專利名稱：一種激光間接沖擊軟模微成形方法及其專用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于制造領(lǐng)域，具體是涉及一種激光間接沖擊軟模微成形方法及其專用裝置，適用于微尺度下常規(guī)方法難以成形或無(wú)法成形的復(fù)雜器件的微體積成形。
背景技術(shù)：
激光加工技術(shù)解決了傳統(tǒng)難成形材料及微型金屬零件加工的局限性，但以激光作為能源直接或間接作用在工件上仍會(huì)給工件帶來(lái)一些缺陷，如中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?01134063. 0、名稱為“一種激光沖擊精密成型方法及裝置”，利用激光直接沖擊待加工零件， 使得零件受力不均勻，同時(shí)使零件表面產(chǎn)生燒蝕，零件表面質(zhì)量不高。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?200810023264. 3、名稱為“一種微器件的激光沖擊微體積成形方法和裝置”，利用激光驅(qū)動(dòng)飛片，使飛片繼承激光的能量，從而避免了激光直接沖擊工件帶來(lái)的影響，但飛片直接沖擊屬于剛性沖擊，零件表面仍會(huì)發(fā)生刻蝕，影響零件表面質(zhì)量；同時(shí)，飛片尺寸比工件尺寸大， 沖擊碰撞過(guò)程中會(huì)對(duì)模具造成一定損傷，降低模具的強(qiáng)度及壽命；并且剛性沖擊過(guò)程中，金屬稀釋現(xiàn)象嚴(yán)重，零件特性下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有激光沖擊軟模微成形時(shí)在零件表面有刻蝕的缺陷而提出一種激光間接沖擊軟模微成形方法及其專用裝置，可減少?zèng)_壓過(guò)程中金屬稀釋現(xiàn)象、減少模具表面損傷、延長(zhǎng)模具壽命、提高零件表面質(zhì)量和零件特性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的一種激光間接沖擊軟模微成形方法采用的技術(shù)方案是包括如下步驟1)由計(jì)算機(jī)控制納秒激光器發(fā)出脈沖激光，激光經(jīng)兩反射鏡和聚焦透鏡后作用于成形系統(tǒng)，同時(shí)由計(jì)算機(jī)控制三維移動(dòng)平臺(tái)調(diào)整成形系統(tǒng)的位置；2)激光通過(guò)成形系統(tǒng)的光學(xué)介質(zhì)輻照在飛片上表面上，引起部分飛片的燒蝕并產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體繼續(xù)吸收激光能量使得等離子體膨脹爆炸向飛片方向噴濺，驅(qū)動(dòng)剩余飛片飛行一段距離后與彈性材料軟模碰撞，使彈性材料軟模發(fā)生形變；3)彈性材料軟模將形變力作用在靶材工件上，使靶材工件在彈性材料軟模及特置微模具的限制下發(fā)生塑性變形。本發(fā)明提出的一種激光間接沖擊軟模微成形的專用裝置采用的技術(shù)方案是由激光加載系統(tǒng)、成形系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，激光加載系統(tǒng)包括納秒激光器、第一、第二反射鏡和聚焦透鏡，成形系統(tǒng)包括試樣系統(tǒng)、夾具體、三維移動(dòng)平臺(tái)以及L型底座，試樣系統(tǒng)設(shè)置在聚焦透鏡的正下方且放置在夾具體中，夾具體固接三維移動(dòng)平臺(tái)，三維移動(dòng)平臺(tái)放置在L 型底座上；控制系統(tǒng)包括連接納秒激光器的激光控制器、連接三維移動(dòng)平臺(tái)的三維移動(dòng)平臺(tái)控制器和計(jì)算機(jī)，試樣系統(tǒng)由光學(xué)介質(zhì)、水或硅油、飛片、飛行腔、彈性材料軟模、靶材工件和特置模具組成；從上至下依次是光學(xué)介質(zhì)、飛行腔、靶材工件和特置模具；飛片設(shè)置在飛行腔的內(nèi)腔上部，飛片的上表面涂抹有一層水或硅油且貼于光學(xué)介質(zhì)的下表面上，彈性材料軟模設(shè)置在飛行腔的內(nèi)腔下部且飛片之間具有一段距離并與靶材工件的上表面貼近， 靶材工件下表面與固定在夾具體中的特置微模具相接觸。
