專利名稱：一種基于激光沖擊波效應(yīng)的板材雙面精密成形方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械制造領(lǐng)域，特指一種激光沖擊精密成形方法及裝置，其適用于大型金屬板料的高效率、 復(fù)雜精密成形，也適用于金屬板料的細(xì)微結(jié)構(gòu)成形，特別適合于常規(guī)方法難以成形或根本無(wú)法成形的材料 成形，如鈦合金、鎂合金材料等。
背景技術(shù)：
金屬板料塑性成形作為板材成形加工主要方法，已在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位，廣泛應(yīng)用 于航空航天、船舶工業(yè)、汽車覆蓋件、電子、儀表等生產(chǎn)行業(yè)。目前，國(guó)內(nèi)外用于金屬薄板塑性成形方法 頗多，包括沖壓、爆炸成形、噴丸成形、激光熱應(yīng)力成形和激光沖擊成形等。傳統(tǒng)的模具沖壓成形是將金 屬板材置于模具上，在壓力機(jī)作用下，在板材內(nèi)部產(chǎn)生使之變形的內(nèi)力，當(dāng)內(nèi)力的作用達(dá)到一定程度時(shí)， 就獲得一定的形狀的零件，雖然操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，但是生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，加工柔性差，模具費(fèi)用大， 制造成本高等不足，且模具冷沖壓成形僅適用于低碳鋼薄板(如10F,20, 1Crl8Ni9Ti等)、鋁合金(如LY12M， LY12C等)以及銅等塑性好的材料，但也受成形極限限制。經(jīng)檢索有美國(guó)加州大學(xué)HACKELLLOYD和HARRIS FRITZ申請(qǐng)的專利"CONTOUR FORMIMG OF METALS BY LASER PEENING"專利號(hào)WO0105549,該專利提出用激光錘擊金屬板材表面產(chǎn)生殘余應(yīng) 力，再利用殘余應(yīng)力釋放產(chǎn)生微曲度進(jìn)行的微變形成形，通過(guò)各點(diǎn)每次錘擊的微曲度的累積或在同一點(diǎn)實(shí) 施多次沖擊，就可取得更大尺寸的彎曲。其缺點(diǎn)如下:(l)由于是利用殘余壓應(yīng)力發(fā)生的應(yīng)變而產(chǎn)生彎曲， 所以變形量小;(2)通過(guò)逐點(diǎn)錘擊產(chǎn)生的應(yīng)力分布來(lái)控制大面積的彎曲，這在實(shí)際應(yīng)用中很困難;(3)成形材料 和工藝單一，只是對(duì)金屬材料錘擊的彎曲成形和桿件校形。國(guó)內(nèi)江蘇大學(xué)張永康等人申請(qǐng)的發(fā)明專利"一種激光沖擊精密成形方法及裝置"，專利授權(quán)號(hào) 01134063.0，該專利采用高性能激光沖擊精密成形技術(shù)，它直接利用強(qiáng)脈沖激光束沖擊工件表面的柔性貼 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)材料動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，這使成形材料 發(fā)生明顯塑性變形。此發(fā)明專利為金屬薄板成形提供了一個(gè)很好的思路。其缺點(diǎn)如下(l)其在激光沖擊成 形過(guò)程中，板料每次塑性變形量小，對(duì)于高強(qiáng)度合金鋼和較厚板材，變形量更小，主要適用于薄板的成形。 (2)由于板料每次塑性變形量小，對(duì)于大面積的成形效率較低；大面積的成形方面，僅僅靠每次產(chǎn)生塑性 變形完成成形過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生變形間的不均勻性，因此表面光滑度受到影響。(3)由于沖擊成形過(guò)程，不可避 免地會(huì)發(fā)生激光能量等參數(shù)的波動(dòng)等因素的影響，產(chǎn)生成形量如過(guò)量等問(wèn)題無(wú)法進(jìn)行修正。(4)因?yàn)?3) 的原因，也很難完成復(fù)雜工件的沖擊成形，要進(jìn)行精密成形也非常困難。(5)其裝置較難完成大型復(fù)雜精 密工件成形的要求。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種能克服上述缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)使各種常用金屬成形材料，特別是常規(guī)方法難以成 形的激光沖擊雙面精密成形方法及裝置，實(shí)現(xiàn)三維立體復(fù)雜成形，提高成形效率，并使板料表面形成一定 的殘余壓應(yīng)力。