shí)施過程1.根據(jù)加工零件的尺寸形狀，計(jì)算毛坯尺寸，并制作相應(yīng)模具。
2.根據(jù)工件變形量制備吸收層材料，即工件變形所需能量要求，將激光能量轉(zhuǎn)換體和所選炸藥混合制成片狀材料，或在片狀炸藥表面涂布能量轉(zhuǎn)換體。
3.根據(jù)工件變形要求編制控制程序用以控制激光發(fā)生器和工作臺(tái)。
4.將工件安裝到模具上，并在工件表面貼上混有炸藥的吸收層材料。
5.激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光脈沖經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)照射到吸收層上，引起吸收層汽化、電離產(chǎn)生沖擊波，同時(shí)激光的熱效應(yīng)和沖擊波效應(yīng)引起吸收層中炸藥爆炸產(chǎn)生爆轟波，沖擊波和爆轟波聯(lián)合作用使工件發(fā)生變形。
6.根據(jù)工件變形要求，控制工作臺(tái)移動(dòng)，逐點(diǎn)沖擊，直至加工完成。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于將激光沖擊成形和爆炸成形相結(jié)合，利用激光誘導(dǎo)的沖擊波和炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波作為成形力源，大大增加了成形所需的沖擊波峰壓和有效作用時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)大變形量的沖擊成形。擺脫了約束層的束縛，使激光沖擊成形實(shí)用化得以實(shí)現(xiàn)。由于激光參數(shù)精確可控，且爆炸理論已發(fā)展成熟，因而可以通過控制激光參數(shù)和吸收層中炸藥成分、含量實(shí)現(xiàn)精密成形。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1是根據(jù)本發(fā)明提出的激光沖擊爆炸復(fù)合成形裝置的示意圖。
圖2是由炸藥顆粒和能量轉(zhuǎn)換體混合制成的吸收層材料示意圖。
圖3是在炸藥層表面涂布能量轉(zhuǎn)換體制成的吸收層材料示意圖。
圖4是在炸藥層表面涂布由炸藥顆粒和能量轉(zhuǎn)換體混合物的吸收層材料示意圖。
1激光發(fā)生器控制裝置 2激光發(fā)生器 3激光束 4吸收層材料 5工件 6模具7工作臺(tái) 8工作臺(tái)控制裝置 9數(shù)字控制裝置 10計(jì)算機(jī) 11能量轉(zhuǎn)換體 12炸藥顆粒
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖1說明本發(fā)明提出的具體裝置的細(xì)節(jié)和工作情況。
實(shí)施本方法的該裝置包括激光發(fā)生器(2)、激光發(fā)生器控制裝置(1)、混有炸藥的吸收層(4)、工件模具系統(tǒng)及工作臺(tái)控制裝置(8)。工件模具系統(tǒng)由工件(5)、模具(6)、可控工作臺(tái)(7)組成。
在工件(5)表面涂布或粘貼吸收層材料(4)并將工件(5)安裝到固定在工作臺(tái)(7)上的模具(6)上，由激光發(fā)生器控制裝置(1)控制激光發(fā)生器(2)按優(yōu)化好的參數(shù)發(fā)出激光脈沖，激光束(3)照射到吸收層(4)上使吸收層汽化、電離產(chǎn)生沖擊波，同時(shí)激光的熱效應(yīng)和沖擊波效應(yīng)引起吸收層中的炸藥爆炸產(chǎn)生爆轟波，沖擊波和爆轟波共同作用使工件(5)變形。通過工作臺(tái)控制裝置(8)控制工作臺(tái)(7)按預(yù)定軌跡移動(dòng)，逐點(diǎn)沖擊，實(shí)現(xiàn)精密可控成形。
激光發(fā)生器產(chǎn)生的能量在10～100焦耳，持續(xù)時(shí)間為8～80納秒的激光脈沖，激光能量和光斑直徑由激光發(fā)生器控制裝置控制和調(diào)節(jié)，工作臺(tái)由工作臺(tái)控制裝置控制，可以實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，保證工件按各種預(yù)定軌跡移動(dòng)，以滿足復(fù)雜的變形要求。
