一种激光驱动组合飞片成形方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及机械制造技术领域，特指一种激光驱动组合飞片成形方法及其装置。该发明专利技术首次提出利用脉冲激光驱动载能飞片高速运动，载能飞片飞行一段距离后与静止的成形飞片发生碰撞，根据两个飞片之间的速度增益关系，成形飞片获得远大于载能飞片的超高速度，成形飞片飞行一段距离与工件发生碰撞，在碰撞界面上产生高压冲击波，高压冲击波向工件材料内部传播，使得材料在微模具内产生超快塑性变形，从而实现工件的精确成形。该发明专利技术能够在现有的实验条件下明显提高成形飞片的速度，从而增强激光驱动飞片技术的成形能力，适用于对表面质量要求较高或者难成形材料的精密成形，同时可用于微器件制造等领域。

【技术实现步骤摘要】

本发 明属于激光加工微机电系统制造
，特指一种激光驱动组合飞片成形方法及其装置，能够精确复制微模具上的微细特征到工件上，适用于微尺度下常规方法难以成形或无法成形的复杂工件微体积成形。
技术介绍
随着现代科学技术的发展和微零件、微器件需求量的不断增加，微型化成为当代科技发展的一个重要方向；由于微成形装置一般体积较小，内部结构相对复杂，零件要求精度较高，目前的微成形装置存在加工操作难度较高，加工效率较低等问题，使得传统成形方法与装置难以满足现代微零件加工的要求；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等难成形材料的加工，使其在工业生产中受到很多的限制；因此，国内外学者在传统微成形的基础上积极寻找新的微成形方法，近年来迅速发展的激光加工技术为我们解决这一难题提供了较好的研究基础；由于激光加工质量好，加工精度高，与传统加工方式相比，加工质量和效率显著提高，激光加工技术日益广泛的应用在微小零件加工上。激光驱动飞片成形技术是一种新型高压高应变率成形技术，即通过激光驱动飞片加载的方式代替激光直接冲击，将激光能量转化为飞片的动能，利用激光驱动飞片高速运动，高速运动的飞片作为激光能量的载体，飞行一段距离后与工件材料发生碰撞，在碰撞界面上产生高压冲击波使材料在微型模具内产生超快塑性变形，从而实现工件在微模具中的精确成形；与传统的高速驱动方式如气体炮、爆轰驱动以及电磁驱动等相比，激光驱动飞片技术可以显著提高飞片的速度，从而能够产生TPa量级的冲击压力；激光驱动飞片成形技术的可重复性较高，装置简单，是一种低成本、高效率的新型激光微加工技术，对其所涉及的诸多研究领域都具有极大的理论研究和潜在应用价值。飞片速度是激光驱动飞片技术中一个主要的性能指标，直接反映激光能量的利用率和飞片的动态加载性能，是激光驱动飞片成形技术的研究重点；但是目前激光驱动飞片成形技术由于激光器性能、飞片的材料选择和制备工艺等诸多条件的限制，飞片能量耦合效率较低，飞片驱动速度较低，从而导致激光驱动飞片技术的成形能力不高；如专利技术专利申请号为200810023264. 3的中国专利一种微器件的激光冲击微体积成形方法和装置以及申请号为201010505882. 9的中国专利一种激光间接复合微塑性成形装置及方法，为提高飞片的驱动速度，均提出采用水或硅油将约束层和飞片粘附在一起制备成飞片靶的方法，该方法由于涂层材料的粘结性问题，容易产生粘结不牢固或者不均匀等问题，导致在激光冲击过程中产生等离子体泄露现象，导致飞片的能量耦合效率下降，激光驱动出去的飞片无法达到很高的速度，降低了飞片与工件碰撞所产生的冲击压力，从而导致激光驱动飞片的成形能力大大下降；相比以上专利提出的激光驱动飞片成形方法，本专利技术所述的一种激光驱动组合飞片成形方法能够在现有的实验条件下较好地解决其存在的驱动飞片速度不高、成形能力较差等问题，是一种低成本、高效率的新型激光微加工技术。
技术实现思路