本發(fā)明是按下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的采用大功率脈沖激光器，由激光器發(fā)出的激光束通過(guò)外光路系統(tǒng)分兩路分別傳輸?shù)桨惭b在夾具中的工 件正反表面，通過(guò)改變激光脈寬、能量、光束直徑來(lái)調(diào)整沖擊壓力的大小，對(duì)雙面帶能量吸收層和約束層 的工件正反表面進(jìn)行照射，產(chǎn)生激光誘導(dǎo)的沖擊波作用使工件成形。其中由激光器發(fā)出的脈沖寬度為4ns 10ns的激光束，經(jīng)外光路系統(tǒng)分別傳到激光沖擊頭系統(tǒng)，然后 作用于試樣體系，檢測(cè)反饋系統(tǒng)檢測(cè)試樣體系的試樣成形信息，反饋給中央控制處理器，由控制系統(tǒng)執(zhí)行， 控制多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床及工裝夾具系統(tǒng)和激光沖擊頭系統(tǒng)等，并通過(guò)改變激光脈寬(4ns 10ns)、能量(0 100J)、光束直徑(0.2 20mm)等激光參數(shù)來(lái)調(diào)整沖擊壓力的大小，對(duì)雙面帶能量吸收層和約束層的工件 正反表面進(jìn)行激光誘導(dǎo)的沖擊波作用，使工件產(chǎn)生快速的塑性變形。根據(jù)板料形狀和成形規(guī)律的要求，兩面的激光沖擊頭(系統(tǒng))進(jìn)行同時(shí)、不同時(shí)，對(duì)沖、錯(cuò)位沖，相 同、不同能量沖擊等，使板料產(chǎn)生一定的塑性變形和應(yīng)力場(chǎng)分布而獲得精確的工件輪廓和提高成形效率， 并使板料表面形成一定的殘余壓應(yīng)力，改善材料的表面性能。也適用于金屬板料的細(xì)微結(jié)構(gòu)成形，特別是 由于改變成形應(yīng)力狀態(tài)而適合于常規(guī)方法難以成形或根本無(wú)法成形的材料成形。且設(shè)置帶位移測(cè)量裝置的檢測(cè)反饋系統(tǒng)，在沖擊過(guò)程中位移測(cè)量裝置把位置信號(hào)反饋中央控制處理 器，由中央控制處理器發(fā)出指令，調(diào)節(jié)激光沖擊頭的焦距；檢測(cè)反饋系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量沖擊點(diǎn)的變形量，并把 信息反饋給中央控制處理器，并與計(jì)算機(jī)里的數(shù)字化工件成形形狀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，給出反饋指令給工藝過(guò) 程中的各參數(shù)的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)沖擊工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)板料精確的局部成形或整體成形。且根據(jù)優(yōu)化的沖擊參數(shù)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)選擇激光脈沖參數(shù)、光束變換裝置及光學(xué)參數(shù)，控制各 控制執(zhí)行系統(tǒng)，夾載試樣體系的工作臺(tái)和激光沖擊頭系統(tǒng)A、激光沖擊頭系統(tǒng)B按數(shù)控指令向待沖擊位置 作三維運(yùn)動(dòng)，完成雙面沖擊，實(shí)現(xiàn)金屬板料的精密成形。實(shí)施上述方法的裝置包括激光器，外光路系統(tǒng)，激光沖擊頭系統(tǒng)A、帶激光沖擊頭系統(tǒng)B的飛行光學(xué) 加工系統(tǒng)，試樣體系，檢測(cè)反饋系統(tǒng)，多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床及工裝夾具系統(tǒng)，中央控制處理器、控制系統(tǒng)，其特 征在于激光器)經(jīng)外光路系統(tǒng)，分別連接到激光沖擊頭系統(tǒng)A， B，再將激光作用于試樣體系，檢測(cè)反饋系 統(tǒng)經(jīng)中央控制處理器與控制系統(tǒng)相連，試樣體系位于多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床及工裝夾具系統(tǒng)上。