本发明专利技术涉及激光加工制造领域，特指一种激光冲击精密成形方法及装置，装置包括激光器，外光路系统，激光冲击头系统Ａ、带激光冲击头系统Ｂ的飞行光学加工系统，试样体系，检测反馈系统，多轴联动机床及工装夹具系统，中央控制处理器、控制系统。激光器发出的激光束通过外光路系统分光分别传输到工件正反表面，对双面带能量吸收层和约束层的工件正反表面进行激光诱导的冲击波作用；根据板料形状和成形规律的要求，两面的激光冲击头，可进行同时、不同时，对冲、错位冲，等同、不同能量冲击等，使板料产生一定的塑性变形和应力场分布而成形，并使板料表面形成一定的残余压应力。本发明专利技术可实现定量精确成形，重复性好、成形效率高、易实现自动化生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机械制造领域，特指一种激光冲击精密成形方法及装置，其适用于大型金属板料的高效率、 复杂精密成形，也适用于金属板料的细微结构成形，特别适合于常规方法难以成形或根本无法成形的材料 成形，如钛合金、镁合金材料等。
技术介绍
金属板料塑性成形作为板材成形加工主要方法，已在整个国民经济中占有十分重要的地位，广泛应用 于航空航天、船舶工业、汽车覆盖件、电子、仪表等生产行业。目前，国内外用于金属薄板塑性成形方法 颇多，包括冲压、爆炸成形、喷丸成形、激光热应力成形和激光冲击成形等。传统的模具冲压成形是将金 属板材置于模具上，在压力机作用下，在板材内部产生使之变形的内力，当内力的作用达到一定程度时， 就获得一定的形状的零件，虽然操作简单，生产效率高，但是生产准备时间长，加工柔性差，模具费用大， 制造成本高等不足，且模具冷冲压成形仅适用于低碳钢薄板(如10F,20, 1Crl8Ni9Ti等)、铝合金(如LY12M， LY12C等)以及铜等塑性好的材料，但也受成形极限限制。经检索有美国加州大学HACKELLLOYD和HARRIS FRITZ申请的专利"CONTOUR FORMIMG OF METALS BY LASER PEENING"专利号WO0105549,该专利提出用激光锤击金属板材表面产生残余应 力，再利用残余应力释放产生微曲度进行的微变形成形，通过各点每次锤击的微曲度的累积或在同一点实 施多次冲击，就可取得更大尺寸的弯曲。其缺点如下:(l)由于是利用残余压应力发生的应变而产生弯曲， 所以变形量小;(2)通过逐点锤击产生的应力分布来控制大面积的弯曲，这在实际应用中很困难;(3)成形材料 和工艺单一，只是对金属材料锤击的弯曲成形和杆件校形。国内江苏大学张永康等人申请的专利技术专利"一种激光冲击精密成形方法及装置"，专利授权号 01134063.0，该专利采用高性能激光冲击精密成形技术，它直接利用强脉冲激光束冲击工件表面的柔性贴 膜，使其表层气化电离并形成冲击波，由于产生的冲击波压力峰值超过材料动态屈服强度，这使成形材料 发生明显塑性变形。此专利技术专利为金属薄板成形提供了一个很好的思路。其缺点如下(l)其在激光冲击成 形过程中，板料每次塑性变形量小，对于高强度合金钢和较厚板材，变形量更小，主要适用于薄板的成形。 (2)由于板料每次塑性变形量小，对于大面积的成形效率较低；大面积的成形方面，仅仅靠每次产生塑性 变形完成成形过程，会产生变形间的不均匀性，因此表面光滑度受到影响。(3)由于冲击成形过程，不可避 免地会发生激光能量等参数的波动等因素的影响，产生成形量如过量等问题无法进行修正。(4)因为(3) 的原因，也很难完成复杂工件的冲击成形，要进行精密成形也非常困难。(5)其装置较难完成大型复杂精 密工件成形的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能克服上述缺点，可实现使各种常用金属成形材料，特别是常规方法难以成 形的激光冲击双面精密成形方法及装置，实现三维立体复杂成形，提高成形效率，并使板料表面形成一定 的残余压应力。本专利技术是按下述技术方案实现的采用大功率脉冲激光器，由激光器发出的激光束通过外光路系统分两路分别传输到安装在夹具中的工 件正反表面，通过改变激光脉宽、能量、光束直径来调整冲击压力的大小，对双面带能量吸收层和约束层 的工件正反表面进行照射，产生激光诱导的冲击波作用使工件成形。