本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后產(chǎn)生的技術(shù)效果是
1、使用彈性材料軟模做柔性沖頭，避免了用激光或飛片直接沖擊或撞擊工件表面所引起的燒蝕或刻蝕現(xiàn)象，同時(shí)，沖擊過(guò)程中彈性材料軟模與工件緊密貼合在一起，使得工件受力均勻，并且它們之間僅有極小的相對(duì)滑動(dòng)，所以工件表面不會(huì)擦傷，提高了工件質(zhì)量，適用于對(duì)成形件表面質(zhì)量要求較高的金屬或非金屬薄板的精密成形，也可用于微器件制造等領(lǐng)域。2、使用彈性材料軟模代替飛片傳遞成形力，使工件一側(cè)與彈性材料軟模接觸，避免了飛片與模具直接撞擊對(duì)模具所造成的損傷，延長(zhǎng)了模具的壽命。3、用聚氨酯橡膠做彈性材料軟模，由于其具有不可壓縮性及超彈性，滿足工件的各種成形及數(shù)量要求，也適用于復(fù)合工藝過(guò)程，只需設(shè)置相應(yīng)的下模。4、沖壓過(guò)程中彈性材料軟模與工件緊密貼合在一起，僅有極小的相對(duì)滑動(dòng)，可通過(guò)控制彈性材料軟模與工件之間的摩擦力來(lái)增加工件的徑向力，使更多的工件材料進(jìn)入模腔，減少了金屬?zèng)_壓過(guò)程中的稀釋現(xiàn)象，保持了工件的特性，使工件在微模具中精確成形。


圖1是本發(fā)明的一種激光間接沖擊軟模微成形裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖1中試樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)放大示意圖3是圖2的試樣系統(tǒng)在沖擊過(guò)程中的結(jié)構(gòu)放大示意圖； 圖中1. L型底座；2.三維移動(dòng)平臺(tái)；3.夾具體；4.試樣系統(tǒng)；5.聚焦透鏡；6.第二反射鏡；7.第一反射鏡；8.納秒激光器；9.激光控制器；10.三維移動(dòng)平臺(tái)控制器；11.計(jì)算機(jī)；12.光學(xué)介質(zhì)；13.水或硅油；14.飛片；15.飛行腔；16.彈性材料軟模；17.靶材工件； 18.特置微模具。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1，本發(fā)明激光沖擊高分子聚合物間接微成形的專用裝置由激光加載系統(tǒng)、 成形系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。其中，激光加載系統(tǒng)包括納秒激光器8、第一反射鏡7、第二反射鏡6和聚焦透鏡5，納秒激光器8裝有指示光系統(tǒng)，其發(fā)出的激光依次經(jīng)第一反射鏡7和第二反射鏡6反射后改變光路到達(dá)聚焦透鏡5。成形系統(tǒng)包括試樣系統(tǒng)4、夾具體3、三維移動(dòng)平臺(tái)2以及L型底座1，其中試樣系統(tǒng)4設(shè)置在聚焦透鏡5的正下方，經(jīng)聚焦透鏡5聚焦后的激光作用于試樣系統(tǒng)4上。試樣系統(tǒng)4放置在夾具體3中，用夾具體3夾緊和定位試樣系統(tǒng)4，夾具體3固定在三維移動(dòng)平臺(tái)2上，三維移動(dòng)平臺(tái)2放置在L型底座1上?？刂葡到y(tǒng)包括激光控制器9、三維移動(dòng)平臺(tái)控制器10和計(jì)算機(jī)11，激光控制器9同時(shí)連接納秒激光器8和計(jì)算機(jī)11，計(jì)算機(jī)11還連接三維移動(dòng)平臺(tái)控制器10，三維移動(dòng)平臺(tái)控制器10連接三維移動(dòng)平臺(tái)2，通過(guò)計(jì)算機(jī)11分別控制納秒激光器8發(fā)出激光和三維移動(dòng)平臺(tái)2的位移。