試樣體系由成形工件和工件正反表面貼設(shè)柔性貼膜構(gòu)成一體式的透明約束層和能量吸收層組成，透明 約束層也可采用流水。激光沖擊頭系統(tǒng)A、 B具有靈活移動(dòng)和自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，適用于大型金屬板料的復(fù)雜精密成形。激光沖 擊頭系統(tǒng)A內(nèi)設(shè)有由聚焦鏡、可旋轉(zhuǎn)反射鏡、三棱鏡組成的聚焦鏡組，可旋轉(zhuǎn)反射鏡由控制系統(tǒng)根據(jù)需要 進(jìn)行調(diào)整；飛行光學(xué)加工系統(tǒng)包括全反射鏡，轉(zhuǎn)換為Y軸向的導(dǎo)光系統(tǒng)，激光沖擊頭系統(tǒng)B，液壓系統(tǒng)，步進(jìn)電 機(jī)A、 B，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。激光沖擊頭系統(tǒng)B是飛行光學(xué)加工系統(tǒng)的一部分，經(jīng)由全反射鏡轉(zhuǎn)換為可沿著Z 軸向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)光系統(tǒng)，導(dǎo)光系統(tǒng)把光束轉(zhuǎn)換Y軸向，經(jīng)由全反射鏡傳給激光沖擊頭系統(tǒng)，沖擊頭系統(tǒng)B相 對(duì)導(dǎo)光系統(tǒng)可在Y向移動(dòng)，而沖擊頭系統(tǒng)B和導(dǎo)光系統(tǒng)一起相對(duì)全反射鏡作Z軸向運(yùn)動(dòng)。由導(dǎo)光系統(tǒng)在Y 軸向經(jīng)由全反射鏡，到全反射鏡、自適應(yīng)壓力凸面變形鏡、自適應(yīng)壓力凹面變形鏡、聚焦鏡，把激光束打 到工件系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)控制自適應(yīng)壓力凸面變形鏡、自適應(yīng)壓力凹面變形鏡，步進(jìn)電機(jī)A、 B分別控制導(dǎo) 光系統(tǒng)和沖擊頭系統(tǒng)B的運(yùn)動(dòng)。可實(shí)現(xiàn)Y軸和Z軸方向的較大范圍的移動(dòng)，對(duì)飛行光束聚焦特性進(jìn)行自適 應(yīng)調(diào)控，使光束參數(shù)和聚焦特性控制在誤差范圍內(nèi)變化不大，提高激光加工的質(zhì)量和穩(wěn)定性。激光沖擊頭 系統(tǒng)A、 B可以互換，且激光沖擊頭系統(tǒng)A和B分別作用雙面的正反面，或單獨(dú)采用激光沖擊頭系統(tǒng)A 或B同時(shí)作用雙面，激光沖擊頭系統(tǒng)A和B或由兩臺(tái)激光器分別驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)(1) 本發(fā)明兼有沖擊塑性變形成形和應(yīng)力場(chǎng)成形的雙重特征，可根據(jù)板料形狀和成形規(guī)律的要求， 兩面的激光沖擊頭(系統(tǒng))，可進(jìn)行同時(shí)、不同時(shí)，對(duì)沖、錯(cuò)位沖，相同、不同能量沖擊等，使板料產(chǎn)生 一定的塑性變形和應(yīng)力場(chǎng)分布而成形。(2) 通過(guò)改變激光脈寬(4ns 10ns)、能量(0J 100J)、光束直徑(0.2mm 20mm)等激光參數(shù)來(lái) 調(diào)整沖擊壓力(沖擊波峰壓達(dá)數(shù)Gpa)的大小，對(duì)雙面帶能量吸收層和約束層的工件正反表面進(jìn)行激光誘導(dǎo) 的沖擊波作用。(3) 本發(fā)明能靈活的實(shí)現(xiàn)三維立體沖擊，可實(shí)現(xiàn)小曲率大型板材成形，又可實(shí)現(xiàn)大曲率局部微細(xì)板 材全塑性成形?？山鉀Q01134063.0專利由于沖擊成形過(guò)程不可避免地會(huì)發(fā)生激光能量等參數(shù)的波動(dòng)等因素 的影響，而產(chǎn)生成形量如過(guò)量等無(wú)法進(jìn)行修正，很難完成復(fù)雜工件的沖擊成形和精密成形等問(wèn)題。(4) 本發(fā)明可解決01134063.0專利由于板料每次塑性變形量小，對(duì)于大面積的成形效率較低，以及 在大面積的成形方面，僅僅靠每次產(chǎn)生塑性變形完成成形過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生3g形間的不均勻性，影響表面光滑 度等問(wèn)題。