一种激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于机械制造微零件研究领域的一种激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置以及方法，包括脉冲激光产生系统、碟形件成形系统、碟形件控制系统和激光光斑定位系统；与现有技术相比，本发明专利技术基于激光柔性动态加载载荷，完成了高精度碟形零件的制造工艺，本方法过程不需要制造凸模，解决了在传统制造过程中的需要设计复杂的复合模和级进模的问题；模具的可拆卸，实现了成形废料的有效清除，解决了成形废料堵塞模具的问题，延长了模具的使用寿命；利用相机采集图像数据对模具和脉冲激光进行定位，解决了使用肉眼观察带来的误差问题，提高了碟形零件的生产精度，制造出了具有较高精度的碟形零件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械先进制造微零件领域，尤其指激光柔性加载成形微零件领域中的一种激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置以及方法。
技术介绍
近年来，随着工业技术的发展，产品的微型化成为工业制造发展的重要趋势。与之相关的微零件的制造也变得越来越重要，相应的微成形技术也随之发展起来。微冲裁和微拉深作为新型的塑形加工工艺，越来越受到研究者的关注。然而，目前对于微成形的研究仅限于简单零件，只涉及单个加工工艺，对于涉及多种工艺的复杂零件则研究地较少。高精度碟形零件的生产制造需要涉及多种加工工艺，包括微拉深，微冲裁，以及微落料。在传统的制造技术中，加工这样的零件主要由三种加工方式进行实现：第一种加工方式，分三个步骤进行加工。先拉深成形，后冲孔，最后实现落料，相当于拉深成形后的切边整形过程。这种方式的缺点是：涉及多次装夹，存在装夹定位误差，精度差，加工耗时较长，生产效率较低，仅适用于小批量加工精度要求不高的零件。所以在批量生产中，一般不会采用这样的加工方式。第二种加工方式，利用级进模具进行加工。申请号为201310734972.9的中国专利提出了一种用于加工微型电机的多工位级进模，其设计内容包括在下模部分的凸模、在上模部分的凹模、凹模内推出制件的弹性推件装置、卸料板、固定板及设置于所述固定板和卸料板之间的内导柱。这套模具所涉及的结构较为复杂，而且这种级进模的加工方式会产生步距定位误差和凸、凹模加工及装配误差，导致零件的同轴度很难达到要求。在移动过程中，由于零件尺寸微小，会产生微量变形，影响加工精度，重复定位会影响加工效率，夹具的使用也会增加零件的制造成本。第三种加工方式，利用复合模具进行加工。裴雨滋等人在《电加工与模具》杂志中发表的论文《碟形件微冲裁冲压复合模具设计》中，设计出了一套能够制造高精度碟形零件的复合模具，包括拉深凹模，拉深凸凹模，冲孔凸模，落料凹模等零件，进而实现先拉深成形，再冲孔，最后完成落料。这种加工方式虽然减少了加工过程中由于装夹带来的误差，但是凸模与凹模之间的对中较为复杂且不易于保证精度。