計(jì)算機(jī)11控制激光控制器9，激光控制器9可對(duì)納秒激光器8發(fā)出的脈沖激光參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。納秒激光器8發(fā)出的脈沖激光經(jīng)由第一反射鏡7，第二反射鏡6和聚焦透鏡5后最終傳遞到試樣系統(tǒng)4上。參見(jiàn)圖2所示的試樣系統(tǒng)4，試樣系統(tǒng)4由光學(xué)介質(zhì)12、水或硅油13、飛片14、飛行腔15、彈性材料軟模16、靶材工件17和特置模具18組成。試樣系統(tǒng)4從上至下依次是光學(xué)介質(zhì)12、飛行腔15、靶材工件17和特置模具18。飛行腔15的內(nèi)腔中是飛片14和彈性材料軟模16，飛片14設(shè)置在飛行腔15的內(nèi)腔上部，飛片14的上表面涂抹一層水或硅油13 后貼在光學(xué)介質(zhì)12的下表面上，即飛片14用水或硅油13粘貼在光學(xué)介質(zhì)12下表面。彈性材料軟模16設(shè)置在飛行腔15的內(nèi)腔下部，并且彈性材料軟模16與飛片14之間具有一段距離。彈性材料軟模16與靶材工件17的上表面貼近，中間沒(méi)有間隙，靶材工件17下表面與特置微模具18接觸，特置微模具18可根據(jù)要求設(shè)置不同形狀或復(fù)合模腔，特置微模具 18固定在夾具體3中。彈性材料軟模16采用聚氨酯橡膠加工而成，也可使用其它聚合物等彈性體，優(yōu)選聚氨酯橡膠。飛片14為金屬箔板，采用金屬箔膜材料制作，光學(xué)介質(zhì)12的材料是K9玻璃。 光學(xué)介質(zhì)12的作用是限制等離子體的發(fā)散并使其朝向飛片14及靶材工件17的方向高速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，光學(xué)介質(zhì)12對(duì)作用其上的激光是透明的，激光束透過(guò)光學(xué)介質(zhì)12時(shí)無(wú)明顯能
量損失。參見(jiàn)圖1-3，本發(fā)明的軟模微成形裝置的成形過(guò)程如下根據(jù)所需要成形的靶材工件17的成形要求來(lái)設(shè)計(jì)特置微模具18，由計(jì)算機(jī)11通過(guò)三維移動(dòng)平臺(tái)2調(diào)整成形系統(tǒng) 4的位置，使三維移動(dòng)平臺(tái)2達(dá)到指定位置；由計(jì)算機(jī)11控制激光控制器9和納秒激光器 8發(fā)出脈沖激光，激光經(jīng)由第一反射鏡7，第二反射鏡6和聚焦透鏡5后作用于成形系統(tǒng)4。 激光首先通過(guò)光學(xué)介質(zhì)12輻照在飛片14的上表面上，引起部分飛片14的燒蝕，產(chǎn)生高溫高壓等離子體，在激光脈寬時(shí)間內(nèi)，等離子體繼續(xù)吸收激光能量使得等離子體膨脹爆炸，由于光學(xué)介質(zhì)12的阻擋，爆炸等離子體迅速向飛片14方向噴濺，其反沖作用力可形成強(qiáng)沖擊波，驅(qū)動(dòng)剩余飛片14高速向靶材工件17飛行。飛片14飛行一段距離后先與其下部的彈性材料軟模16碰撞，獲得動(dòng)能的彈性材料軟模16在高速?zèng)_壓下自身變形，將成形力作用在其下的靶材工件17上。靶材工件17在彈性材料軟模16及特置微模具18的限制下發(fā)生塑性變形。整個(gè)過(guò)程中彈性材料軟模16始終與靶材工件17緊密貼合，變形后彈性材料軟模16 與靶材工件17同時(shí)充滿整個(gè)特置微模具18的模腔。
權(quán)利要求