(5) 激光單面沖擊，因入射壓縮波與反射波相遇產(chǎn)生拉伸波而引起層裂現(xiàn)象，采用激光雙面沖擊有 利于改變應(yīng)力波的性質(zhì)，提高材料成形性，以適應(yīng)難成形材料的成形。(6) 生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間短，加工柔性化，模具費(fèi)用小，制造成本低。由于激光沖擊波作為板料成形力源，在優(yōu)化控制激光沖擊成形工藝參數(shù)的條件下，可以無(wú)模具非接觸式成形。(7) 本發(fā)明除了可對(duì)薄板沖壓成形外，還可對(duì)厚達(dá)20mm的金屬厚板彎曲成形。此外還可實(shí)現(xiàn)難成 形材料的成形，如高強(qiáng)度結(jié)鋼、鈦合金、鎂合金、塑料及復(fù)合材料等多種材料冷沖壓成形，甚至對(duì)脆性材 料彎曲成形，實(shí)現(xiàn)脆塑的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變，這些特殊的用途是其它成形方法無(wú)法替代。(8) 本發(fā)明可解決機(jī)械噴丸成形工件表面變粗糙、參數(shù)多而難以精確控制問(wèn)題?？山鉀Q雙面噴丸成 形技術(shù)的速度和流量難匹配和控制,效果差的問(wèn)題。而且本發(fā)明的激光沖擊效果在沖擊表面強(qiáng)化方面，其 殘余應(yīng)力深度、疲勞壽命、耐高溫性能等參數(shù)是機(jī)械噴丸的數(shù)倍。(9) 本發(fā)明可解決激光熱應(yīng)力成形熱過(guò)程中產(chǎn)生的有害拉應(yīng)力，板材的表面仍保持壓應(yīng)力狀態(tài)。(10) 激光沖擊頭系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有飛行光學(xué)加工系統(tǒng)，具有靈活移動(dòng)和自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，適用于大型金屬板 料的復(fù)雜精密成形。可實(shí)現(xiàn)Y軸和Z軸方向的較大范圍的移動(dòng)，對(duì)飛行光束聚焦特性進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)控，使 光束參數(shù)和聚焦特性控制在誤差范圍內(nèi)變化不大，提高激光加工的質(zhì)量和穩(wěn)定性。本發(fā)明能進(jìn)行大板的復(fù) 雜成形，并可實(shí)現(xiàn)定量精確成形，重復(fù)性好、成形效率高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。


圖1激光沖擊波效應(yīng)的板材雙面精密成形方法及裝置示意2工件體系與局部細(xì)微結(jié)果錯(cuò)位沖擊成形示意3激光雙面對(duì)沖擊應(yīng)力場(chǎng)成形示意4激光分層逐點(diǎn)沖擊成形與正反精修成形示意圖(l)激光發(fā)生器，(2)分光透鏡，(3)導(dǎo)光與分光系統(tǒng)，(4)擋光板，(5)光學(xué)透鏡組，(6)激光沖擊頭 系統(tǒng)A， (7)可調(diào)全反射鏡，(8)可調(diào)全反射鏡，(9)可調(diào)全反射鏡控制器，(IO)激光器控制器，(ll)雙面帶 能量吸收層和約束層工件，(12)全反射鏡，(13)全反射鏡，(14)轉(zhuǎn)換為Y軸向的導(dǎo)光系統(tǒng)，(15)Y軸向全 反射鏡，(16)全反射鏡，(17)自適應(yīng)壓力凸面變形鏡，(18)自適應(yīng)壓力凹面變形鏡，(19)聚焦鏡，(20)液 壓系統(tǒng)，(21)步進(jìn)電機(jī)A， (22)步進(jìn)電機(jī)B， (23)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，(24)檢測(cè)反饋系統(tǒng)，(25)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床 及工作臺(tái)和工夾具，(26)機(jī)床控制系統(tǒng)，(27)中央控制處理器，(28)激光沖擊頭系統(tǒng)B， (29)水流裝置， (30)鋁箔膠帶，(31)夾具，(32)工件，(33)微細(xì)結(jié)構(gòu)，(34)沖擊第一層，(35)沖擊第n層。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖1、圖2詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提出的具體裝置的細(xì)節(jié)和工作情況。