一種醫(yī)用鈦合金板的激光沖擊微成形裝置及其微成形工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬材料的激光沖擊微成形裝置及其微成形工藝，尤其涉及一種適于醫(yī)用鈦合金板的激光沖擊微成形裝置及其微成形工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，各種生物醫(yī)學(xué)材料得到了廣泛的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，特別是鈦合金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的研宄和應(yīng)用明顯增多。鈦合金具有較高的強(qiáng)度和韌性，適用于硬組織的修復(fù)和固定。其中，鈦合金T1-6A1-4V(TC4)因其具有優(yōu)越的耐蝕性、高比強(qiáng)度和良好的生物相容性、適于植入等特點(diǎn)而廣泛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
[0003]但是，鈦合金材料本身的其表面硬度低、耐磨性差。而且，一旦鈦合金產(chǎn)品的耐腐蝕性能不高，經(jīng)過(guò)腐蝕后的鈦合金，其含有的釩將以離子形式進(jìn)入人體，進(jìn)而引發(fā)炎癥。因此，往往需要借助于表面改性等技術(shù)手段，以提高其產(chǎn)品的耐腐蝕性能，以滿(mǎn)足醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用需要。
[0004]中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)CN1128689C公開(kāi)了一種激光沖擊精密成形方法及裝置，其利用強(qiáng)脈沖激光束沖擊工件表面柔性貼膜，使其表層氣化電離并形成沖擊波，由于產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值超過(guò)材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，從而使工件材料塑性變形。
[0005]上述技術(shù)方案為金屬塑性成形提供了一個(gè)很好的技術(shù)思路，但其也存在諸多的不足之處，例如:
[0006]1、其激光沖擊成形過(guò)程中，沖擊力呈高斯分布，不可避免地，將造成成形不均勻，進(jìn)而影響材料表面的加工精度與一致性；
[0007]2、實(shí)際上，在激光沖擊成形過(guò)程中，各沖擊點(diǎn)位置的材料變形量必然存在一定程度的差異，而上述技術(shù)方案的激光沖擊成形過(guò)程中，其激光強(qiáng)度始終不變，這進(jìn)一步制約了其成形精度的可靠性與穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的之一是提供一種適于醫(yī)用鈦合金板微米級(jí)加工成形，加工成形質(zhì)量穩(wěn)定可靠，加工成后的鈦合金表面耐磨性可以得到提高的醫(yī)用鈦合金板的激光沖擊微成形
目.ο
[0009]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是，一種醫(yī)用鈦合金板的激光沖擊微成形裝置，包括計(jì)算機(jī)、數(shù)控工作臺(tái)、激光器、光路引導(dǎo)系統(tǒng)和凹?？偝桑黄渲?
[0010]數(shù)控工作臺(tái)安裝在壓力機(jī)的工作臺(tái)上，與壓力機(jī)工作臺(tái)成可滑動(dòng)連接，沿設(shè)置在壓力機(jī)工作臺(tái)上的滑軌移動(dòng)，數(shù)控工作臺(tái)上還設(shè)置有夾具；
[0011]所述凹?？偝砂▔哼叞搴桶寄１倔w；
[0012]所述光路引導(dǎo)系統(tǒng)包括三棱鏡、準(zhǔn)直器、激光沖擊頭和聚焦鏡；
[0013]所述激光器設(shè)置在所述凹模本體的正上方，用于發(fā)射激光束，該激光束進(jìn)入光路引導(dǎo)系統(tǒng)，先后經(jīng)第一三棱鏡、準(zhǔn)直器進(jìn)入激光沖擊頭，安裝在激光沖擊頭內(nèi)的第二三棱鏡將入射激光束反射、再經(jīng)聚焦鏡聚焦，射入凹模中，用于激光沖擊微成形；其中，激光沖擊頭的方位可圍繞所述凹模進(jìn)行前后左右與上下方位的任意調(diào)節(jié)；
[0014]所述計(jì)算機(jī)為激光沖擊微成形裝置的控制中心，用于控制激光器所發(fā)射的激光束功率密度的大小以及控制激光沖擊頭和數(shù)控工作臺(tái)移動(dòng)；
[0015]其特征在于，還包括有一檢測(cè)系統(tǒng)，所述檢測(cè)系統(tǒng)包括同步加速輻射光源、探測(cè)器、脈沖放大器、脈沖高度分析器和計(jì)數(shù)器；
[0016]所述同步加速輻射光源與探測(cè)器一左一右分別設(shè)置在所述凹模本體兩側(cè)的上方位置處，分別作為檢測(cè)用激光的發(fā)射裝置與接收裝置；
[0017]所述探測(cè)器通過(guò)數(shù)據(jù)線依次將脈沖放大器、脈沖高度分析器、計(jì)數(shù)器串聯(lián)連接，并最終與所述計(jì)算機(jī)通訊連接；
[0018]由所述計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)所述檢測(cè)系統(tǒng)輸送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算分析，并依據(jù)運(yùn)算分析結(jié)果對(duì)激光器所發(fā)射的激光束功率密度大小適時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以使激光沖擊微成形的工作狀態(tài)始終處于理想狀態(tài)；
