一种基于激光冲击多点复合成形的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及机械制造领域，特指一种激光冲击多点复合成形的方法和装置，其利用激光诱导的冲击波作为成形的力源，采用离散的多点模作为凹模或凸模，实现激光冲击凹模仿形或预应力冲击成形。装置包括激光发生器、导光系统、激光冲击头、多点模系统、控制系统，并设有带位移测量装置的检测反馈系统。根据板料的曲面形状和成形规律的要求，优化激光冲击工艺参数，调整多点模的基本体群的高度，板料在冲击波和多点模的联合作用下发生变形。本发明专利技术特别适合于金属板料大变形量、大面积的精密冲击成形，尤其是具有复杂曲面形状的板料成形。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械制造领域，特指一种激光冲击多点复合成形的方法和装置，其适应于 金属板料的大变形量、大面积复杂曲面精密冲击成形，也适应于金属板料的微细加工成形， 特别适合常规方法难以成形或根本无法成形的材料，如结构钢、镁合金、钛合金、复合材 料等。
技术介绍
金属板料成形作为板件直接投入消费前的主要深加工方法，已在整个国民经济中占有 十分重要的地位。对于一些小批量、高质量的多曲率工件，如飞机蒙皮、样车的覆盖件、 船体及压力容器外壳等，快速、经济的成形方法要求越来越强烈。对于传统的板材成形而 g，模具的制造、修复占据了工件较多的制造时间及制造费用，加工柔性差。因此一些新 型的无模成形技术应运而生，如喷丸成形、数字化渐进成形、无模多点成形、激光热应 力成形、激光冲击成形等。这些技术都是在数控系统的支撑下，实现板料的无模成形，具 有很大的柔性。他们克服了传统模具成形的不足，节省了模具制造费用与时间。激光冲击成形是利用强激光的力学效应来实现金属板料的冷塑性变形的一种新型柔 性的成形方法，当高功率密度、短脉冲的强激光束照射到涂覆在金属板料表面上的能量转 换体时，能量转换体吸收高能激光后瞬间汽化，汽化后的蒸汽吸收激光能量形成等离子体， 等离子体继续吸收能量发生爆炸，形成爆轰波，结果施与靶面一个冲击载荷，从而形成冲 击波传入材料内部，当冲击波压力超过金属板料的动态屈服极限时，板料就发生拉胀式塑 性变形。多点成形技术的基本原理就是用一系列离散的、规则排列的、高度可调的基本体群构 造出的离散曲面组成凹模或凸模来代替传统模具，通过对各基本体运动的控制，自由地构 造出各种成形面，实现板材三维曲面成形。多点成形是一种无模成形方法，可以自由地构 造出各种复杂的成形面，实现柔性加工的特点，大大节省了模具设计与制造费用，加速了 产品的更新换代，提高了生产效率。经检索，专利申请号为03132626.9的中国专利"板材柔性多点曲面成形模具装置"， 提出用弹性凸模组件代替多点成形中的上模，凹模组件作为下模，凸模组件由承压板和至 少二个弹性模体组成，凹模组件由弹性垫板、护板和若干个能上下调节的小模组成。具体 实施方式为根据所需成形工件的曲面形状，调节各小模的高度，从而形成所需的凹形型 腔，并依此型腔形状对弹性模体的尺寸进行合理的选择和布排，然后把板料设置在弹性模 体与弹性垫板之间。成形时，压力机上滑块向下运动，通过承压板作用在弹性模体后，弹 性模体变形，并将压力机的作用力传递到板料及护板，随着上滑块的进一步下移，弹性模体继续被压縮，其施加的压力不断增加，使得护板与构成曲面型腔的所有小模的上顶部逐 渐接触，完成成形。其缺点是板材在成形过程中由于无压边，容易出现起皱、失稳、划 痕质量问题。专利申请号为01134063.0的中国专利"一种激光冲击精密成形方法及装置"， 提到激光冲击薄板凹模仿形，将覆盖能量转换体的工件夹紧在凹模上，根据板料成形尺寸 大小，可采用单点单次或多次冲击或多点分布冲击形式实现局部胀形。其可节约一半模具， 缺点是依然需要传统模具，模具的设计制造费用较高，准备周期较长，加工依然不够灵活， 只能适应单种型面的成形。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述缺点，提供一种板料激光冲击多点复合成形的方法和装置， 实现激光精密冲击成形，降低模具设计与制造费用，提高成形效率和精度，并使板料表面 形成一定的残余压应力，其适合于金属板料大变形量、大面积的精密冲击成形，尤其是具 有复杂曲面形状的板料三维立体成形。