此外，构成模具的结构较复杂，延长了制造周期并增加了制造成本，因此这种加工方式也存在着诸多的不便与问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述问题提供一种基于激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置以及方法，本专利技术无需设计结构复杂的级进模具与复合模具，不存在装配误差，降低了制造复杂模具的成本与周期；利用脉冲激光和柔性薄膜作为加载载荷，利用较高精度的模具来保证高精度碟形零件的同轴度要求；模具的可拆卸，实现了成形废料的有效清除，解决了成形废料堵塞模具的问题，延长了模具的使用寿命；利用相机采集图像数据对模具和脉冲激光进行定位，解决了使用肉眼观察带来的误差问题，提高了碟形零件的生产精度。本专利技术的技术方案是：一种激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，包括脉冲激光产生系统、碟形件成形系统和碟形件控制系统；所述脉冲激光产生系统包括可拆卸安装在固定孔系基座上的第一保持架、安装在第一保持架的平面反射镜和调焦镜，以及脉冲激光器；所述脉冲激光器把光直射到所述平面反射镜上，所述平面反射镜在调焦镜的正上方，且把光反射到调焦镜上；所述碟形件成形系统设置在所述调焦镜的下方；所述碟形件成形系统包括落料力控制夹、工艺布置机构、模具和三坐标移动平台；所述工艺布置机构包括从上到下依次叠加的透明约束层、黑漆吸收层、柔性薄膜和金属薄板；所述落料力控制夹呈“回”字形，中间为方形的第四通孔，所述落料力控制夹平整地压在透明约束层之上；所述模具为可装配、多工艺成形模具；所述工艺布置机构水平放置在模具上，所述模具与下方的三坐标移动平台可拆卸连接，所述三坐标移动平台通过螺钉固定在固定孔系基座上面；所述碟形件控制系统包括脉冲激光控制器、工业计算机和伺服电机控制系统；所述脉冲激光控制器的一端与脉冲激光器电连接，另一端与工业计算机电连接，脉冲激光控制器用于控制脉冲激光器的功率密度和脉冲发射频率；所述伺服电机控制系统的一端与工业计算机电连接，另一端与三坐标移动平台电连接；工业计算机通过脉冲激光控制器控制脉冲激光器的工作，工业计算机通过伺服电机控制系统控制三坐标移动平台的移动。上述方案中，所述模具包括微拉深冲孔组合模和微落料凹模；所述微拉深冲孔组合模外形为从上到下递增的阶梯状，微拉深冲孔组合模的上部为微拉深处理，微拉深处为浅拉深球面，所述微拉深冲孔组合模的球面底部设有第一通孔；所述微落料凹模的外形呈倒T字型，微落料凹模的中部设有第二通孔，所述微拉深冲孔组合模安装在第二通孔内、且过渡配合，微拉深冲孔组合模的上表面和微落料凹模的上表面保持在同一水平面内。上述方案中，所述碟形件成形系统还包括废料收集器；所述废料收集器为长方体块，所述废料收集器放置在模具的正下方，模具和废料收集器通过六角螺钉与三坐标移动平台相连接；所述废料收集器的正中心位置处设有第三通孔，所述第三通孔的位置与第一通孔相对应。上述方案中，还包括激光光斑定位系统；所述激光光斑定位系统包括高精度相机、照明光源、第二保持架、数据信息卡和激光光斑特征采集纸；所述第二保持架的底端通过六角螺栓安装在固定孔系基座上、且位于模具的左侧；所述相机安装在第二保持架上；所述照明光源采用垂直照射的打光方式安装在相机的下方；所述数据信息卡的一端与相机电连接，另一端与工业计算机电连接；所述数据信息卡用于采集相机拍摄的图像，并传送到工业计算机中进行图像处理。上述方案中，所述透明约束层为亚克力板制成。上述方案中，所述柔性薄膜为橡胶薄膜。上述方案中，所述柔性薄膜的单个表面均匀地涂上黑漆作为黑漆吸收层，柔性薄膜涂有黑漆的表面与透明约束层通过水进行密封保持无间隙，未涂有黑漆的表面与成形金属薄板相接触。