圖1所示，所述的激光沖擊雙面精密成形裝置包括激光器(l)，外光路系統(tǒng)(3、 5),激光沖擊頭系統(tǒng)A、 B(6、 28)，試樣體系(ll),檢測(cè)反饋系統(tǒng)(24)，多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床及工裝夾具系統(tǒng)(25)，中央控制處理器(27)、 控制系統(tǒng)(9、 10、 20、 23、 26)，其特征在于激光器(1)經(jīng)外光路系統(tǒng)(3、 5),分別連接到激光沖擊頭系統(tǒng) A、 B (6、 28),再將激光作用于試樣體系(ll)，檢測(cè)反饋系統(tǒng)(24)經(jīng)中央控制處理器(27)與控制系統(tǒng)(9、 10、 20、 23、 26)相連，試樣體系(11)位于多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床及工裝夾具系統(tǒng)(25)上。由激光器(l)發(fā)出激光脈寬為4ns 10ns的激光，分光透鏡(2)把激光分為兩路。 一路經(jīng)外光路系統(tǒng)(3) 到全反射鏡(12),全反射鏡(12)到全反射鏡(13)， (12)與(13)之間在Z軸方向可作較大范圍的移動(dòng)，以實(shí) 現(xiàn)導(dǎo)光系統(tǒng)(14)和激光沖擊頭系統(tǒng)B (28) —起在Z軸方向可作較大范圍的移動(dòng)，以滿足激光沖擊頭系統(tǒng) (28)完成Z軸方向的沖擊調(diào)整的需要。激光經(jīng)由全反射鏡(13)等導(dǎo)光系統(tǒng)(14)轉(zhuǎn)換為Y軸向，再轉(zhuǎn)向全 反射鏡(15)，導(dǎo)光系統(tǒng)(14)通過(guò)反射鏡(15)可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光系統(tǒng)(14)與激光沖擊頭系統(tǒng)(28)之間的Y軸方向 的較大范圍的相對(duì)移動(dòng)。Z軸方向和Y軸方向的移動(dòng)可由步進(jìn)電機(jī)A(21)和B(22)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(23) 來(lái)實(shí)現(xiàn)。激光沖擊頭系統(tǒng)A (28)內(nèi)設(shè)有反射鏡(15)、激光全反射鏡(16)、自適應(yīng)壓力凸面變形鏡(17)、 自適應(yīng)壓力凹面變形鏡(18)、聚焦鏡(19)，外加液壓系統(tǒng)(20)、步進(jìn)電機(jī)B(22)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等。沖擊 過(guò)程中，檢測(cè)反饋系統(tǒng)(24)包括位移測(cè)量反饋裝置和工件輪廓掃描系統(tǒng)等，在沖擊過(guò)程中位移測(cè)量裝置把 位置信號(hào)反饋中央控制處理器，由中央控制處理器發(fā)出指令，通過(guò)液壓系統(tǒng)(20)控制凸面變形鏡(17)和凹 面變形鏡(18)來(lái)調(diào)節(jié)激光沖擊頭的焦距；工件輪廓掃描系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量沖擊點(diǎn)的變形量，并把信息反饋給中 央控制處理器，并與計(jì)算機(jī)里的數(shù)字化工件成形形狀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，給出反饋指令給工藝過(guò)程中的各參數(shù) 的某些控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)沖擊工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)板料精確的局部成形或整體成形。另一路經(jīng)外光路系統(tǒng)(5)到激光沖擊頭系統(tǒng)(6),其內(nèi)設(shè)有由聚焦鏡、可旋轉(zhuǎn)反射鏡、三棱鏡組成的聚 焦鏡組，可旋轉(zhuǎn)反射鏡(7)和(8)由控制系統(tǒng)(9)根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整；激光沖擊頭系統(tǒng)A (6)和B (28) 可以互換，或雙面同時(shí)都釆用激光沖擊頭系統(tǒng)A (6)或B (28);激光沖擊頭系統(tǒng)A (6)和B (28)也可 由兩臺(tái)激光器分別驅(qū)動(dòng)，以更方便地適應(yīng)各自沖擊能量的需要。