本發(fā)明涉及激光成型技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種激光噴丸制品表面制造系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

金屬工藝制品表面壓紋制造技術(shù)在現(xiàn)代制造工藝中得到廣泛應(yīng)用。這些壓紋深度一致、按一定規(guī)律分布在表面上，可以提高產(chǎn)品的美觀性和檔次，增加產(chǎn)品的附加值。

現(xiàn)有技術(shù)中，表面加工技術(shù)多種多樣，如超聲加工法、研磨法、微細(xì)電解加工法等；超聲加工法加工時振動加工對表面質(zhì)量影響較大，需要二次加工來進(jìn)行表面微結(jié)構(gòu)加工的，這種方法存在設(shè)備復(fù)雜、成本高、加工不穩(wěn)定等不利因素；微細(xì)電解加工中微細(xì)電極陣列制造工藝復(fù)雜，難度較大。

目前有許多采用激光對材料進(jìn)行加工的方法，利用激光來改變材料的力學(xué)性能或誘導(dǎo)材料產(chǎn)生變形，對加工后的表面質(zhì)量要求與美觀性并不十分關(guān)注。

發(fā)明專利“摩擦副工作表面微坑數(shù)控激光成型方法及裝置”(02111930.9)；公布了一種激光材料表面微形貌加工方法，該方法采用激光作為能量源，通過激光燒蝕作用在工件表面加工微坑，充分發(fā)揮了激光加工可控性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是該技術(shù)是利用激光熱效應(yīng)進(jìn)行微坑加工，對材料有微觀汽化和燒蝕作用，會造成局部材料性能發(fā)生改變，在工件表面形成許多微觀疲勞裂紋，降低材料疲勞性能；“一種激光沖擊制造表面微凸起形貌的裝置和方法”(CN104308361A)公布了一種激光沖擊制造表面微凸起形貌的方法，該方法利用激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的高壓沖擊波作用于金屬工件表面，沖擊波機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，致金屬工件表面熔融形成微熔池；后續(xù)形成的二次沖擊波作用于金屬工件表面的微熔池，致熔池中心材料向周圍擠壓堆積，最終凝固，形成周圍微凸起的凹坑形貌，同時激光沖擊表面改性和激光表面微造型兩項功能；但由于該方法的熔池在受到?jīng)_擊波作用時響應(yīng)不同，必然導(dǎo)致所成的各個微坑大小和形貌不一致，所以存在難于控制的缺陷。

綜上所述，如何提供一種便于控制制造效果的激光噴丸制品表面制造系統(tǒng)，是目前本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種激光噴丸制品表面制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)便于控制制造結(jié)果，且具有較高的制造精度。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種激光噴丸制品表面制造系統(tǒng)，包括：

用于發(fā)射激光光束的高能短脈沖激光器，所述高能短脈沖激光器能夠調(diào)整激光光束的能量大??；

用于對激光光束進(jìn)行匯聚的聚光透鏡；

用于調(diào)整激光光束的光束質(zhì)量的光路準(zhǔn)直器；

用于調(diào)整激光光束的形狀的光束直徑調(diào)節(jié)器；

用于反射所述激光光束的第二反射鏡組，所述第二反射鏡組設(shè)置在激光頭運(yùn)動裝置上；

工件裝夾運(yùn)動平臺，所述工件裝夾運(yùn)動平臺用于夾持加工工件；

設(shè)置在加工工件表面的柔性貼膜，用于吸收激光光束能量產(chǎn)生的蒸汽、并保護(hù)工件不受激光輻照產(chǎn)生的熱損傷；

預(yù)存有加工參數(shù)的計算機(jī)集成控制系統(tǒng)，所述計算機(jī)集成控制系統(tǒng)與所述高能短脈沖激光器、光路準(zhǔn)直器、光束直徑調(diào)節(jié)器、激光頭運(yùn)動裝置和工件裝夾運(yùn)動平臺連接，用于控制所述高能短脈沖激光器、光路準(zhǔn)直器、光束直徑調(diào)節(jié)器的工作以及用于控制所述激光頭運(yùn)動裝置和工件裝夾運(yùn)動平臺的運(yùn)動；

