本发明专利技术公开了一种激光直接复合微塑性成形装置，属于激光加工微机电系统（ＭＥＭＳ）零件技术领域。装置由激光加载系统、成形系统、控制系统组成；方法利用激光经透镜聚焦后穿过约束层，并作用于能量吸收层，能量吸收层吸收激光能量，在极短时间内形成一个高温高压的等离子体层，该等离子体层迅速向外喷射，膨胀的等离子体受到约束层限制，导致等离子体压力迅速升，给予工件一个冲击加载。工件在约束层与复合微模具间受到挤压，使工件产生塑性变形，复制出复合微模具的形貌。复合微模具上阵列的拉伸凹模、切边凹模和冲孔凸模使得靶材工件在一次的冲击成形过程中实现拉深、冲孔和切边的复合过程，同时完成工件的批量成形。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光加工微机电系统(MEMQ零件
，特指一种激光微成形方 法与装置。专利技术背景近年来，随着微纳米技术的逐步兴起以及电子产品中微型化趋势的不断发展，以 本身形状尺寸微小或者操作尺寸微小的微机械技术已成为人们在认识微观领域和改造客 观世界的一种高新技术。特别是随着社会的不断进步和人们生活水平的日益提高，人们对 于日常生活产品的要求日趋智能化、微型化、多功能集成化等，这就使得在设计和制造产品 的过程当中，充分考虑到以上功能的要求。随着产品微型化的趋势发展，基于传统塑性成形方法的微成形工艺仍然有其局限 性，微成形装置的体积一般都比较小，使得其内部结构相比于传统的成形设备更加复杂，由 于零件要求的精度很高，这使得制造微成形装置较为困难。目前的微成形装置存在加工操 作难度较高，加工效率较低的问题，同时准静态塑性微成形受到尺度效应的影响，材料成形 能力下降，难以满足一些高硬度高脆性难成形材料的加工，使其在工业生产中受到很多的 限制。近年来结合塑性加工方法的微成形技术得到了很大发展，研究和应用较多的有微 挤压、微压印、微钣金、微拉深、微冲压、微锻、微轧制和微无模成形工艺。虽然上述的微成型技术，在一定程度上满足了微成形产品加工的需要；但随着激 光器件及系统的飞速发展，激光技术也广泛应用于材料加工。以激光冲击为代表的激光加 工技术，在材料加工领域发展迅速，其应用范围广、工艺灵活多样，加工精度高、质量好，易 于控制和实现柔性及智能加工，被誉为“未来制造系统的共同加工手段。申请号为01134063.0的中国专利一种激光冲击精密成型方法及装置，具有 利用激光冲击技术实现常规方法难以成形的或者无法成形的材料成形。申请号为 200610161633. 6的中国专利激光冲击成形强化系统，具有激光冲击波参数与工件轨迹的精 确控制的特点。专利一种激光冲击精密成型方法及装置和专利激光冲击成形强化系统的方 法与装置并不能解决产品的批量化及在一次激光冲击制造零件的过程中实现切边、冲裁和 冲孔等同步的复合工艺过程。本专利技术具有激光加工零件的优点，并且在此之上提出了利用 复合微模具的成形效应设计复合微模具，使得工件在一次激光冲击制造过程中完成对工件 的拉深、切边和冲孔的复合工艺，由于特制微模具上具有一定数量按一定次序排列的复合 模，所以在一次冲击过程中实现了单一零件的批量生产，降低了生产成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型的金属箔板类微型工件的批量成形的方法和装置。 其特征在于激光经透镜聚焦后穿过约束层，并作用于能量吸收层，能量吸收层充分吸收高 能激光的能量，而在极短时间内形成一个高温高压的等离子体层，该等离子体层迅速向外 喷射，由于约束层的存在，等离子体的膨胀受到约束层限制，导致等离子体压力迅速升高，结果给予工件一个冲击加载，产生向金属内部传播的强烈冲击波，这样工件便在约束层与 复合微模具间受到挤压，由于复合微模具的限制作用，使工件产生塑性变形，复制出复合微 模具的形貌。复合微模具上具有拉伸凹模、切边凹模和冲孔凸模。切边凹模为环形凹腔，环 绕在拉伸凹模凹腔边缘外围，冲孔凸模位于拉伸凹模腔内。