專利名稱：一種基于激光沖擊波技術(shù)的快速制模裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及模具加工裝置，特指一種基于激光沖擊波技術(shù)的快速制造模具的裝置，特別適用于利用厚金屬板料直接制成拉深模和彎曲模，用于汽車覆蓋件等零件的小批量生產(chǎn)。
實現(xiàn)該目的的裝置的特征為由激光器發(fā)生器、導光系統(tǒng)、沖擊頭、工件夾具系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，激光發(fā)生器經(jīng)導光系統(tǒng)連接沖擊頭，控制系統(tǒng)分別控制激光發(fā)生器、沖擊頭、工件夾具系統(tǒng)。其中導光系統(tǒng)由導光管、全反鏡、聚焦鏡、移動座反射鏡、球形關(guān)節(jié)頭組成連接激光發(fā)生器與沖擊頭的多軸系統(tǒng)，工件夾具系統(tǒng)包括覆蓋能量轉(zhuǎn)換體的工件、工件夾具、工作臺，控制系統(tǒng)由激光位移探針、控制器、計算機、激光控制器組成。連接激光沖擊頭的軸由移動座反射鏡、球形關(guān)節(jié)頭組成，并設有激光位移探針與控制器相連。
本裝置的工作過程如下(1)根據(jù)加工零件的尺寸形狀，展開計算毛坯尺寸，激光切割板料至所需毛坯形狀，并裝夾于數(shù)控工作臺的夾具上；(2)根據(jù)零件形狀和用于鋼板模具的材料性能，優(yōu)化激光沖擊波成形的工藝參數(shù)和激光頭所走軌跡，編制NC加工程序；(3)在工件表面覆蓋能量轉(zhuǎn)換體，應用高能脈沖激光沖擊能量轉(zhuǎn)換體表面，使能量吸收層汽化、電離、形成等離子體爆炸，產(chǎn)生高幅沖擊波，以此作為材料塑性成形的變形力。通過改變激光脈沖能量、脈沖寬度、脈沖形狀以及激光光束模式，可獲取不同時間和空間分布的塑性變形力；(4)根據(jù)優(yōu)化的激光工藝參數(shù)如脈沖能量、光斑尺寸以及激光沖擊軌跡和作用區(qū)域的脈沖次數(shù)，通過多軸數(shù)控系統(tǒng)控制有序地進行逐點沖擊，施加應力脈沖，實現(xiàn)板料精確的局部成形或整體成形；(5)通過在線檢測裝置，測量板料沖擊波成形過程中板料的變形量及誤差，由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光沖擊頭的離焦量和沖擊方向，以及激光脈沖能量，以實現(xiàn)對板料的粗沖成形和精沖成形；(6)修邊和適當加固形成鋼板模具。
本實用新型由于采用激光沖擊波作為制作鋼板模具的成形力源，因而它是無模具非接觸式成形，特別適合于有局部反向拉深及脹形的汽車覆蓋件模具制造；由于采用光束導光和分光的光學和光纖裝置，以及多軸聯(lián)動的工作臺，所以它可實現(xiàn)水平?jīng)_擊和沿法向沖擊，即三維立體沖擊。因為激光參數(shù)精確可控，所以重復性好、易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)；因為激光光斑尺寸可聚焦至微米量級至厘米級，所以既能進行大板的復雜成形，又可以進行局部微細的定量精確成形。單脈沖沖擊波成形的最小可控變形量0.035mm，最大可控變形量達數(shù)mm，并可根據(jù)零件的曲率半徑來調(diào)整激光光斑尺寸，常用尺寸為Φ2～Φ10mm，因而所成形的鋼板模具尺寸具有較大的調(diào)節(jié)范圍，具有較大的柔性；適應性強，對鋼板成形前的表面質(zhì)量要求低于常規(guī)的沖壓工藝，且使成形表面的粗糙度提高1～2個等級；因為激光沖擊波在材料表面形成硬化層和高幅殘余壓應力，因此提高了板料成形件的穩(wěn)定性，幾乎無回彈，也即鋼板模具具有較高的精度。同時成形件的表面質(zhì)量提高，如表面粗糙度降低，硬度提高、晶粒細化、工件抗疲勞性能和抗應力腐蝕性能大幅提高，可省去后續(xù)的加工工序和表面處理工序。


圖1是根據(jù)本實用新型提出的基于激光沖擊波技術(shù)的快速鋼板模具制造的裝置示意圖。
圖2是根據(jù)本實用新型提出的鋼板模具激光沖擊波成形原理示意圖。1.激光器發(fā)生器 2.激光束 3.導光管 4.全反鏡 5.移動座反射鏡 6.移動座反射鏡7.球形關(guān)節(jié)頭 8.沖擊頭 9.工件夾具 10.工件 11.激光位移探針 12.工作臺 13.數(shù)控系統(tǒng)控制器 14.計算機 15.激光控制器 16.能量轉(zhuǎn)換體 17.等離子體該裝置包括一個激光器發(fā)生器(1)和導光系統(tǒng)、沖擊頭(8)、工件夾具系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。導光系統(tǒng)包括導光管(3)、全反鏡(4)、球形關(guān)節(jié)頭(7)、移動座反射鏡(5、6)等，工件夾具系統(tǒng)包括工作臺(12)、表面覆蓋能量轉(zhuǎn)換體(16)的工件(10)、工件夾具(9)，控制系統(tǒng)由計算機(14)、數(shù)控系統(tǒng)控制器(13)、激光位移探針(11)組成。