本专利技术方法的特征是将激光诱导的冲击波作为板料成形力源，用一系列离散的、规则 排列的、高度可调的基本体群构造出的离散曲面组成凹模或凸模来代替传统模具，通过对 各基本体高度的控制，自由地构造出各种成形面。当多点模形状为凹模时，为激光冲击凹 模仿形，当多点模形状为凸模时，为预应力冲击成形。本专利技术采用大功率脉冲激光器，产生的能量为10 100焦耳、持续时间为8 80纳秒， 通过改变激光脉宽、重复频率、能量、光斑直径等激光参数来调整冲击波压力，激光冲击 时光斑对应基本体位置冲击，通过控制冲击位置和各点冲击力的大小，就可获得不同的变 形量。根据加工零件的曲面形状，通过计算机模拟出应力场和板料变形量，优化出作用在 板料表面的冲击波压力，调整基本体群的高度获得离散的曲面形状，在基本体群上覆盖一 层聚氨酯橡胶垫，聚氨酯橡胶垫可以使作用于板材下表面的压力均匀，避免表面出现凹凸 不平的现象，使工件表面顺滑。由于采用五轴联动工作台，可实现对板料各个方向冲击， 在冲击过程中位移测量装置把位置和板料变形量信号反馈到中央控制处理器，并与计算机 里的数字化工件成形形状数据进行对比，发出反馈指令给工艺过程中的各参数的控制系 统，调节冲击工艺参数，实现板料精确的局部成形或大面积整体成形。实施该方法的装置包括激光发生器、导光系统、激光冲击头、多点模系统、控制系统。 激光发生器经导光系统连接冲击头，其中导光系统由导光管、全反镜组成。多点模系统包括覆盖能量转换体的工件、多点模、工作台，工件板料装夹在多点模中， 多点模安装在数控工作台上，工作台根据数控系统控制器的指令实现三轴移动和两轴转 动，满足冲击过程所需的运动要求。控制系统由数控系统控制器、激光控制器、中央控制处理器、检测反馈系统组成，由 中央控制处理器分别控制数控系统控制器、激光控制器、检测反馈系统。激光发生器发出的激光经导光系统连接激光冲击头，在激光控制器的控制下对板料实 施冲击动作，同时多点模系统在数控系统控制器的控制下作多轴运动，以获得所需形状；激光冲击头、数控系统控制器、激光控制器、检测反馈系统与中央控制处理器相连，从而 实现对整个系统工作过程的有效控制。 本专利技术实施过程如下(1) 根据加工零件尺寸形状，展开计算毛坯尺寸，激光切割板料至所需毛坯形状。 根据加工零件曲面形状的要求，调整多点模的基本体群的高度，形成离散的曲 面形状，基本体群上覆盖一层聚氨酯橡胶垫，然后将表面覆盖能量转换体的工 件装夹在多点模中；(2) 根据零件形状和工件板料的材料性能，编制数控加工程序用于控制系统，以控 制激光发生器、冲击头、工作台；(3) 激发高能脉冲激光，照射在能量转换体表面，能量转换体吸收高能激光后迅速 汽化、电离、形成等离子体爆炸，产生高副冲击波压力作用在工件表面，以此 作为板料塑性成形的变形力。通过改变激光脉冲宽度、重复频率、脉冲能量、 光斑直径以及激光光斑模式，可获得不同大小的塑性变形力；(4) 根据选定的脉冲激光参数，冲击轨迹以及冲击次数，通过控制五轴联动工作台 进行有序地施加应力脉冲，实现板料精确的大面积冲击成形或局部成形；(5) 通过设置带位移测量装置的检测反馈系统，测量板料冲击成形过程中板料的变 形量，把信息反馈给中央控制处理器，并与计算机里的数字化工件成形形状数 据进行比较，发出反馈指令给工艺过程中的各参数的控制系统，调节冲击工艺 参数，实现预期冲击成形。本专利技术的优点在于利用激光诱导的冲击波作为成形的力源，采用离散的多点模作为凹 模或凸模，实现激光精密冲击成形。用高度可调的基本体群构造出的离散曲面组成凹模或 凸模来代替传统模具，可方便地组合出各种曲面形状，实现柔性加工的特点，大大节省了 模具设计与制造费用，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光冲击多点复合成形的方法，其特征在于，将激光诱导的冲击波压力作为板料成形力源，采用离散的多点模作为凹模或凸模；改变激光脉宽、重复频率、能量、光斑直径来调整冲击波压力的大小；数控系统控制器（８）控制工作台（７）和激光冲击头（５）相对位置，激光冲击时光斑对应基本体位置冲击，通过控制冲击位置和各点冲击力的大小，获得精确的工件轮廓。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨超君，张永康，叶镇，周建忠，鲁金忠，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]