拉伸凹模具有圆角边缘，切边凹 模和冲孔凸模具直角边缘，在激光冲击加载过程中拉深凹模对工件起到拉深作用；切边凹 模对工件起到切边作用；冲孔凸模对工件起到冲孔作用，在一次冲击过程中便实现了对工 件的拉深、冲孔与切边。所述的拉伸凹模和冲孔凸模的形状可根据成形工件的成形要求来 设计。确定相对位置关系的拉伸凹模、切边凹模和冲孔凸模构成复合微模具上一组复合成 形模。复合微模具上的复合成形模按照NXM成阵列排列，N和M数量按照所需生产零件数 量确定，根据工件的大小调整加载在能量吸收层上的激光能量和光斑，实现激光在一次加 载过程中完成对工件的批量成形。实现该目的的装置由激光加载装置、成形系统、控制系统组成。激光加载装置由纳 秒激光器、全反镜和透镜组成。成形系统包括试样体、夹具、水平移动工作台、竖直移动工作 台。控制系统由移动平台控制器、计算机和激光控制器组成。控制系统分别控制激光加载 系统、成形系统。控制系统中的移动平台控制器分别与计算机和水平移动工作台、竖直移动 工作台相互连接，控制可水平移动工作台、竖直移动工作台的位置移动。激光控制器分别与 计算机和激光加载系统中的纳秒激光器相连接，可以调节纳秒激光器发出的激光参数。激 光加载系统中的全反镜、透镜和透镜调整臂安装在L型底座上。成形系统中的夹具安装在 竖直移动工作台上。夹具可对放入其中的试样体进行夹紧和定位。试样体是由约束层、能 量吸收层、工件和复合微模具组成，所述约束层、能量吸收层依次叠放在复合微模具上。约 束层为K9玻璃，能量吸收层和工件为金属箔板，能量吸收层和工件厚度为5 30 μ m。本装置的工作过程如下(1)复合微模具制备及工件毛坯尺寸的确定。根据所需要成形工件的形貌设计制 作复合微模具，然后根据复合微模具成形区域的大小计算出工件毛坯尺寸。(2)试样体的装配、密封与装夹。将工件毛坯、作为能量吸收层的金属箔板以及约 束层依次叠放在复合微成形模具上，同时在能量吸收层与约束层之间用水进行密封。然后 将复合微模具、工件、能量吸收层和约束层组成的试样体依次放入夹具中夹紧。(3)激光作用区域对准。利用激光控制器调控纳秒激光器发出一束调试光，利用移 动平台控制器控制水平移动平台和竖直移动平台精确动作，使得经全反镜反射和透镜聚焦 后的调试光光斑覆盖试样体表面，保持各部件位置的固定，关闭调试光。(4)获取所需激光能量。通过计算机优化激光参数，控制纳秒激光器所发出脉冲激 光的参数(脉冲宽度、脉冲能量、脉冲形状以及光斑大小)，获取所需的激光脉冲冲击力。( 加工过程。应用脉冲激光冲击约束层下能量吸收层，使其表面层气化后形成高 温高压的等离子体，等离子体急剧膨胀爆炸，产生向工件内部传播的强烈冲击波，由于工件 受到复合微模具限制，最终使工件完成拉伸、冲孔、切边以及批量生产的过程。本专利技术具有以下优势本专利技术采用脉冲激光作为成形力源，激光的参数精确可控，重复性好，易实现自动 化生产；因为激光光斑可聚焦至微米级至厘米级，所以既能进行批量工件的一次成形，也能 进行局部微细的定量成形，因此对工件的尺寸与成形数量有较大的调整范围，具有较大的柔性、适应性强。本专利技术根据复合微模具成形效应，采用拉深凹模、冲孔凸模以及切边凹模的相间 组合，使得工件在一次的冲击成形过程中实现拉深、冲孔和切边的复合过程。如果增加拉深 凹模和切边凹模的数量并按一定次序排列便可实现微型工件在一次冲击过程中的批量生 产。当然可根据实际情况来设计复合微模具上凹模以及凸模的形状，以实现不同要求下工 件的批量成形。附图说明下面结合附图和实例对本专利技术做进一步的说明。图1所示是根据本专利技术提出的一种激光直接复合成形的装置示意图。图2所示是根据本专利技术提出的试样体的原理图。图3所示是根据本专利技术提出的复合微模具上一组复合成形模的结构原理图。图4所示为复合微模具的俯视图。图5所示为复合微模具三维图以及成型后的工件三维图。图6为在一次激光冲击成形过程后剩下的工件废料的三维图。1.L型底座，2.水平移动平台，3.