一种激光冲击精密成形方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及机械制造领域，特指一种激光冲击精密成形方法及装置，其适用于金属薄板的成形，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，其装置由激光器（１），外光路系统（２），工装夹具系统，控制系统（１３）组成，工装夹具系统由工作台（８）、夹具座（９）、上夹板（１０），下夹板（１１），试样体系（１２）组成。成形方法由激光器发出的激光束通过外光路系统传输到安装在夹具中的工件表面，粘贴在工件表面的柔性贴膜受到激光诱导的冲击波作用而压向工件，并使工件产生快速的塑性变形。本发明专利技术能实现三维立体冲击，既能进行大板的复杂成形，又可以进行局部微细成形，可实现定量精确成形，重复性好、易实现自动化生产。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【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，其适用于金属薄板的成形，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，如结构钢、钛合金、复合材料等，也可用于杆件的校形。经检索有美国加州大学HACKEL LLOYD和HARRIS FRITZ申请的专利“CONTOUR FORMIMGOF METALS BYLASER 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。具体实施方式为首先在金属材料表面固定一层激光能量吸收层，其由聚乙酸乙烯脂塑料和聚氯乙烯塑料组成，然后在能量吸收层表面用1mm厚的水作为惰性约束层。用高功率钕玻璃激光装置产生的脉冲宽度10ns~20ns的激光束(波长1.06μm)锤击金属表面的能量吸收层，形成60J~200J/cm2的能量束，能量吸收层吸收激光后产生惰性约束等离子体。等离子体产生的压力在10,000~100,000个大气压范围内，这使冲击压力超过了金属的弹性极限，从而使金属表面形成深甚至超过1mm的压应力层。应力使金属最表层产生应变，结果导致金属弯曲。其缺点如下(1)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)在激光冲击前必须在待冲击表面敷能量吸收层，再在涂层上用水作约束层。这种分开式处理方法，造成激光能量利用率低、数据不稳、可靠性差等缺点，而且还需一道去除残留能量吸收层的后处理工序。用水作约束层时需额外的供水系统，并使工装夹具变复杂，且激光锤击过程中水的飞溅难以控制，易损坏光学镜片等，(4)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。本专利技术是按下述技术方案实现的它由激光器、外光路系统、工装夹具系统，控制系统组成，其成形方法的特征在于由激光器发出的激光束通过外光路系统传输到安装在夹具中的工件表面，粘贴在工件表面的柔性贴膜受到激光诱导的冲击波作用而压向工件，并使工件产生快速的塑性变形。可通过改变激光脉宽、能量、光束直径、重复频率等激光参数来调整冲击压力的大小，通过控制冲击位置和各点冲击力的大小，就可获得精确的工件轮廓。其成形装置的特征在于工装夹具系统由工作台、夹具座、上夹板，下夹板，试样体系组成。试样体系由工件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。激光冲压精密成形装置的激光冲击头内设有聚焦镜组，其包含聚焦镜、可旋转反射镜、三棱镜等。激光器内的调制器产生的激光束的脉冲宽度为4ns～10ns。在激光器发出激光的同时，夹载试样体系的工作台和激光冲击头同时按数控指令向待冲击位置作三维运动，从而达到控制冲击位置的目的。本专利技术提出高性能激光冲击精密成形技术，它直接利用强脉冲激光束(功率密度大于109W/cm2，脉冲宽度8-30ns)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，这不同于应用残余应力释放弯曲成形中局部冲击不产生明显塑性变形而只是宏观材料变形，然后通过逐点冲击和有序的冲击点分布获得大面积复杂形状。