根據(jù)工件形狀要求，通過工作臺(tái)控制裝置控制工件按預(yù)定軌跡一定，逐點(diǎn)沖擊，實(shí)現(xiàn)工件精確成形。
不同的工件變形量，所要求的力源大小也不一樣，根據(jù)工件變形所要求的力源大小，可利用按圖2、圖3、圖4所示制作的不同形式的吸收層材料，產(chǎn)生以激光沖擊波為主、爆轟波為輔或以沖擊波為輔、爆轟波為主的不同強(qiáng)度的力源。
運(yùn)用激光沖擊爆炸成形，由于吸收層中炸藥含量很少，且添加了一些降低炸藥感度的添加劑，因此安全性得到可靠保證。同時(shí)改變炸藥含量、種類、吸收層厚度等可以滿足各種變形量要求的力源。結(jié)合激光參數(shù)的調(diào)整，使工件變形精密可控。
權(quán)利要求
1.激光沖擊爆炸成形的方法，其特征是在工件表面涂布或粘貼混合炸藥成分的吸收層材料并將工件安裝到固定在工作臺(tái)上的模具上，由激光發(fā)生器控制裝置控制激光發(fā)生器按優(yōu)化好的參數(shù)發(fā)出激光脈沖，激光束照射到吸收層上使吸收層汽化、電離產(chǎn)生沖擊波，同時(shí)激光的熱效應(yīng)和沖擊波效應(yīng)引起吸收層中的炸藥爆炸產(chǎn)生爆轟波，沖擊波和爆轟波共同作用使工件變形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光沖擊爆炸成形的方法，其特征是吸收層材料由炸藥顆粒和能量轉(zhuǎn)換體混合制成或在炸藥層表面涂布能量轉(zhuǎn)換體制成或在炸藥層表面涂布由炸藥顆粒和能量轉(zhuǎn)換體混合物而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光沖擊爆炸成形的方法，其特征在于通過工作臺(tái)控制裝置控制工作臺(tái)按預(yù)定軌跡移動(dòng)，逐點(diǎn)沖擊，實(shí)現(xiàn)精密可控成形。
4.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的激光沖擊爆炸成形的方法的裝置，其特征在于包括激光發(fā)生器(2)、工件模具系統(tǒng)及工作臺(tái)控制裝置(8)，工件模具系統(tǒng)由工件(5)、模具(6)、可控工作臺(tái)(7)組成，其特征在于在工件(5)表面設(shè)有混有炸藥的吸收層材料(4)，設(shè)有與激光發(fā)生器(2)相連的激光發(fā)生器控制裝置(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及快速成形的方法和裝置，特別適合大變形量的小型復(fù)雜件的沖擊成形，使激光沖擊成形實(shí)用化得以實(shí)現(xiàn)。該裝置由激光發(fā)生器及導(dǎo)光系統(tǒng)、混有炸藥的吸收層材料、工件夾具系統(tǒng)、激光發(fā)生器控制裝置和工作臺(tái)控制裝置組成。激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光脈沖經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)照射到混有炸藥的吸收層材料上，引起材料汽化產(chǎn)生沖擊波，而激光的熱效應(yīng)和沖擊波效應(yīng)又使吸收層中的炸藥發(fā)生爆炸產(chǎn)生爆轟波，工件在沖擊波和爆轟波的聯(lián)合作用下發(fā)生變形。通過工作臺(tái)控制裝置控制工件按一定軌跡一定，逐點(diǎn)沖擊，實(shí)現(xiàn)工件精密成形。其大大增加了成形所需的沖擊波峰壓和有效作用時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)大變形量的沖擊成形。
文檔編號(hào)B23K26/18GK1751820SQ20051009415
公開日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月31日
發(fā)明者張永康, 顧永玉, 葛濤, 魯全忠 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)