所述聚光透鏡、光路準(zhǔn)直器、第一反射鏡組、光束直徑調(diào)節(jié)器、第二反射鏡組和工件裝夾運(yùn)動平臺依次設(shè)置在所述高能短脈沖激光器的激光光束的光路上。

優(yōu)選的，還包括用于采集所述加工工件實時加工狀態(tài)的壓紋實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，所述壓紋實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與所述計算機(jī)集成控制系統(tǒng)連接，用于將所述實時加工狀態(tài)與目標(biāo)加工狀態(tài)進(jìn)行對比，并根據(jù)對比結(jié)果調(diào)整所述加工參數(shù)。

優(yōu)選的，還包括用于向設(shè)置有所述柔性貼膜的加工工件進(jìn)行噴水作業(yè)的流水噴嘴，以便約束等離子體沖擊波。

優(yōu)選的，所述激光頭運(yùn)動裝置與豎直設(shè)置的導(dǎo)軌連接，所述激光頭運(yùn)動裝置的運(yùn)動方向沿所述導(dǎo)軌長度方向。

優(yōu)選的，所述工件裝夾運(yùn)動平臺為一三聯(lián)動運(yùn)動平臺，所述工件裝夾運(yùn)動平臺可在水平面內(nèi)沿X軸方向作直線運(yùn)動、Y軸方向作直線運(yùn)動以及沿順時針或逆時針方向轉(zhuǎn)動。

優(yōu)選的，所述工件裝夾運(yùn)動平臺還具有轉(zhuǎn)動底盤，所述轉(zhuǎn)動底盤能夠在水平面內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)動。

優(yōu)選的，所述工件裝夾運(yùn)動平臺還具有轉(zhuǎn)動底盤，所述轉(zhuǎn)動底盤的轉(zhuǎn)動軸線與激光光路的路線共線。

優(yōu)選的，所述光束直徑調(diào)節(jié)器對所述激光光束的調(diào)節(jié)范圍為0.5-5mm。

優(yōu)選的，所述高能短脈沖激光器的激光脈寬范圍為8ns至16ns，且所述激光脈寬在所述激光脈寬范圍內(nèi)為可調(diào)脈寬。

本發(fā)明直接利用高能脈沖激光輸出的激光束輻照金屬工藝制品表面進(jìn)行壓紋加工，通過控制激光束能量、光斑形狀、尺寸及其與加工件的相對位置，有序進(jìn)行沖擊點(diǎn)排布規(guī)劃，可以實現(xiàn)不同形狀壓紋的激光噴丸加工。本發(fā)明加工時按照預(yù)先設(shè)好的噴丸路徑和光斑形狀及分布，計算機(jī)集成控制系統(tǒng)通過控制高能短脈沖激光器、光路準(zhǔn)直器、光束直徑調(diào)節(jié)器等來調(diào)節(jié)輸出光束的能量大小、光束質(zhì)量和光束形狀尺寸。通過控制激光頭運(yùn)動裝置和工件裝夾運(yùn)動平臺的運(yùn)動，以實現(xiàn)對工件的加工。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明所提供的一種激光噴丸制品表面制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1中附圖標(biāo)記為：

高能短脈沖激光器1、激光束2、聚焦透鏡3、光路準(zhǔn)直器4、第一反射鏡組5、光束直徑調(diào)節(jié)器6、激光頭運(yùn)動裝置7、第二反射鏡組8、工件裝夾運(yùn)動平臺9、計算機(jī)集成控制系統(tǒng)10、流水噴嘴11、加工工件12、壓紋實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)13。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的核心是提供一種激光噴丸制品表面制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)便于控制制造結(jié)果，且具有較高的制造精度。

請參考圖1，圖1為本發(fā)明所提供的一種激光噴丸制品表面制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

