本發(fā)明涉及激光沖擊成形領域，特別涉及基于激光沖擊金屬箔板漸進彎曲成形的裝置及其方法。

背景技術：

金屬板材的成形技術在制造業(yè)中一直占據(jù)很重要的地位，傳統(tǒng)的金屬板材成形技術利用金屬塑性成形的特點，通過對金屬板材施加壓力達到變形的目的，但是此種方法一般都是在外力的作用下借助于模具來實現(xiàn)，模具的設計復雜、制造周期長，模具間的依賴關系大、成本高使得傳統(tǒng)的成形方法很難滿足現(xiàn)在市場對單間小批量、多品種的需求。在此背景下一種無模新技術——激光沖擊成形受到了普遍的關注。激光沖擊成形是利用激光作用所產(chǎn)生的沖擊波壓力使材料變形的一種無模新技術。它利用高能激光誘導的高幅沖擊波壓力的力效應而非熱效應來實現(xiàn)金屬板料的塑性成形。其原理是：激光沖擊工件表面的能量轉換體(由透明的約束層和不透明的吸收層組成)，使其中的吸收層部分氣化電離并形成沖擊波，利用沖擊波的壓力使板材發(fā)生塑性變形。激光沖擊成形技術有效克服板材成形過程中的回彈問題，同時可提高工件的抗疲勞和抗腐蝕性，在金屬板料塑性精確成形領域獲得大規(guī)模研究及推廣應用。

申請?zhí)枮?01210274534.4的中國專利提出了一種激光沖擊微調(diào)校方法及裝置，通過調(diào)整激光的能量即控制工件變形程度，從而實現(xiàn)工件彎曲曲率的微調(diào)校。但該方法只能調(diào)整作用在工件上激光光斑的大小，而不能改變激光光斑的形狀，該方法對于一些復雜的微彎曲件很難沖擊成形。然而激光沖擊彎曲成形技術仍然存在著成形可控性低、工件夾緊精度低等缺陷。解決好微型金屬箔成形精度顯得至關重要。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中存在不足，本發(fā)明提供了一種基于激光沖擊金屬箔板漸進彎曲成形的裝置及其方法，該裝置通過在掩膜上開不同的孔結構從而來改變激光光斑形狀，以適應任意形狀或要求的工件沖擊漸進成形，可以實現(xiàn)金屬薄板的精確夾緊確保成形精度，整個沖壓過程快速靈活，自動化程度高，可以有效提高成形效率。

本發(fā)明是通過如下技術方案得以實現(xiàn)的：

基于激光沖擊金屬箔板漸進彎曲成形的裝置，包括激光發(fā)射系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和工件變形操作系統(tǒng)；

所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括計算機、激光控制器、納秒激光器、平面反射鏡、聚焦透鏡、聚焦透鏡支架和聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)器；所述計算機、激光控制器、納秒激光器依次連接；所述納秒激光器發(fā)射的激光束與第一平面反射鏡鏡面角度為45°；所述平面反射鏡正下方設置有第二平面反射鏡；所述第二平面反射鏡鏡面與平面反射鏡鏡面相對且平行；所述第二平面反射鏡與聚焦透鏡等高設置；所述聚焦透鏡安裝在聚焦透鏡支架上；所述聚焦透鏡支架與聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)器相連接；所述聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)器安裝在底座上；

所述控制系統(tǒng)包括液壓控制器和三維移動平臺控制器；所述液壓控制器一端與液壓缸的相連接，另一端與計算機相連接；所述三維移動平臺控制器與三維移動平臺連接，從而實現(xiàn)工件三維方向上的精確移動；

所述工件變形操作系統(tǒng)包括給水系統(tǒng)、工件夾緊裝置和掩膜系統(tǒng)；所述給水系統(tǒng)包括水箱和導管；所述導管與水箱相連，并延伸至黑漆層形成水層；

所述工件夾緊裝置包括液壓缸、推桿、擋塊和卡槽；所述液壓缸與推桿配合；所述推桿和擋塊通過可拆卸連接；所述擋塊置于卡槽內(nèi)；所述卡槽為U形槽結構；

所述工件夾緊裝置通過螺釘固定在L型支架的水平側面上，所述L型支架安裝在三維位移移動平臺上，所述三維移動平臺安裝在底座上；

所述掩膜系統(tǒng)包括掩膜、掩膜支架、掩膜位置調(diào)節(jié)器；所述掩膜上開設有孔；所述掩膜通過掩膜支架與掩膜位置調(diào)節(jié)器相連接，所述掩膜位置調(diào)節(jié)器安裝在底座上，可以實現(xiàn)掩膜Z方向的自由調(diào)節(jié)；所述聚焦透鏡中心的位置與掩膜開設的槽等高。

