[發明專利]一種提高金屬板料激光沖擊成形性能的方法與裝置

無效

• 申請號: 200910024711.1
• 申請日: 2009-02-11
• 公開（公告）號: CN101486129A
• 公開（公告）日: 2009-07-22
• 發明（設計）人: 姜銀方;王飛;張永康;葉云霞;王永良;魯金忠;尤建;任愛國;顧永玉
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: B23K26/14
• 分類號: B23K26/14
• 代理公司: 南京知識律師事務所
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明涉及激光加工制造領域，更具體的說本發明為一種提高金屬板料激光沖擊成形性能的方法與裝置，其適用于金屬薄板的高效率、復雜精密成形，特別適用于常規方法難以成形或根本無法成形的材料，如鎂合金，鈦合金等。

背景技術

金屬板料塑性成形作為板材成形加工主要方法，已在整個國民經濟中占有十分重要的地位，廣泛應用于航空航天、船舶工業、汽車覆蓋件、電子、儀表等生產行業。目前，國內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、激光熱應力成形和激光沖擊成形等。中國專利01134063.0提供一種激光沖擊精密成形方法及裝置，采用高性能激光沖擊精密成形技術，它直接利用強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，由于產生的沖擊波壓力峰值超過材料動態屈服強度，這使成形材料發生明顯塑性變形。此發明專利為金屬薄板成形提供了一個很好的思路。其主要缺點如下：(1)復雜形狀工件或曲面成形，以及多次沖擊過程中，沖擊激光束無法保證垂直入射板料，形成斜沖特征；(2)斜沖其結果會導致激光能量的損失，效率的降低；(3)斜沖的沖擊力的方向不合理，板料容易被沖破，無法獲得足夠的成形深度，降低了板料的成形性能。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對相對于激光垂直沖擊，金屬板料激光傾斜沖擊時更容易沖破，提出始終保持激光束入射方向與所要板料沖擊區域內法線方向一致。針對此點，提出一種提高金屬板料激光沖擊成形性能的方法與裝置，以提高金屬板料的成形性能，實現板料復雜形狀的精確成形。

本發明所采用的技術方案是：

采用大功率脈沖激光器發出的激光束經外光路系統傳到沖擊頭位置，然后作用于板料試樣體系，并通過改變激光脈沖寬度(4ns～50ns)、能量(0～100J)、光束直徑(0.2～20mm)等激光參數來調整沖擊波壓力的大小和沖擊方向。在對板料進行多次沖擊或者曲面零件沖擊時，通過反饋系統(ATOS掃描儀)預先掃描板料輪廓的具體信息，反饞到中央處理單元，將信息輸入CAD軟件進行曲面建模，確定法線方向及板料變形程度，再通過計算機編程控制多軸坐標臺及夾具系統的轉動，保證激光束入射的方向始終與板料的法線方向一致，且通過反饋指令調節各種沖擊參數，從而提高板料的成形性能，提高其極限成形深度，獲得最大的成形效果。

反饋系統裝置采用ATOS光學掃描儀。ATOS流動式光學掃描儀基于光柵原理，利用系統標定和固定參考點來實現多幅圖像的拼合對齊，以完成整個工件的掃描測量工作。試樣在沖擊過程中，通過系統標定和在板料表面貼上一定地固體參考點，然后通過ATOS掃描儀兩個CCD鏡頭預先獲得板料的具體輪廓信息，將掃描所獲得的信息輸到三維軟件CAD(如：CATIA)中建模，在軟件中獲得沖擊區域內的法線方向及工件板料具體的變形程度。

實物沖擊過程中，預先通過反饋系統檢測試樣的具體輪廓信息，反饋給中央控制處理器，在得知板料的變形程度及具體輪廓情況下，中央控制處理器發出指令，由控制系統執行，控制多軸坐標臺、激光器、光斑調節裝置等調節各沖擊參數，實現板料精確的局部成形或整體成形。

試樣成形工件表面由約束層和能量吸收層組成。約束層采用流水或者剛性玻璃，約束層通過約束層控制器控制其厚度與均勻性；吸收層采用鋁箔。試樣位于凹模上，根據不同的成形需要選用不同的凹模可實現激光沖擊半模成形，如“V”形、“U”形、半球形凹模等。

本發明的有益效果：

(1)此種成形方法可適應復雜形狀工件或曲面零件成形，以及多次沖擊過程中保證沖擊激光束始終垂直入射板料所要沖擊的區域，改善沖擊力的方向合理分布，提高了板料成形效率，獲得足夠的成形深度，提高了板料成形性能。

(2)本發明通過多軸坐標臺能靈活的實現三維立體沖擊，可實現小曲率大型板材成形，又可實現大曲率局部微細板材全塑性成形。

(3)本發明可預先得知板料具體變形程度和輪廓信息，將板料參數，與其他沖擊參數進行優化組合，得到適應于不同條件下板料激光沖擊成形過程中所需要的最佳參數組合。

(4)生產準備時間短，加工柔性化，模具費用小，制造成本低。由于激光沖擊波作為板料成形力源，在優化控制激光沖擊成形工藝參數的條件下，可以半模非接觸式成形。

附圖說明

圖1為一種提高金屬板料激光沖擊成形性能的方法與裝置圖；

圖2為激光垂直、傾斜入射示意圖和板料沖擊后產生微裂紋時截面示意圖；

圖3為激光束與板料相對位置示意圖；

圖4為在CAD軟件中獲得板料沖擊區域內的法線方向示意圖；