[發明專利]一種基于激光沖擊波的微沖裁裝置

有效

• 申請號: 201510048737.5
• 申請日: 2015-01-30
• 公開（公告）號: CN104841750B
• 公開（公告）日: 2017-07-18
• 發明（設計）人: 戴峰澤
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: B21D26/06
• 分類號: B21D26/06;B23K26/18
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及微制造領域，具體地是指一種基于激光沖擊波的微沖裁裝置。

背景技術

隨著微機電系統的飛速發展，對微零件的需求量也越來越大；當前，面向MEMS系統的加工技術主要有LIGA、光刻、刻蝕、微擠壓、微壓印、微鈑金、微拉深、微沖壓、微鍛、微軋制和微無模成形工藝，這些工藝受到加工效率低、成本高、污染環境等問題的限制。

近年來，隨著激光技術的飛速發展，激光技術開始廣泛應用在微零件的制造，利用高功率脈沖激光與材料相互作用產生的力學效應，在材料加工領域受到了人們越來越多的關注，在微零件的制備方面得到了廣泛的應用；中國專利ZL201010505869.3和ZL201010505882.9提出了一種利用激光沖擊波加載飛片，使飛片獲得一個動能撞擊工件實現工件的微成形，該方法中飛片由于受到高能量的激光沖擊波的作用，將產生嚴重塑性變形，嚴重塑性變形的飛片撞擊工件表面，使獲得的微成形工件不平整；由于飛片在空氣中飛行，將會有很大的動量損失，從而大幅度降低成形效果；此外，采用飛片撞擊的方法無法實現零件的切斷；中國專利ZL201110239514.9提出了一種基于激光沖擊波效應的微沖裁和成形方法，該方法采用先切斷后成形的方法，在進行切斷時，工件下部是空氣，由于激光沖擊波在作用區域內不可能是均勻的，工件將產生不規則變形，影響工件的成形精度；由于激光沖擊波同時作用于毛胚和工件，因此無法對沖裁間隙進行控制，從而影響工件的尺寸精度和斷面質量；此外，工件在激光沖擊波作用下在進行切斷和成形時，激光沖擊波透過工件后作用在剪切模上，剪切模的刃口在沖擊波作用下將產生塑性變形，影響模具的使用壽命；此外，上述三個專利都無法加工外形復雜的微零件。

發明內容

本發明針對以上技術的不足，提供了一種基于激光沖擊波的微沖裁裝置，在沖裁過程中，可以對薄板實現精確的壓邊，控制沖裁間隙，獲得大批量、外形復雜、高尺寸精度、高斷口質量的微零件。

本發明的一種基于激光沖擊波的微沖裁裝置，凹模鑲塊的外圓柱面通過過盈配合安裝于下模座的沉孔內；頂塊通過配合面與下模座的內圓柱面互相配合安裝在下模座內；預緊螺母通過外螺紋與下模座的內螺紋配合安裝在下模座內，位于頂塊下方；彈簧安裝在頂塊的圓柱面和預緊螺母的圓柱面上；在凹模鑲塊的上端面上依次覆蓋金屬薄膜、吸收層和掩膜，并通過夾具系統保證掩膜的掩膜孔對準凹模鑲塊的切斷模孔；水膜覆蓋在掩膜和吸收層上；激光束透過水膜分別輻照在掩膜和吸收層上。

所述的激光束為聚焦后的脈沖激光束，脈寬為10-100ns，脈沖能量為0.1-1J，聚焦后的激光束透過水膜到達吸收層時，其直徑大于掩膜孔徑向最大尺寸的2倍。

所述的水膜的厚度為1~1.5mm。

所述的吸收層的材質為鋁箔或者黑漆，厚度為50~150 μm。

所述的掩膜，材質為強高硬度鋼，如T7、20Cr、40Cr等模具鋼，厚度為0.5mm，掩膜孔的外形為圓形、正方形或者其他異形孔，且與凹模鑲塊的切斷模孔的外形相似，掩膜孔的尺寸比切斷模孔的尺寸小3~10 μm。

所述的金屬薄膜的厚度介于20~300μm之間。

所述的凹模鑲塊的材質為高強高硬度鋼，如T7、20Cr、40Cr等模具鋼，凹模鑲塊的上端面與下模座的上端面在同一平面內，凹模鑲塊的厚度為1mm，其切斷模孔水平方向的尺寸介于30~100μm之間。

所述的頂塊的材質為高強高硬度鋼，如硬質合金、20Cr、40Cr等，頂塊的上端面與凹模鑲塊的上端面在同一平面內。

所述的彈簧能提供的頂件力范圍為0.1~3N。

本發明的原理為：高能脈沖激光的一部分透過透明水膜輻照在掩膜的上表面，另一部分透過水膜和掩膜孔，形成特定形狀的激光光斑輻照在吸收層表面；掩膜的上表面吸收激光能量在水膜的約束下產生等離子爆炸，產生一個巨大的壓力，該壓力將掩膜、吸收層和金屬薄膜壓緊在下模座上，在1.7ps之后，另一部分具有特定形狀的激光束到達吸收層，吸收層吸收的激光能量在水膜的約束下產生等離子爆炸，形成沖擊波，該沖擊波的壓力遠大于頂塊提供的向上壓力，在該具有特定輪廓的沖擊波和凹模鑲塊的切斷模孔作用下，金屬薄膜和頂塊同時向下運動，金屬薄膜被切斷，獲得一個具有特定形狀的平整的微零件。