竖直移动平台，4.夹具，5.试样体，6.透镜调整 臂，7.透本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种激光直接复合微塑性成形装置，其特征在于，由激光加载装置、成形系统、控制系统组成。激光加载装置由纳秒激光器（１１）、全反镜（８）、透镜（７）和透镜调整臂（６）组成；成形系统包括试样体（５）、夹具（４）、水平移动工作台（２）、竖直移动工作台（３）；控制系统由移动平台控制器（１３）、计算机（１２）和激光控制器（１０）组成；所述控制系统分别控制激光加载系统、成形系统；所述移动平台控制器（１３）分别与计算机（１２）和水平移动工作台（２）、竖直移动工作台（３）相互连接；所述激光控制器（１０）分别与计算机（１２）和激光加载系统中的纳秒激光器（１１）相连接；所述全反镜（８）、透镜（７）和透镜调整臂（６）等安装在Ｌ型底座（１）上。所述夹具（４）安装在竖直移动工作台（３），夹具（４）夹紧和定位试样体（５）；试样体（５）是由约束层（１４）、能量吸收层（１５）、工件（１６）和复合微模具（１７）组成；所述能量吸收层（１５）和工件（１６）为金属箔板，能量吸收层（１５）和工件（１６）厚度为５～３０μｍ，所述约束层（１４）为Ｋ９玻璃；所述复合微模具（１７）包括拉伸凹模（１８）、切边凹模（１９）和冲孔凸模（２０），所述切边凹模（１９）为环形凹腔，环绕在拉伸凹模（１８）凹腔边缘外围，拉伸凹模（１８）与切边凹模（１９）同轴，所述冲孔凸模（２０）位于拉伸凹模（１８）腔内，拉伸凹模（１８）具有圆角边缘，切边凹模（１９）和冲孔凸模（２０）具直角边缘，所述拉伸凹模（１８）和冲孔凸模（２０）形状根据成形工件的成形要求来设计，确定相对位置关系的拉伸凹模（１８）、切边凹模（１９）和冲孔凸模（２０）构成复合微模具（１７）上一组复合成形模。...
【技术特征摘要】
1.一种激光直接复合微塑性成形装置，其特征在于，由激光加载装置、成形系统、控制 系统组成。激光加载装置由纳秒激光器(11)、全反镜(8)、透镜(7)和透镜调整臂(6)组 成；成形系统包括试样体(5)、夹具G)、水平移动工作台O)、竖直移动工作台(3)；控制系 统由移动平台控制器(13)、计算机(1 和激光控制器(10)组成；所述控制系统分别控制 激光加载系统、成形系统；所述移动平台控制器(1 分别与计算机(1 和水平移动工作台 O)、竖直移动工作台( 相互连接；所述激光控制器(10)分别与计算机(1 和激光加载 系统中的纳秒激光器(11)相连接；所述全反镜(8)、透镜(7)和透镜调整臂(6)等安装在L 型底座(1)上。所述夹具(4)安装在竖直移动工作台(3)，夹具(4)夹紧和定位试样体(5)； 试样体( 是由约束层(14)、能量吸收层(15)、工件(16)和复合微模具(17)组成；所述能 量吸收层(15)和工件(16)为金属箔板，能量吸收层(15)和工件(16)厚度为5 30 μ m， 所述约束层(14)为K9玻璃；所述复合微模具(17)包括拉伸凹模(18)、切边凹模(19)和冲 孔凸模(20)，所述切边凹模(19)为环形凹腔，环绕在拉伸凹模(18)凹腔边缘外围，拉伸凹 模(18)与切边凹模(19)同轴，所述冲孔凸模(20)位于拉伸凹模(18)腔内，拉伸凹模(18) 具有圆角边缘，切边凹模(19)和冲孔凸模00)具直角边缘，所述拉伸凹模(18)和冲孔凸 模00)形状根据成形工件的成形要求来设计，确定相对位置关系的拉伸凹模(18)、切边凹 模(19)和冲孔凸模00)...
【专利技术属性】
技术研发人员：王霄，王鹤军，刘会霞，沈宗宝，李品，陶茂科，许贞凯，宋新华，张成，黄志辉，郑远远，李威，王凯，张虎，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]
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