本發(fā)明所提供的一種激光噴丸制品表面制造系統(tǒng)，包括：高能短脈沖激光器1、聚光透鏡3、光路準(zhǔn)直器4、光束直徑調(diào)節(jié)器6、第二反射鏡組8、工件裝夾運(yùn)動平臺9、計算機(jī)集成控制系統(tǒng)10。

具體地，用于高能短脈沖激光器1發(fā)射激光光束的，高能短脈沖激光器1能夠調(diào)整激光光束的能量大小，聚光透鏡3用于對激光光束進(jìn)行匯聚，光路準(zhǔn)直器4用于調(diào)整激光光束的光束質(zhì)量；光束直徑調(diào)節(jié)器6用于調(diào)整激光光束的形狀；第二反射鏡組8用于反射激光光束，第二反射鏡組設(shè)置8在激光頭運(yùn)動裝置7上，工件裝夾運(yùn)動平臺9用于夾持加工工件。

柔性貼膜使設(shè)置在加工工件表面的薄膜，用于吸收激光光束能量產(chǎn)生的蒸汽、并保護(hù)工件不受激光輻照產(chǎn)生的熱損傷。

計算機(jī)集成控制系統(tǒng)10為預(yù)存有加工參數(shù)的控制系統(tǒng)，計算機(jī)集成控制系統(tǒng)10與高能短脈沖激光器1、光路準(zhǔn)直器4、光束直徑調(diào)節(jié)器6、激光頭運(yùn)動裝置7和工件裝夾運(yùn)動平臺9連接，用于控制高能短脈沖激光器1、光路準(zhǔn)直器4、光束直徑調(diào)節(jié)器6的工作以及用于控制激光頭運(yùn)動裝置7和工件裝夾運(yùn)動平臺9的運(yùn)動。

為了實現(xiàn)對激光光束的調(diào)整和控制，聚光透鏡3、光路準(zhǔn)直器4、第一反射鏡組5、光束直徑調(diào)節(jié)器6、第二反射鏡組8和工件裝夾運(yùn)動平臺9依次設(shè)置在高能短脈沖激光器1的激光光束的光路上。請參考圖1，圖1中由高能短脈沖激光器1產(chǎn)生的激光光束的方向上，依次設(shè)置有聚光透鏡3、光路準(zhǔn)直器4、第一反射鏡組5、光束直徑調(diào)節(jié)器6、第二反射鏡組8和工件裝夾運(yùn)動平臺9。第二反射鏡組8設(shè)置在激光頭運(yùn)動裝置7上，通過激光頭運(yùn)動裝置7的運(yùn)動，調(diào)整第二反射鏡組8的反射方向。加工工件設(shè)置在工件裝夾運(yùn)動平臺9上，通過工件裝夾運(yùn)動平臺9的移動和轉(zhuǎn)動調(diào)整加工工件的姿態(tài)和位置。上述裝置均可以和計算機(jī)集成控制系統(tǒng)10連接，以便實現(xiàn)激光光路上部件的自動控制。

在激光光路上，高能短脈沖激光器1后位安裝聚焦透鏡3，對激光束進(jìn)行聚焦處理后射入后位的光路準(zhǔn)直器4內(nèi)，光路準(zhǔn)直器4對激光進(jìn)行準(zhǔn)直化處理；準(zhǔn)直化的激光束經(jīng)一系列反射鏡組反射，將光束傳入后位的光束直徑調(diào)節(jié)器；光束直徑調(diào)節(jié)器6按要求調(diào)控輸出所需形狀和尺寸大小光斑的光束，射入激光頭運(yùn)動裝置7，經(jīng)第二反射鏡組8反射后射在固定于工件裝夾運(yùn)動平臺9的加工工件表面。

上述實施例中采用預(yù)先貼附在加工工件表面的柔性貼膜是一種吸收激光的能量吸收層。能量吸收層在激光輻照時汽化電離形成等離子體并產(chǎn)生爆炸，在約束層的約束下，產(chǎn)生高幅值沖擊波，其壓力峰值一般在1GPa以上，超過了材料動態(tài)屈服強(qiáng)度，從而使金屬工藝制品表面局部發(fā)生微小塑性變形，形成壓紋。