本专利技术主要是针对目前在激光驱动飞片成形过程中驱动飞片速度较低，从而导致激光驱动飞片技术成形能力不高的突出问题；为解决这一问题，进一步提升现有实验装置及相关技术的超高速发射能力，本专利技术首次提出在激光驱动飞片成形技术中采用组合飞片成形方法。本专利技术的装置主要由激光加载系统、成形系统和控制系统组成；激光加载系统由纳秒激光器、反射镜、聚焦透镜组成，纳秒激光器装有指示光系统；成形系统包括组合飞片装置、试样装置、夹具体、三维移动平台以及L型底座；控制系统由三维移动平台控制器、计算机、激光控制器组成。成形系统中，最下方为L型底座，三维移动平台放置在L型底座上，三维移动平台上方由下到上依次放置试样装置、夹具体和组合飞片装置；微模具位于试样装置下部，通过夹具体来进行定位和夹紧，工件放在微模具上；组合飞片装置由成形系统和冲击系统组成， 成形系统中由下到上依次为成型管、成形飞片和缓冲层，成形飞片与缓冲层通过蒸馏水或硅油进行粘结；冲击系统整体位于成形系统上方，由下到上依次为冲击管、载能飞片和约束层，载能飞片与约束层采用蒸馏水进行粘结；所述成形管采用WAll钨合金作为管壁材料，缓冲层材料选用聚丙烯塑料，约束层采用K9玻璃，载能飞片和成形飞片采用铝箔；冲击管的长度等于成形管长度的广I. 5倍。本专利技术所述的方法是在激光驱动飞片成形技术中采用组合飞片装置，利用已被驱动到高速的质量ml的载能飞片去撞击质量为m2的成形飞片，ml与m2比值根据成形飞片所需速度进行调节，一般在6 30 1之间；载能飞片在冲击管中飞行了一段距离并被加速到较大的速度值，高速飞行的载能飞片与缓冲层碰撞，缓冲层材料受压缩后发生离解或气化，由于成形管采用WAll钨合金作为管壁材料，此时将会从成形管的上端反射一强压缩波或冲击波，使成形管边缘区域的压力大大高于中心处的压力，从而导致缓冲层材料形成的气体发生二维会聚流动，边部的能量不断向中心会聚，进而驱动成形飞片使之加速到超高速度；由于成形飞片的直径和质量比载能飞片小，根据两飞片之间的速度增益关系，成形飞片可以获得高于载能飞片2飞倍的超高速度，从而使成形飞片与工件碰撞后在碰撞界面上产生更强的冲击波，从而增强激光驱动飞片的成形能力。本专利技术装置工作时，纳秒激光器发出的脉冲激光经第一反射镜、第二反射镜、聚焦透镜后作用于载能飞片上表面，烧蚀一部分飞片并产生高温高压等离子体，在激光脉宽时间内等离子体继续吸收激光能量使得等离子体膨胀爆炸，在约束层的约束作用下，爆炸等离子体迅速向飞片方向喷溅，其反冲作用力可形成强冲击波驱动剩余飞片向前运动，在激光脉冲持续时间内，载能飞片将不断吸收激光能量，将其转化成自身的动能，加速向前飞行；当入射激光脉冲结束时，载能飞片已经在冲击管中向成形飞片方向飞行了一段距离，高速飞行的载能飞片与缓冲层碰撞，缓冲层材料受压缩后发生离解或气化，所形成的气体发生二维会聚流动，进而驱动成形飞片运动；根据两飞片之间的速度增益关系，成形飞片能够获得比载能飞片更高的速度，成形飞片在成形管中飞行一段距离后与工件发生碰撞，在碰撞界面上产生高压冲击波，高压冲击波向工件内部传播，使得材料在微模具内产生超快塑性变形，从而实现工件的精确成形。为验证本专利提出的组合飞片的成形效果，通过一组对比试验观察工件的成形；对比实验采用Spitlight 2000型Nd:YAG激光器，脉宽8ns，波长1064nm，约束层为40mmXl. 76mm的K9玻璃，试验工件材料为铜箔(厚度20 μ m)，激光脉冲能量为1380mJ，离焦量为-30cm ;对比试验中一组采用如图3所示激光驱动飞片成形技术，飞片为纯度为99. 9%的铝箔(厚度17 μ m)，实验飞行腔长度为170 μ m，用蒸馏水将约束层和飞片进行粘结；另一组采用专利提出的激光驱动组合飞片成形方法，载能飞片和成形飞片均采用纯度为99. 9%的铝箔，厚度分别为80 μ m和17 μ m，质量比为8 :1，冲击管长度为220 μ m,成型管长度为170 μ m，缓冲层采用厚度为60 μ m聚丙烯塑料，成形飞片与缓冲层用蒸馏水进行粘结；图4是采用现有技术的成形工件的三维形貌图，图5是采用本专利技术技术方案的成形工件的三维形貌图；图4中工件的最大变形深度为105. 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光驱动组合飞片成形方法，其特征在于利用脉冲激光驱动载能飞片高速运动，载能飞片在冲击管内飞行后与与缓冲层碰撞，缓冲层材料受压缩后发生离解或气化，进而驱动成形飞片获得远大于载能飞片的超高速度，成形飞片在成形管飞行后与工件发生碰撞，在碰撞界面上产生高压冲击波，高压冲击波向工件材料内部传播，使得材料在微模具内产生超快塑性变形，从而实现工件的精确成形。2.一种激光驱动组合飞片成形装置，由激光加载系统、成形系统和控制系统组成，其特征在于所述成形系统包括组合飞片装置；所述组合飞片装置由成形系...

【专利技术属性】
技术研发人员：王霄，刘辉，任国栋，沈宗宝，张虎，杜道忠，李品，胡杨，高阳阳，郭朝，刘会霞，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：