進一步的，所述卡槽U形槽結構的底部開設有寬度為L，長度為B的槽，且B的長度大于槽口C的長度。

進一步的，所述卡槽上開設的槽內(nèi)固定有工件；所述工件左側面上涂覆有黑漆層；所述擋塊壓緊黑漆層。

進一步的，所述掩膜上開的孔形狀為長方形、圓形或者橢圓。

進一步的，所述卡槽上開設的槽的L為0.03mm～0.06mm。

進一步的，所述擋塊為長方體。

進一步的，所述掩膜為不銹鋼。

基于激光沖擊金屬箔板漸進彎曲的裝置的成形方法，包括以下步驟：

S1，工件處理，用粗砂紙打磨除去工件表面存在的氧化層，再用細砂紙打磨拋光，最后用酒精或丙酮清洗表面，得到清潔光滑的沖擊表面；在工件表面涂上黑漆形成不透明吸收層即黑漆層，以保證工件對激光的吸收率，水箱及導管保證工件沖擊表面形成穩(wěn)定的水層用以約束激光能量；

S2，工件夾緊，作業(yè)時，將工件的一端插入到工件夾緊裝置中的卡槽內(nèi)，通過計算機控制液壓控制器，進而控制液壓缸通過推桿推動擋塊移動，實現(xiàn)對工件的夾緊，另一端呈豎直懸空狀態(tài)；

S3，調(diào)節(jié)光路，調(diào)節(jié)聚焦透鏡、掩膜、工件的距離使激光穿過掩膜聚焦于步驟S1所述的吸收層表面，形成合適的激光區(qū)域；

S4，激光沖擊，通過計算機調(diào)節(jié)激光參數(shù)，對納秒脈沖激光器進行單次或多次發(fā)射操作，實現(xiàn)工件的單次或多次脈沖激光沖擊，通過計算機調(diào)節(jié)三維位移控制器讓工件移動實現(xiàn)不同部位的沖擊成形，經(jīng)過多次沖擊后，誘導金屬薄板實現(xiàn)精準的漸進彎曲成形，最后，計算機(1)控制工件夾緊裝置將成形件取下，完成沖擊過程。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

1將激光沖擊成形和掩膜技術結合，通過掩膜上開不同的孔結構從而來改變激光光斑形狀，改變激光沖擊區(qū)域的大小滿足不同沖擊要求的工件沖擊成形；

2通過多次激光沖擊實現(xiàn)金屬箔板的漸進成形，可控性高；

3設計工件夾緊裝置保證工件夾緊精度，整個沖擊過程中穩(wěn)定高效。

附圖說明

圖1裝置組成系統(tǒng)示意圖；

圖2工件夾緊裝置示意圖；

圖3激光沖擊掩膜示意圖。

圖中：1-計算機，2-激光控制器，3-納秒激光器，4-第一平面反射鏡，5-聚焦透鏡，6-聚焦透鏡支架，7-聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)器，8-底座，9-液壓控制器，10-三維移動平臺控制器，11-水層，12-黑漆層，13-工件，14-水箱，15-導管，16-液壓缸，17-推桿，18-卡槽，19-L型支架，20-三維移動平臺，21-掩膜，22-掩膜支架，23-掩膜位置調(diào)節(jié)器，24-擋塊；25-激光光斑，26-掩模的縫隙；27-第二平面反射鏡。

具體實施方式

下面結合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

結合附圖1和3，基于激光沖擊金屬箔板漸進彎曲成形的裝置，包括激光發(fā)射系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和工件變形操作系統(tǒng)；

激光發(fā)射系統(tǒng)包括計算機1、激光控制器2、納秒激光器3、平面反射鏡4、聚焦透鏡5、聚焦透鏡支架6和聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)器7；所述計算機1、激光控制器2、納秒激光器3依次連接；所述納秒激光器3發(fā)射的激光束與第一平面反射鏡4鏡面角度為45°；所述平面反射鏡4正下方設置有第二平面反射鏡27；所述第二平面反射鏡27鏡面與平面反射鏡4鏡面相對且平行；所述第二平面反射鏡27與聚焦透鏡5等高設置；所述聚焦透鏡5安裝在聚焦透鏡支架6上；所述聚焦透鏡支架6與聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)器7相連接；所述聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)器7安裝在底座8上；

所述控制系統(tǒng)包括液壓控制器9和三維移動平臺控制器10；所述液壓控制器9一端與液壓缸16的相連接，另一端與計算機1相連接；所述三維移動平臺控制器10與三維移動平臺20連接，從而實現(xiàn)工件13三維方向上的精確移動；

所述工件變形操作系統(tǒng)包括給水系統(tǒng)、工件夾緊裝置和掩膜系統(tǒng)；所述給水系統(tǒng)包括水箱14和導管15；所述導管15與水箱14相連，并延伸至黑漆層12形成水層11；