本發(fā)明直接利用高能脈沖激光輸出的激光束輻照金屬工藝制品表面進(jìn)行壓紋加工，通過控制激光束能量、光斑形狀、尺寸及其與加工件的相對位置，有序進(jìn)行沖擊點(diǎn)排布規(guī)劃，可以實現(xiàn)不同形狀壓紋的激光噴丸加工。本發(fā)明加工時按照預(yù)先設(shè)好的噴丸路徑和光斑形狀及分布，計算機(jī)集成控制系統(tǒng)通過控制高能短脈沖激光器、光路準(zhǔn)直器、光束直徑調(diào)節(jié)器等來調(diào)節(jié)輸出光束的能量大小、光束質(zhì)量和光束形狀尺寸。通過控制激光頭運(yùn)動裝置7和工件裝夾運(yùn)動平臺的運(yùn)動，以實現(xiàn)對工件的加工。

可選的，上述柔性貼膜為厚度約為100um的專用柔性貼膜。

本發(fā)明采用高能脈沖激光器作用能量源，工藝方法簡單、可靠、易于自動化，工藝過程可控性強(qiáng)；可實現(xiàn)工件表面壓紋陣列快速加工，改善工件表層力學(xué)性能，提高其表面質(zhì)量；同時由于加工過程中工件表面有吸收層的保護(hù)作用，激光不會對加工件的表面產(chǎn)生燒蝕作用的影響；因而，激光噴丸壓紋加工一方面可以避免激光熔化燒蝕加工的不利影響，另一方面能充分發(fā)揮激光加工區(qū)域可控、易于自動化等優(yōu)點(diǎn)。該工藝方法與激光熱蝕工藝相比，工件表面無熱影響，并能在工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，在保證工件表面加工出所需紋理的同時，并提高工件表面抗磨損等力學(xué)性能。

在上述實施例的基礎(chǔ)之上，上述系統(tǒng)還包括用于采集加工工件實時加工狀態(tài)的壓紋實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)13，壓紋實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)13與計算機(jī)集成控制系統(tǒng)10連接，用于將實時加工狀態(tài)與目標(biāo)加工狀態(tài)進(jìn)行對比，并根據(jù)對比結(jié)果調(diào)整加工參數(shù)。

通過控制壓紋實時監(jiān)控系統(tǒng)，實時采集所成壓紋形狀并與計算機(jī)集成控制系統(tǒng)輸入的工藝圖案進(jìn)行實時對比，并實時調(diào)節(jié)加工參數(shù)，以滿足壓紋加工質(zhì)量的要求。

在上述任意一個實施例的基礎(chǔ)之上，還包括用于向設(shè)置有柔性貼膜的加工工件進(jìn)行噴水作業(yè)的流水噴嘴11，以便約束等離子體沖擊波。

在上述任意一個實施例的基礎(chǔ)之上，激光頭運(yùn)動裝置7與豎直設(shè)置的導(dǎo)軌連接，激光頭運(yùn)動裝置7的運(yùn)動方向沿導(dǎo)軌長度方向。

在上述任意一個實施例的基礎(chǔ)之上，工件裝夾運(yùn)動平臺9為一三聯(lián)動運(yùn)動平臺，工件裝夾運(yùn)動平臺9可在水平面內(nèi)沿X軸方向作直線運(yùn)動、Y軸方向作直線運(yùn)動以及沿順時針或逆時針方向轉(zhuǎn)動。

可選的，工件裝夾運(yùn)動平臺9可以為一三聯(lián)動運(yùn)動平臺，其可在其所在平內(nèi)沿X、Y兩個方向作直線運(yùn)動，也可以沿順時針或逆時針方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動，同時還可以沿激光頭運(yùn)動裝置內(nèi)的反射鏡反射的激光束軸線所在直線進(jìn)行0-90°的擺動。