上述方案中，第一保持架为可进行三维调整的保持架，所述第一横杆和第二横杆分别与竖杆滑动副连接、且所述第一横杆和第二横杆分别可绕着竖杆旋转。一种根据所述装置加载成形高精度碟形零件的方法，具体包括以下步骤：S1、将数据信息卡分别与相机和工业计算机电相连，将脉冲激光控制器分别与脉冲激光器和工业计算机电相连，将伺服电机控制系统分别与三坐标移动平台和工业计算机电连接，利用工业计算机统一对脉冲激光器和三坐标移动平台的工作状态进行控制，脉冲激光控制器用于控制脉冲激光器的功率密度和脉冲激光发射频率，伺服电机控制系统用于控制三坐标移动平台的位置；S2、将废料收集器放置在三坐标移动平台上，装配模具保证微拉深冲孔组合模和微落料凹模的上表面保持在同一水平面内，将装配好的模具放置在废料收集器上，通过六角螺钉安装在三坐标移动平台上；将激光光斑特征采集纸平整地贴在模具上的左上角；S3、将平面反射镜、调焦镜安装在第一保持架上，使得平面反射镜与水平面成45°夹角，保证经由平面反射镜的光束垂直射入调焦镜，工业计算机通过伺服电机控制系统调整三坐标移动平台的高度，使其达到设定的离焦量和光斑直径，移动三坐标移动平台的平面位置使从调焦镜出来的光束可以辐照到激光光斑特征采集纸的表面上；S4、将相机安装在第二保持架上，使相机的视野范围可以覆盖整个模具，对相机进行标定，确定好相机坐标系，同时将照明光源安装在第二保持架上，照明光源位于相机的下方；S5、打开脉冲激光器的光栅，在激光光斑特征采集纸上预先打出一个光斑后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，其特征在于，包括脉冲激光产生系统、碟形件成形系统和碟形件控制系统；所述脉冲激光产生系统包括可拆卸安装在固定孔系基座(1)上的第一保持架(3)、安装在第一保持架(3)上的平面反射镜(9)和调焦镜(8)，以及脉冲激光器(13)；所述脉冲激光器(13)把光直射到所述平面反射镜(9)上，所述平面反射镜(9)在调焦镜(8)的正上方，且把光反射到调焦镜(8)上；所述碟形件成形系统设置在所述调焦镜(8)的下方；所述碟形件成形系统包括落料力控制夹(7)、工艺布置机构(6)、模具(5)和三坐标移动平台(2)；所述工艺布置机构(6)包括从上到下依次叠加的透明约束层(21)、黑漆吸收层(20)、柔性薄膜(19)和金属薄板(18)；所述落料力控制夹(7)呈“回”字形，中间为方形的第四通孔(27)，所述落料力控制夹(7)平整地压在透明约束层(21)之上；所述模具(5)为可装配、多工艺成形模具；所述工艺布置机构(6)水平放置在模具(5)上，所述模具(5)与下方的三坐标移动平台(2)可拆卸连接，所述三坐标移动平台(2)通过螺钉固定在固定孔系基座(1)上面；所述碟形件控制系统包括脉冲激光控制器(14)、工业计算机(15)和伺服电机控制系统(17)；所述脉冲激光控制器(14)的一端与脉冲激光器(13)电连接，另一端与工业计算机(15)电连接，脉冲激光控制器(14)用于控制脉冲激光器(13)的功率密度和脉冲发射频率；所述伺服电机控制系统(17)的一端与工业计算机(15)电连接，另一端与三坐标移动平台(2)电连接；工业计算机(15)通过脉冲激光控制器(14)控制脉冲激光器(13)的工作，工业计算机(15)通过伺服电机控制系统(17)控制三坐标移动平台(2)的移动。...