圖2為工件體系與局部細(xì)微復(fù)雜結(jié)構(gòu)錯(cuò)位沖擊成形。試樣體系11由成形工件32和工件正反表面貼設(shè) 柔性貼膜能量吸收層(如鋁箔膠帶(30))和透明約束層(如流水(水流裝置29))組成，工件(ll)安 裝在夾具(31)上。采用激光沖擊波效應(yīng)的板材雙面精密沖擊成形裝置，通過(guò)改變能量(0 50J)、光束直 徑(0.2mm 5mm)、重復(fù)頻率等激光參數(shù)來(lái)調(diào)整沖擊壓力的大小，激光錯(cuò)位沖分別同時(shí)沖擊工件凹和凸正 反表面，并通過(guò)計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)，調(diào)整工件的位置，控制兩激光沖擊頭的運(yùn)動(dòng)軌跡，完成工件凹凸細(xì)微 結(jié)構(gòu)形狀的塑性成形，并且工件兩面都形成殘余壓應(yīng)力。圖3為激光雙面對(duì)沖擊應(yīng)力場(chǎng)成形。試樣體系11還是由成形工件32和工件正反表面貼設(shè)柔性貼膜能 量吸收層(如鋁箔膠帶30)和透明約束層(如流水(水流裝置29))組成，激光雙面沖擊系統(tǒng)圖l結(jié) 構(gòu)，也可采用兩臺(tái)激光器驅(qū)動(dòng)，通過(guò)改變能量(0 100J)、光束直徑(lmm 20mm)、重復(fù)頻率等激光參 數(shù)來(lái)調(diào)整沖擊壓力的大小，激光沖擊頭同時(shí)或不同時(shí)、相同或不同能量對(duì)沖、錯(cuò)位沖，通過(guò)優(yōu)化工藝和成 形規(guī)律，分別同時(shí)沖擊工件凹和凸正反表面，通過(guò)計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)，調(diào)整工件的位置，控制兩激光沖擊 頭的運(yùn)動(dòng)軌跡和工藝參數(shù)，使工件正反表面形成一定的應(yīng)力場(chǎng)，適度分布的應(yīng)力場(chǎng)形態(tài)對(duì)應(yīng)著一定曲率的 板材形狀，通過(guò)控制應(yīng)力場(chǎng)分布形式，實(shí)現(xiàn)板材的精密成形，并且工件兩面都形成殘余壓應(yīng)力，激光雙面 對(duì)沖擊應(yīng)力場(chǎng)易于形成和方便控制。激光單面沖擊，因入射壓縮波與反射波相遇產(chǎn)生拉伸波而引起層裂現(xiàn) 象，采用激光雙面沖擊有利于改變應(yīng)力波的性質(zhì)，提高材料成形性，以適應(yīng)難成形材料的成形。圖4為激光分層逐點(diǎn)沖擊成形。試樣體系(ll)由成形工件32和工件正反表面貼設(shè)柔性貼膜能量吸收層 (如鋁箔膠帶30)和透明約束層(如流水)組成。采用激光沖擊波效應(yīng)的板材雙面精密沖擊成形裝置， 夾載試樣體系(11)的工作臺(tái)和激光沖擊頭(6)、 (28)可按數(shù)控指令向待沖擊位置作三維運(yùn)動(dòng)。根據(jù)優(yōu)化 的沖擊參數(shù)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)選擇激光脈沖參數(shù)、光束變換裝置及光學(xué)參數(shù)等，編制NC加工程序用 于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以控制各控制執(zhí)行系統(tǒng)，完成沖擊。成形件分別采用粗沖成形和精沖成形保證。粗沖成 形采用分層制造的思想，在將復(fù)雜的三維型面根據(jù)被沖擊材料的塑性〃變形量分解成一系列的二維等高線斷 面層(34, 35)的基礎(chǔ)上，采用逐層沖擊成形。本案例也可進(jìn)行正反精修成形，激光雙面沖擊頭分別同時(shí) 沖擊工件凹和凸正反表面，沿搭接區(qū)上各離散點(diǎn)法向矢量進(jìn)行沖擊，完成工件凹凸細(xì)微形狀的修正。更多的成形事例不勝枚舉，控制方式和沖擊形式的變化都可能實(shí)現(xiàn)不同的成形方式，這里僅闡明它的 技術(shù)方案和部分實(shí)施例子。
權(quán)利要求