[0019]上述激光沖擊微成形裝置工作時(shí)，待微成形的鈦合金板放置在所述凹模上，所述鈦合金板的待加工面上噴涂有一層厚度為30-60 μ m的黑漆，該黑漆層朝上，其上面再加蓋上一塊1.5-2mm厚的用作約束層的透明材質(zhì)制成的板片；所述板片的尺寸大于或者等于所述鈦合金板的尺寸，所述板片將所述鈦合金板的待加工面整體覆蓋住；
[0020]上述鈦合金板和約束層由所述壓邊板壓住，將所述凹?？偝山M裝好，組裝好的凹?？偝赏ㄟ^(guò)夾具夾持、固定在所述數(shù)控工作臺(tái)上。
[0021]上述技術(shù)方案直接帶來(lái)的技術(shù)效果是，通過(guò)在現(xiàn)有技術(shù)的激光沖擊微成形裝置基礎(chǔ)上，通過(guò)增加檢測(cè)系統(tǒng)、在待微成形的鈦合金板上噴涂黑漆層(作為吸收層)，以及在待微成形的鈦合金板上加蓋一層透明材質(zhì)制成的板片作為吸收層等系列技術(shù)手段，使其適用于醫(yī)用鈦合金板的微成形加工，并實(shí)現(xiàn)了鈦合金板的微米級(jí)甚至是亞微米級(jí)的微成形，其微成形質(zhì)量的穩(wěn)定、可靠、精度高。
[0022]為更好地理解上述技術(shù)特點(diǎn)，現(xiàn)簡(jiǎn)要分析、闡明如下:
[0023]1、上述技術(shù)方案中，通過(guò)在待微成形的鈦合金板表面上噴涂形成一層30-60微米厚的黑漆層，利用該黑漆層作為吸收層，使得激光沖擊波在吸收層產(chǎn)生的等離子體，以對(duì)激光熱效應(yīng)進(jìn)行屏蔽，從而有效避免了對(duì)加工工作面的熱損傷，并且能夠增加沖擊波的壓力峰值。
[0024]2、增設(shè)約束層的目的是，如前所述的吸收層受到激光誘導(dǎo)產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，等離子體急劇膨脹爆炸將產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波，通過(guò)該約束層可以將等離子體急劇膨脹爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波阻擋住，形成反向沖擊波，產(chǎn)生高達(dá)GPa數(shù)量級(jí)的壓力，該反向沖擊波壓向工件表層及內(nèi)部組織(當(dāng)該反向沖擊波產(chǎn)生的壓力超過(guò)工件的動(dòng)態(tài)屈服極限值時(shí)，就會(huì)在材料表面產(chǎn)生塑性變形)；
[0025]更為重要的是，這種集鈦合金板微成形與對(duì)鈦合金板表面強(qiáng)化于一體的復(fù)合成形技術(shù)，不僅保證了微成形的質(zhì)量，而且在微成形后鈦合金板材料表面能夠形成殘余壓應(yīng)力層，并使得鈦合金板的表面微觀組織均勻和細(xì)化，從而大幅提高微成形后的鈦合金板表面的耐磨性、耐腐蝕性和疲勞壽命。
[0026]不難看出，上述之I和2，正是本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)裝置的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)用鈦合金板微成形的技術(shù)關(guān)鍵。
[0027]3、上述技術(shù)方案中，通過(guò)增設(shè)檢測(cè)系統(tǒng)并與計(jì)算機(jī)通訊連接這一技術(shù)手段的運(yùn)用，以使激光沖擊微成形裝置在微成形過(guò)程中，由計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)輸送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算分析，并依據(jù)運(yùn)算分析對(duì)激光器所發(fā)射的激光束功率密度大小適時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以使激光沖擊微成形的工作狀態(tài)始終處于理想狀態(tài)，從而保證了激光沖擊微成形質(zhì)量的穩(wěn)定與可靠。具體檢測(cè)過(guò)程與計(jì)算機(jī)控制下的適時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整為:
[0028]在逐點(diǎn)沖擊加工成形過(guò)程中，檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)同步加速輻射光源發(fā)出的入射激光束投射到鈦合金板的表面上，由探測(cè)器接收反射激光，并轉(zhuǎn)換為電脈沖，電脈沖經(jīng)過(guò)放大器放大后進(jìn)入脈沖高度分析器中，并轉(zhuǎn)換為信號(hào)脈沖，信號(hào)脈沖發(fā)送至計(jì)數(shù)器中后，再送入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行誤差和參數(shù)修正的運(yùn)算分析；經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算分析結(jié)果，將工件表面入射激光點(diǎn)的分析結(jié)果與該點(diǎn)理論變形值進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)比對(duì)結(jié)果，分析得出下一次加工該點(diǎn)位置的所需激光沖擊能量值，并控制激光器加工下一個(gè)點(diǎn)位置所需發(fā)出的激光束能量值，同時(shí)，計(jì)算機(jī)控制數(shù)控工作臺(tái)和激光沖擊頭移動(dòng)到下一個(gè)沖擊點(diǎn)位置，進(jìn)行該點(diǎn)的沖擊成形。
[0029]可以看出，上述之3，確保了醫(yī)用鈦合金板的微成形加工質(zhì)量的穩(wěn)定性