【技术特征摘要】
1.一种激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，其特征在于，包括脉冲激光产生系统、碟形件成形系统和碟形件控制系统；所述脉冲激光产生系统包括可拆卸安装在固定孔系基座(1)上的第一保持架(3)、安装在第一保持架(3)上的平面反射镜(9)和调焦镜(8)，以及脉冲激光器(13)；所述脉冲激光器(13)把光直射到所述平面反射镜(9)上，所述平面反射镜(9)在调焦镜(8)的正上方，且把光反射到调焦镜(8)上；所述碟形件成形系统设置在所述调焦镜(8)的下方；所述碟形件成形系统包括落料力控制夹(7)、工艺布置机构(6)、模具(5)和三坐标移动平台(2)；所述工艺布置机构(6)包括从上到下依次叠加的透明约束层(21)、黑漆吸收层(20)、柔性薄膜(19)和金属薄板(18)；所述落料力控制夹(7)呈“回”字形，中间为方形的第四通孔(27)，所述落料力控制夹(7)平整地压在透明约束层(21)之上；所述模具(5)为可装配、多工艺成形模具；所述工艺布置机构(6)水平放置在模具(5)上，所述模具(5)与下方的三坐标移动平台(2)可拆卸连接，所述三坐标移动平台(2)通过螺钉固定在固定孔系基座(1)上面；所述碟形件控制系统包括脉冲激光控制器(14)、工业计算机(15)和伺服电机控制系统(17)；所述脉冲激光控制器(14)的一端与脉冲激光器(13)电连接，另一端与工业计算机(15)电连接，脉冲激光控制器(14)用于控制脉冲激光器(13)的功率密度和脉冲发射频率；所述伺服电机控制系统(17)的一端与工业计算机(15)电连接，另一端与三坐标移动平台(2)电连接；工业计算机(15)通过脉冲激光控制器(14)控制脉冲激光器(13)的工作，工业计算机(15)通过伺服电机控制系统(17)控制三坐标移动平台(2)的移动。2.根据权利要求1所述的激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，其特征在于，所述模具(5)包括微拉深冲孔组合模(22)和微落料凹模(23)；所述微拉深冲孔组合模(22)外形为从上到下递增的阶梯状，微拉深冲孔组合模(22)的上部为微拉深处理，微拉深处为浅拉深球面，所述微拉深冲孔组合模(22)的球面底部设有第一通孔(24)；所述微落料凹模(23)的外形呈倒T字型，微落料凹模(23)的中部设有第二通孔(25)，所述微拉深冲孔组合模(22)安装在第二通孔(25)内、且过渡配合，微拉深冲孔组合模(22)的上表面和微落料凹模(23)的上表面保持在同一水平面内。3.根据权利要求1所述的激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，其特征在于，所述碟形件成形系统还包括废料收集器(4)；所述废料收集器(4)为长方体块，所述废料收集器(4)放置在模具(5)的正下方，模具(5)和废料收集器(4)通过六角螺钉与三坐标移动平台(2)相连接；所述废料收集器(4)的正中心位置处设有第三通孔(26)，所述第三通孔(26)的位置与第一通孔(24)相对应。4.根据权利要求1所述的激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，其特征在于，还包括激光光斑定位系统；所述激光光斑定位系统包括高精度相机(12)、照明光源(10)、第二保持架(12)、数据信息卡(16)和激光光斑特征采集纸；所述第二保持架(12)的底端通过六角螺栓安装在固定孔系基座(1)上、且位于模具(5)的左侧；所述相机(11)安装在第二保持架(12)上；所述照明光源(10)采用垂直照射的打光方式安装在相机(11)的下方；所述数据信息卡(16)的一端与相机(11)电连接，另一端与工业计算机(15)电连接；所述数据信息卡(16)用于采集相机(11)拍摄的图像，并传送到工业计算机(15)中进行图像处理。5.根据权利要求1所述的激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，其特征在于，所述透明约束层(21)为亚克力板制成。6.根据权利要求1所述的激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，其特征在于，所述柔性薄膜(19)为橡胶薄膜。7.根据权利要求1所述的激光柔性加载成形高精度碟形零件的装置，其特征在于，所述柔性薄膜(19)的单个表面均匀地涂上黑漆作为黑漆吸收层(20)，柔性薄膜(19)涂有黑漆的表面与透明约束层(21)通过水进行密封保持无间隙，未涂有黑漆的表面与成形金属薄板(18)相接触。8.根据权利要求1所述的激光柔...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘会霞，沙朝飞，王霄，孙先庆，李聪，李立银，高帅，沈宗宝，马友娟，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32