1、一種基于激光沖擊波效應(yīng)的板材雙面精密成形方法，其特征在于采用大功率脈沖激光器，由激光器發(fā)出的激光束通過(guò)外光路系統(tǒng)分兩路分別傳輸?shù)桨惭b在夾具中的工件正反表面，通過(guò)改變激光脈寬、能量、光束直徑來(lái)調(diào)整沖擊壓力的大小，對(duì)雙面帶能量吸收層和約束層的工件正反表面進(jìn)行照射，產(chǎn)生激光誘導(dǎo)的沖擊波作用使工件成形。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光沖擊波效應(yīng)的板材雙面精密成形方法，其特征在于由激光器 發(fā)出的脈沖寬度為4ns 10ns的激光束，經(jīng)外光路系統(tǒng)分別傳到激光沖擊頭系統(tǒng)A、 B (6、 28)，然后作用 于試樣體系(11)，檢測(cè)反饋系統(tǒng)(24)檢測(cè)試樣體系(ll)的試樣成形信息，反饋給中央控制處理器(27)， 由控制系統(tǒng)(9、 10、 20、 23、 26)執(zhí)行，控制多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床及工裝夾具系統(tǒng)(25)和激光沖擊頭系統(tǒng)A、 B(6、 28)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光沖擊波效應(yīng)的板材雙面精密成形方法，其特征在于所述的激 光脈寬4ns 10ns、能量0 100J、光束直徑0.2 20mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光沖擊波效應(yīng)的板材雙面精密成形方法，其特征在于對(duì)雙面沖 擊時(shí)激光沖擊頭系統(tǒng)采取同時(shí)與不同時(shí)，對(duì)沖與錯(cuò)位沖或相同及不同能量的沖擊方式。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于激光沖擊波效應(yīng)的板材雙面精密成形方法，其特征在于設(shè)置帶位 移測(cè)量裝置的檢測(cè)反饋系統(tǒng)，在沖擊過(guò)程中位移測(cè)量裝置把位置信號(hào)反饋中央控制處理器，由中央控制處 理器發(fā)出指令，調(diào)節(jié)激光沖擊頭的焦距；通過(guò)檢測(cè)反饋系統(tǒng)測(cè)量沖擊點(diǎn)的變形量，并把信息反饋給中央控 制處理器，并與計(jì)算機(jī)里的數(shù)字化工件成形形狀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，給出反饋指令給工藝過(guò)程中的各參數(shù)的控 制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)沖擊工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)板料精確的局部成形或整體成形。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于激光沖擊波效應(yīng)的板材雙面精密成形方法，其特征在于根據(jù)優(yōu)化 的沖擊參數(shù)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)選擇激光脈沖參數(shù)、光束變換裝置及光學(xué)參數(shù)，控制各控制執(zhí)行系統(tǒng)， 夾載試樣體系的工作臺(tái)和激光沖擊頭系統(tǒng)A (6)、激光沖擊頭系統(tǒng)B (28)按數(shù)控指令向待沖擊位置作三 維運(yùn)動(dòng)，完成雙面沖擊，實(shí)現(xiàn)金屬板料的精密成形。由于裝置設(shè)有飛行光學(xué)加工系統(tǒng)，激光沖擊頭系統(tǒng)B(28)可實(shí)現(xiàn)Y軸和Z軸方向的大距離的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大面積金屬板料的成形。
7、 為實(shí)施權(quán)利要求1所述的一種基于激光沖擊波效應(yīng)的板材雙面精密成形方法的裝置，其包括激光 器(l),外光路系統(tǒng)(3、 5)，激光沖擊頭系統(tǒng)A (6)、帶激光沖擊頭系統(tǒng)B (28)的飛行光學(xué)加工系統(tǒng)，試樣 體系(ll),檢測(cè)反饋系統(tǒng)(24),多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床及工裝夾具系統(tǒng)(25),中央控制處理器(27)、控制系統(tǒng)(9、 10、 20、 23、 26),其特征在于激光器(1)經(jīng)外光路系統(tǒng)(3、 5)，分別連接到激光沖擊頭系統(tǒng)A、 B (6、 28), 再將激光作用于試樣體系(ll)，檢測(cè)反饋系統(tǒng)(24)經(jīng)中央控制處理器(27)與控制系統(tǒng)(9、 10、 20、 23、 26)相連，試樣體系(11)位于多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床及丁裝夾具系統(tǒng)(25)上。