1.一種激光間接沖擊軟模微成形方法，其特征是包括如下步驟1)由計(jì)算機(jī)(11)控制納秒激光器(8)發(fā)出脈沖激光，激光經(jīng)兩反射鏡和聚焦透鏡后作用于成形系統(tǒng)(4)，同時(shí)由計(jì)算機(jī)(11)控制三維移動(dòng)平臺(tái)(2)調(diào)整成形系統(tǒng)(4)的位置；2)激光通過(guò)成形系統(tǒng)(4)的光學(xué)介質(zhì)(12)輻照在飛片(14)上表面上，引起部分飛片 (14)的燒蝕并產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體繼續(xù)吸收激光能量使得等離子體膨脹爆炸向飛片(14)方向噴濺，驅(qū)動(dòng)剩余飛片(14)飛行一段距離后與彈性材料軟模(16)碰撞，使彈性材料軟模(16)發(fā)生形變；3)彈性材料軟模(16)將形變力作用在靶材工件(17)上，使靶材工件(17)在彈性材料軟模(16)及特置微模具(18)的限制下發(fā)生塑性變形。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述軟模微成形方法的專用裝置，由激光加載系統(tǒng)、成形系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，激光加載系統(tǒng)包括納秒激光器(8)、第一、第二反射鏡(7、6)和聚焦透鏡 (5)，成形系統(tǒng)包括試樣系統(tǒng)(4)、夾具體(3)、三維移動(dòng)平臺(tái)(2)以及L型底座(1)，試樣系統(tǒng)(4 )設(shè)置在聚焦透鏡(5 )的正下方且放置在夾具體(3 )中，夾具體(3 )固接三維移動(dòng)平臺(tái) (2)上，三維移動(dòng)平臺(tái)(2)放置在L型底座(1)上；控制系統(tǒng)包括連接納秒激光器(8)的激光控制器(9)、連接三維移動(dòng)平臺(tái)(2)的三維移動(dòng)平臺(tái)控制器(10)和計(jì)算機(jī)(11)，其特征是 所述試樣系統(tǒng)(4)由光學(xué)介質(zhì)(12)、水或硅油(130、飛片(14)、飛行腔(15)、彈性材料軟模 (16)、靶材工件(17)和特置模具(18)組成；從上至下依次是光學(xué)介質(zhì)(12)、飛行腔(15)、靶材工件(17)和特置模具(18)；飛片(14)設(shè)置在飛行腔(15)的內(nèi)腔上部，飛片(14)的上表面涂抹有一層水或硅油(13)且貼于光學(xué)介質(zhì)(12)的下表面上，彈性材料軟模(16)設(shè)置在飛行腔(15)的內(nèi)腔下部且與飛片(14)之間具有一段距離并與靶材工件(17)的上表面貼近，靶材工件(17)下表面與固定在夾具體(3)中的特置微模具(18)相接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的專用裝置，其特征是彈性材料軟模(16)的材料是聚氨酯橡膠，飛片(14)為金屬箔板，光學(xué)介質(zhì)(12)的材料是K9玻璃。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種激光間接沖擊軟模微成形方法及其專用裝置，激光通過(guò)光學(xué)介質(zhì)輻照在飛片上表面上，引起部分飛片的燒蝕并產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體繼續(xù)吸收激光能量使得等離子體膨脹爆炸向飛片方向噴濺，驅(qū)動(dòng)剩余飛片飛行一段距離后與彈性材料軟模碰撞，使彈性材料軟模發(fā)生形變；彈性材料軟模將形變力作用在靶材工件上，使靶材工件在彈性材料軟模及特置微模具的限制下發(fā)生塑性變形；避免了用激光或飛片直接沖擊或撞擊工件表面所引起的燒蝕或刻蝕現(xiàn)象，提高了工件質(zhì)量，延長(zhǎng)了模具壽命。
文檔編號(hào)B23K26/00GK102513696SQ20111040055
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者劉會(huì)霞, 劉輝, 張虎, 李品, 杜道忠, 沈宗寶, 王霄, 胡楊, 郭朝, 高陽(yáng)陽(yáng) 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)