激光器產(chǎn)生能量在10～100焦爾、持續(xù)時間為8～80納秒的激光脈沖，激光束(2)的光斑模式可以是基模、多模等多種模式，其由激光控制器(15)調(diào)節(jié)和控制。由激光器(1)產(chǎn)生的激光束經(jīng)導光系統(tǒng)由沖擊頭(8)沖擊到工件(10)上。沖擊頭(8)可繞球形關(guān)節(jié)頭(7)轉(zhuǎn)動，其內(nèi)有聚焦鏡，通過調(diào)節(jié)沖擊頭與工件距離，可改變光斑大小。該裝置可實現(xiàn)三軸移動和沖擊頭繞關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)五軸聯(lián)動，對工件(10)進行立體成形操作。
如圖2所示，經(jīng)導光系統(tǒng)輸出的激光束(2)從沖擊頭(8)發(fā)出，作用在粘附在工件上的能量轉(zhuǎn)換體(16)，能量轉(zhuǎn)換體(16)吸收高能激光后，迅速汽化、電離形成等離子體(17)，等離子體(17)繼續(xù)吸收激光能量，形成爆轟波，產(chǎn)生向金屬板料工件(10)內(nèi)部傳播的高幅沖擊波，因其峰值壓力遠遠大于金屬板料的動態(tài)屈服強度，使金屬板料產(chǎn)生變形量h。工件(10)固定在工件夾具(9)上，工件夾具(9)再固定在工作臺(12)上。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出數(shù)控指令控制工作臺(12)和沖擊頭(8)作多軸運動，直線運動或轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)鋼板模具的三維立體成形。
權(quán)利要求1.一種基于激光沖擊波技術(shù)的快速制模裝置，包括控制系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)，其特征在于由激光發(fā)生器(1)經(jīng)導光系統(tǒng)連接沖擊頭(8)組成沖擊單元，控制系統(tǒng)分別控制激光發(fā)生器(1)、沖擊頭(8)、工件夾具系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光沖擊波技術(shù)的快速制模裝置，其特征在于連接激光沖擊頭的軸由移動座反射鏡(5、6)、球形關(guān)節(jié)頭(7)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光沖擊波技術(shù)的快速制模裝置，其特征在于設有激光位移探針(11)與激光控制器(5)相連組成在線檢測裝置。
專利摘要本實用新型涉及模具加工裝置，特別適用于利用厚金屬板料直接制成拉深模和彎曲模，用于汽車覆蓋件等零件的小批量生產(chǎn)。該裝置由激光器發(fā)生器、導光系統(tǒng)、沖擊頭、工件夾具系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，激光發(fā)生器經(jīng)導光系統(tǒng)連接沖擊頭，控制系統(tǒng)分別控制激光發(fā)生器、沖擊頭、工件夾具系統(tǒng)。其中導光系統(tǒng)由導光管、全反鏡、聚焦鏡、移動座反射鏡、球形關(guān)節(jié)頭組成連接激光發(fā)生器與沖擊頭的多軸系統(tǒng)，工件夾具系統(tǒng)包括覆蓋能量轉(zhuǎn)換體的工件、工件夾具、工作臺，控制系統(tǒng)由激光位移探針、控制器、計算機、激光控制器組成。由于激光參數(shù)精確可控，所以重復性好、易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)；既能進行大板的復雜成形制作大型復雜鋼板模具，又可以進行局部微細的定量精確成形。
文檔編號B23K26/00GK2571530SQ02264630
公開日2003年9月10日 申請日期2002年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月25日
發(fā)明者周建忠, 張永康, 楊繼昌, 周明 申請人:江蘇大學