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于試樣體系(ll)由成形工件和工件正反表面貼設(shè)柔性貼膜構(gòu) 成一體式的透明約束層和能量吸收層組成，透明約束層或采用流水。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于設(shè)有飛行光學(xué)加工系統(tǒng)，系統(tǒng)包括全反射鏡(12)，全反 射鏡(13)，轉(zhuǎn)換為Y軸向的導(dǎo)光系統(tǒng)(14)，激光沖擊頭系統(tǒng)B (28)，液壓系統(tǒng)(20)，步進(jìn)電機(jī)(21)，步進(jìn) 電機(jī)(22)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(23);系統(tǒng)經(jīng)由全反射鏡(12)到全反射鏡(13)進(jìn)入導(dǎo)光系統(tǒng)(14)，導(dǎo)光系統(tǒng)(14) 在Y軸向經(jīng)由全反射鏡(15)傳給激光沖擊頭系統(tǒng)B (28)，激光沖擊頭系統(tǒng)B(28)由Y軸向全反射鏡(15)、 全反射鏡(16)、自適應(yīng)壓力凸面變形鏡(17)、自適應(yīng)壓力凹面變形鏡(18)、聚焦鏡(19)組成，并依次相聯(lián); 液壓系統(tǒng)(20)控制自適應(yīng)壓力凸面變形鏡(17)、自適應(yīng)壓力凹面變形鏡(18),步進(jìn)電機(jī)A、 B(21、 22)分別 與導(dǎo)光系統(tǒng)(14)和激光沖擊頭系統(tǒng)B (28)相聯(lián)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(23)與步進(jìn)電機(jī)(21)和(22)相聯(lián)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于激光沖擊頭系統(tǒng)A、 B (6、 28)可以互換，且激光沖擊 頭系統(tǒng)A (6)和B (28)分別作用雙面的正反面，或單獨(dú)采用激光沖擊頭系統(tǒng)A (6)或B (28)同時(shí)作 用雙面，激光沖擊頭系統(tǒng)A (6)和B (28)或由兩臺(tái)激光器分別驅(qū)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光加工制造領(lǐng)域，特指一種激光沖擊精密成形方法及裝置，裝置包括激光器，外光路系統(tǒng)，激光沖擊頭系統(tǒng)A、帶激光沖擊頭系統(tǒng)B的飛行光學(xué)加工系統(tǒng)，試樣體系，檢測(cè)反饋系統(tǒng)，多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床及工裝夾具系統(tǒng)，中央控制處理器、控制系統(tǒng)。激光器發(fā)出的激光束通過(guò)外光路系統(tǒng)分光分別傳輸?shù)焦ぜ幢砻?，?duì)雙面帶能量吸收層和約束層的工件正反表面進(jìn)行激光誘導(dǎo)的沖擊波作用；根據(jù)板料形狀和成形規(guī)律的要求，兩面的激光沖擊頭，可進(jìn)行同時(shí)、不同時(shí)，對(duì)沖、錯(cuò)位沖，等同、不同能量沖擊等，使板料產(chǎn)生一定的塑性變形和應(yīng)力場(chǎng)分布而成形，并使板料表面形成一定的殘余壓應(yīng)力。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)定量精確成形，重復(fù)性好、成形效率高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)B23K26/04GK101249588SQ20081001975
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月14日
發(fā)明者任旭東, 葉云霞, 姚紅兵, 姜銀方, 張永康, 石朝陽(yáng) 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)