結合附圖1和2，工件夾緊裝置包括液壓缸16、推桿17、擋塊24和卡槽18；所述液壓缸16與推桿17配合；所述推桿17和擋塊24通過可拆卸連接；所述擋塊24為長方體；所述擋塊24置于卡槽18內(nèi)；所述卡槽18為U形槽結構；所述卡槽18的U形槽結構的底部開設有寬度為L，其中卡槽18尺寸L為0.03mm～0.06mm。長度為B的槽，且B的長度大于槽口C的長度。所述卡槽18上開設的槽內(nèi)固定有工件13；所述工件13左側面上涂覆有黑漆層12；所述擋塊24壓緊黑漆層12。

所述工件夾緊裝置通過螺釘固定在L型支架19的水平側面上，所述L型支架19安裝在三維位移移動平臺20上，所述三維移動平臺20安裝在底座8上；所述掩膜系統(tǒng)包括掩膜21、掩膜支架22、掩膜位置調(diào)節(jié)器23；所述掩膜21為不銹鋼。

掩膜21上開設有孔；所述掩膜21通過掩膜支架22與掩膜位置調(diào)節(jié)器23相連接，所述掩膜位置調(diào)節(jié)器23安裝在底座8上，可以實現(xiàn)掩膜21Z的方向的自由調(diào)節(jié)；所述聚焦透鏡5中心的位置與掩膜21開設的槽等高。

結合附圖3，為了方便理解激光光斑和掩膜21的作用方式，形象的說明激光光斑的形狀通過掩膜的縫隙26的發(fā)生改變，激光光斑25由圓形光斑變?yōu)榫匦喂獍?。掩?1的作用是讓激光通過去加工工件13的，至于取激光光斑25的那一塊，是由實際情況決定的，附圖3只是一種情況，掩膜21上開的孔形狀為長方形、圓形或者橢圓。有時需要全部光斑通過掩膜縫隙，有時需要部分光斑的通過掩膜縫隙。有的情況下，激光自身圓形光斑沖擊工件不能理想地產(chǎn)生需要的形狀，需要在掩膜21的幫助下，改變激光光斑，使激光光斑的形狀和工件沖擊成形的形狀相似，從而利于工件成形。

工件13表面涂覆黑漆層12吸收激光能量，給水系統(tǒng)包括水箱14和導管15，水箱14及導管15保證工件沖擊表面形成穩(wěn)定的水層11用以約束激光能量；液壓控制器9控制液壓缸16和推桿17的伸縮，從而實現(xiàn)工件13的精確夾緊，通過三維移動平臺控制器10實現(xiàn)工件13三維方向上的精確移動；其中工件系統(tǒng)包括水層11、黑漆層12和工件13，工件13表面涂覆黑漆層12吸收激光能量，給水系統(tǒng)包括水箱14和導管15，水箱14及導管15保證工件沖擊表面形成穩(wěn)定的水層11用以約束激光能量；掩膜21為一不銹鋼薄板，可根據(jù)實際需要在掩膜表面線切割不同尺寸的形狀。所述掩膜支架22包括一個夾緊裝置，方便掩膜21的更換及清洗。

黑漆層12具有兩個作用，一是取代工件氣化電離形成等離子體，防止工件表面發(fā)生熔融和燒蝕；二是提高激光入射能量的吸收率，進而提高沖擊波峰值。

水層11能夠阻礙等離子體的膨脹，增強激光能量的耦合，因而能夠顯著提高激光沖波的峰值壓力，并延長其作用時間。

基于激光沖擊金屬箔板漸進彎曲的裝置的成形方法，包括以下步驟：

S1，工件處理，用粗砂紙打磨除去工件13表面存在的氧化層，再用細砂紙打磨拋光，最后用酒精或丙酮清洗表面，得到清潔光滑的沖擊表面；在工件13表面涂上黑漆形成不透明吸收層即黑漆層12，以保證工件對激光的吸收率，水箱14及導管15保證工件13沖擊表面形成穩(wěn)定的水層11用以約束激光能量；

S2，工件夾緊，作業(yè)時，將工件13的一端插入到工件夾緊裝置中的卡槽18內(nèi)，通過計算機1控制液壓控制器9，進而控制液壓缸16通過推桿17推動擋塊24移動，實現(xiàn)對工件13的夾緊，另一端呈豎直懸空狀態(tài)；

S3，調(diào)節(jié)光路，調(diào)節(jié)聚焦透鏡5、掩膜21、工件13的距離使激光穿過掩膜21聚焦于步驟S1所述的吸收層表面，形成合適的激光區(qū)域；

S4，激光沖擊，通過計算機1調(diào)節(jié)激光參數(shù)，對納秒脈沖激光器3進行單次或多次發(fā)射操作，實現(xiàn)工件13的單次或多次脈沖激光沖擊，通過計算機1調(diào)節(jié)三維位移控制器10讓工件13移動實現(xiàn)不同部位的沖擊成形，經(jīng)過多次沖擊后，誘導金屬薄板實現(xiàn)精準的漸進彎曲成形，最后，計算機1控制工件夾緊裝置將成形件取下，完成沖擊過程。

所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。