在上述任意一個實施例的基礎(chǔ)之上，工件裝夾運(yùn)動平臺9還具有轉(zhuǎn)動底盤，轉(zhuǎn)動底盤能夠在水平面內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)動。

可選的，工件裝夾運(yùn)動平臺9還具有轉(zhuǎn)動底盤，轉(zhuǎn)動底盤的轉(zhuǎn)動軸線與激光光路的路線共線。

可選的，光束直徑調(diào)節(jié)器6對激光光束的調(diào)節(jié)范圍為0.5-5mm。

在上述任意一個實施例的基礎(chǔ)之上，高能短脈沖激光器1的激光脈寬范圍為8ns至16ns，且激光脈寬在激光脈寬范圍內(nèi)為可調(diào)脈寬。

可選的，高能短脈沖激光器1為脈沖納秒激光器，激光脈寬為8ns—16ns可調(diào)，激光波長為1053nm，光束發(fā)散角必須小于或等于3毫弧度(mrad)，激光輸出功率密度精確可調(diào)，功率穩(wěn)定性，無干預(yù)運(yùn)行8小時變量保持小于或等于5％。

本發(fā)明所提供的激光噴丸制品表面制造系統(tǒng)可以通過以下方式進(jìn)行操作：

第一步，在加工工件12表面黏貼柔性貼膜，用于吸收激光能量產(chǎn)生蒸汽并保護(hù)工件不受激光輻照產(chǎn)生的熱損傷；上述柔性貼膜為吸收層，約束層施加在吸收層表面，用于約束等離子體沖擊波，增強(qiáng)激光噴丸時的沖擊壓力。約束層為通過水流噴嘴11施加在吸收層表面形成的流動水膜。

第二步，高能脈沖激光器1發(fā)出的激光束2經(jīng)整個光路系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，輻照在加工工件12表面吸收層上，吸收層在激光束2輻照下熔融汽化，形成等離子體并爆炸形成沖擊波，沖擊波在約束層的約束下，沖擊壓力得到增強(qiáng)，作用在加工工件12表面產(chǎn)生高應(yīng)變率塑性變形，形成局部微壓紋。

加工工件12表面壓紋的幾何尺寸及形狀通過計算機(jī)集成控制系統(tǒng)10控制高能脈沖激光器1輸出的激光束2的脈寬、激光能量，控制外光路系統(tǒng)中光路準(zhǔn)直器4和光束直徑尺寸調(diào)節(jié)器6改變光束直徑尺寸，以及控制沖擊點(diǎn)的沖擊次數(shù)等途徑實現(xiàn)。

計算機(jī)集成控制系統(tǒng)10有序控制激光頭運(yùn)動裝置7和工件裝夾運(yùn)動平臺工9的三維空間位姿和運(yùn)動，調(diào)整加工工件12的加工表面與激光束2的相對位置，結(jié)合對高能脈沖激光器1輸出激光束2的控制，在加工工件12表面不同位置進(jìn)行沖擊，實現(xiàn)不同形狀大小的激光光斑的壓紋陣列的加工。

激光頭運(yùn)動裝置7僅能沿其運(yùn)動導(dǎo)軌上下運(yùn)動，控制激光束輻照加工工件12的高度位置；工件裝夾運(yùn)動平臺9為一三聯(lián)動運(yùn)動平臺，其可在其所在平內(nèi)沿X、Y兩個方向作直線運(yùn)動，也可以沿順時針或逆時針方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動，同時還可以沿垂直于經(jīng)反射鏡8反射的激光束軸線所在直線進(jìn)行0-90°的擺動，以滿足不同表面形狀加工工件的加工要求。

除了上述實施例所提供的激光噴丸制品表面制造系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和操作方式，該激光噴丸制品表面制造系統(tǒng)的其他各部分的結(jié)構(gòu)請參考現(xiàn)有技術(shù)，對應(yīng)的相類似的操作方式也可以相互借鑒，本文不再贅述。

本說明書中各個實施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個實施例重點(diǎn)說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

以上對本發(fā)明所提供的激光噴丸制品表面制造系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進(jìn)行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。