成形材料包括金属、复合材料、塑料，以及镀有脆性涂层(如TiN)的金属薄板冲击成形。能有效地对金属材料、无机材料、高分子材料及复合材料等多种材料进行局部胀形、弯曲、拉伸、板料校平、杆件校直校曲，是集多种成形方式为一体的无模复杂成形。如果采用预先制作好的凹模，那么又可以进行冲压仿形。本专利技术具有如下技术优势(1)在工件表面采用柔性贴膜，其具有能量吸收层及约束层的双重功能。这种双层柔性帖膜覆盖与待处理工件表面，不仅提高了激光能量利用率，而且使激光冲击能方便地处理非平面区域，如圆角、曲面等。(2)激光冲击成形系统装置采用产生脉冲宽度为4ns~10ns脉冲能量0J~50J的强激光束，由于提高了激光功率，因而产生了更高峰压的冲击波，其峰压达数Gpa。同时，通过改变激光棒晶体材料，也可以产生波长更短更易被柔性贴膜吸收的激光束，如红宝石晶体(波长0.694μm，吸收率比1.06μm高得多)。(3)金属板材冲击成形后表面形成了很深的高幅值残余压应力，可显著提高疲劳寿命。如3mm厚的2024铝合金冲击成形后表面形成-235MPa至-300MPa的残余压应力，根据我们所做的激光冲击强化实验结果，此状态可提高疲劳寿命4倍以上。这特别适合于制造有抗疲劳性能要求的钣金件，如飞机机翼蒙皮等，可减去常规的强化工艺。(4)可实现小曲率板材弯曲成形。由于是全塑性弯曲，无回弹，解决了常规工艺反复试模费工费事费钱的缺点。(5)可实现难成形材料的成形，如钛合金导弹尾翼的弯曲精密成形。(6)成形精确，成本低，速度快，特别适合于批量少的新品研制。仅估算激光冲击凹模仿形，就可节约一半模具。另在优化控制激光冲击成形工艺参数的条件下，可以实现无模成形。(7)除了可对薄板冲压成形外，还可对厚达20mm的金属厚板弯曲成形。此外还可对高强度结钢、钛合金、塑料及复合材料等多种材料冷冲压成形，甚至对脆性材料弯曲成形，实现脆塑的动态转变，如对镀TiN(5μm厚)的镜面不锈钢板进行冲击拉伸成形，TiN涂层表面形成塑性滑移线且附着良好，无裂纹。这些特殊的用途是其它成形方法无法替代。(8)本专利技术采用光束导光和分光装置，以及多轴连动的工作台，所以它能实现三维立体冲击，并可进行多工位或多点同时工作，成形速度快且易实现程序自动控制。因为激光光斑尺寸可调，所以既能进行大板的复杂成形，又可以进行局部微细成形，实现定量精确成形。因为冲击参数的定量控制，所以重复性好、易实现自动化生产。(9)由于激光冲击在材料表面形成硬化层和高幅残余压应力，因此提高了材料成形的稳定性，几乎无回弹。同时材料冲击后材料表面质量提高，如表面粗糙度降低，硬度提高、晶粒细化、工件抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能大幅提高。激光冲击精密成形装置由控制系统13、激光器1，激光冲击系统、工装夹具系统组成。激光冲击系统由导光和分光系统2、透射镜3、可旋转反射镜4、光学透镜组5、激光冲击头6、聚焦镜组7组成。工装夹具系统由工作台8、夹具座9、上夹板10，下夹板11，试样体系12、成形工件16组成。图2是柔性贴膜的组成图，它包含构成柔性贴膜的约束部分14和构成柔性贴膜的能量吸收部分15，这是两个具有不同功能的组成部分。前者起约束高温等离子体膨胀，后者起提高激光吸收率的作用。附图说明图1是激光冲击精密成形装置示意图，成形工件16表面经柔性贴膜覆盖后，用上下带中心孔的上夹板10和下夹板11或凹模18紧紧夹在中间，在凹模18上特设排气孔19。激光束17经聚焦后直接辐射柔性贴膜，柔性贴膜中能量吸收部分15瞬时汽化并形成高温等离子体，它们膨胀受柔性贴膜中透明约束部分14的限制，这样，等离子体剧烈升温进而剧烈爆炸，产生向成形工件16内部传播的高幅冲击波，调整激光冲击参数，可形成预定幅值的成绩波加载。当冲击波峰压超过金属材料动态屈服强度时，材料屈服，并产生动态塑性变形，图3是激光冲击平板凹模仿形微区激光单次冲击示意图。激光束17输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光冲击精密成形方法，其特征在于由激光器发出的激光束通过外光路系统传输到安装在夹具中的工件表面，粘贴在工件表面的柔性贴膜受到激光诱导的冲击波作用而压向工件，并使工件产生快速的塑性变形。

【技术特征摘要】

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