其中由激光器发出的脉冲宽度为4ns 10ns的激光束，经外光路系统分别传到激光冲击头系统，然后 作用于试样体系，检测反馈系统检测试样体系的试样成形信息，反馈给中央控制处理器，由控制系统执行， 控制多轴联动机床及工装夹具系统和激光冲击头系统等，并通过改变激光脉宽(4ns 10ns)、能量(0 100J)、光束直径(0.2 20mm)等激光参数来调整冲击压力的大小，对双面带能量吸收层和约束层的工件 正反表面进行激光诱导的冲击波作用，使工件产生快速的塑性变形。根据板料形状和成形规律的要求，两面的激光冲击头(系统)进行同时、不同时，对冲、错位冲，相 同、不同能量冲击等，使板料产生一定的塑性变形和应力场分布而获得精确的工件轮廓和提高成形效率， 并使板料表面形成一定的残余压应力，改善材料的表面性能。也适用于金属板料的细微结构成形，特别是 由于改变成形应力状态而适合于常规方法难以成形或根本无法成形的材料成形。且设置带位移测量装置的检测反馈系统，在冲击过程中位移测量装置把位置信号反馈中央控制处理 器，由中央控制处理器发出指令，调节激光冲击头的焦距；检测反馈系统通过测量冲击点的变形量，并把 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对比，给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整体成形。且根据优化的冲击参数，计算机控制系统自动选择激光脉冲参数、光束变换装置及光学参数，控制各 控制执行系统，夹载试样体系的工作台和激光冲击头系统A、激光冲击头系统B按数控指令向待冲击位置 作三维运动，完成双面冲击，实现金属板料的精密成形。实施上述方法的装置包括激光器，外光路系统，激光冲击头系统A、带激光冲击头系统B的飞行光学 加工系统，试样体系，检测反馈系统，多轴联动机床及工装夹具系统，中央控制处理器、控制系统，其特 征在于激光器)经外光路系统，分别连接到激光冲击头系统A， B，再将激光作用于试样体系，检测反馈系 统经中央控制处理器与控制系统相连，试样体系位于多轴联动机床及工装夹具系统上。试样体系由成形工件和工件正反表面贴设柔性贴膜构成一体式的透明约束层和能量吸收层组成，透明 约束层也可采用流水。激光冲击头系统A、 B具有灵活移动和自动调焦系统，适用于大型金属板料的复杂精密成形。激光冲 击头系统A内设有由聚焦镜、可旋转反射镜、三棱镜组成的聚焦镜组，可旋转反射镜由控制系统根据需要 进行调整；飞行光学加工系统包括全反射镜，转换为Y轴向的导光系统，激光冲击头系统B，液压系统，步进电 机A、 B，运动控制系统。激光冲击头系统B是飞行光学加工系统的一部分，经由全反射镜转换为可沿着Z 轴向运动的导光系统，导光系统把光束转换Y轴向，经由全反射镜传给激光冲击头系统，冲击头系统B相 对导光系统可在Y向移动，而冲击头系统B和导光系统一起相对全反射镜作Z轴向运动。由导光系统在Y 轴向经由全反射镜，到全反射镜、自适应压力凸面变形镜、自适应压力凹面变形镜、聚焦镜，把激光束打 到工件系统。液压系统控制自适应压力凸面变形镜、自适应压力凹面变形镜，步进电机A、 B分别控制导 光系统和冲击头系统B的运动。可实现Y轴和Z轴方向的较大范围的移动，对飞行光束聚焦特性进行自适 应调控，使光束参数和聚焦特性控制在误差范围内变化不大，提高激光加工的质量和稳定性。激光冲击头 系统A、 B可以互换，且激光冲击头系统A和B分别作用双面的正反面，或单独采用激光冲击头系统A 或B同时作用双面，激光冲击头系统A和B或由两台激光器分别驱动。本专利技术具有如下技术优势(1) 本专利技术兼有冲击塑性变形成形和应力场成形的双重特征，可根据板料形状和成形规律的要求， 两面的激光冲击头(系统)，可进行同时、不同时，对冲、错位冲，相同、不同能量冲击等，使板料产生 一本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于激光冲击波效应的板材双面精密成形方法，其特征在于采用大功率脉冲激光器，由激光器发出的激光束通过外光路系统分两路分别传输到安装在夹具中的工件正反表面，通过改变激光脉宽、能量、光束直径来调整冲击压力的大小，对双面带能量吸收层和约束层的工件正反表面进行照射，产生激光诱导的冲击波作用使工件成形。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：姜银方，张永康，姚红兵，叶云霞，任旭东，石朝阳，
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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