[发明专利]板材激光软模成形方法及其专用装置

说明书

技术领域

本发明属于先进制造领域，具体是涉及一种板材激光软模成形方法及实现该方法的专用设备。

背景技术

板材的塑性成形方法很多，包括冲压、喷丸成形、爆炸成形等。最常见的是冲压成形生产各种钣金件，其缺点是模具费用高，生产周期长，同时由于受应力状态等因素的影响，成形极限受到限制，成形后的表面强度通常也会降低。喷丸成形是利用球丸高速冲击材料表面使之发生塑性变形，能够在材料表层形成残余压应力，从而改善工件的抗疲劳性能，但工件表面形貌质量差，工艺过程难以控制。爆炸成形是利用高能炸药爆炸产生的冲击波成形，所用模具较为简单，但可控性和成形精度都很差，危险程度高。

美国加州大学Hackel Lloyd申请的专利“Contour Forming of Metals by LaserPeening”(专利号WO0105549)，提出通过激光冲击板材表面，利用其残余应力释放产生微曲度进行微变形，通过多次冲击使微曲度累积，便可获得更大的变形量。中国专利文件CN101020276公开了“基于大光斑单次激光冲击的薄板半模精密成形方法”(申请号200610161353.5)，该方法利用脉冲激光冲击工件表面的柔性贴膜，使其气化电离并形成冲击波而压向工件，该冲击波压力大于材料的塑性变形抗力，加上成形半模的作用，最终得到与半模形状一致的精确的塑性成形试样。

对于上述两项专利文献公开的技术内容，后者与前者不同，它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。但后者亦有明显的缺点：其一是，在成形过程中，板材与半模之间的摩擦会影响工件的表面质量；其二是，板材进入半模型腔后的变形类似于胀形，这种拉-拉应力状态容易引起材料的开裂，从而影响材料的成形极限，所以该方法仅适合于单次激光冲击制作较浅的工件；其三是，半模型腔及通气孔的制造(特别是在加工微成形所用的微模具时)较为复杂等。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种成本低、快捷、精密、可重复，并可用于常规难成形材料的板材激光软模成形方法及其专用装置。

具体来说，本发明的板材激光软模成形方法，是一种将激光作用于板材形成凸模，以弹性材料作软模，使板材变形的方法。优选的技术方案是，在约束层的作用下，将激光作用于板材表面覆盖的能量吸收层产生等离子爆轰波，等离子爆轰波作为凸模进而作用于板材，以弹性材料作软模，使板材塑性变形的方法。

更为优选的技术方案是，将激光发生器2发出的激光束3作用于板材6表面覆盖的能量吸收层5产生等离子爆轰波，在约束层4的作用下，等离子爆轰波作为凸模进而作用于板材6，在弹性材料软模7的作用下，使板材6塑性变形的方法。

弹性材料软模所需材料优选为聚胺脂橡胶。所述能量吸收层可以是漆、石墨、金属涂层或金属镀膜等。所述约束层对任何波长的激光接近透明，优选为水。

本发明实现板材激光软模成形方法的专用装置，由激光发生器系统、模具系统、工作台系统构成。所述激光发生器系统包括激光发生器控制系统1和激光发生器2，所述模具系统包括约束层4、能量吸收层5和软模7，所述工作台系统包括沿X和Y方向移动的工作台8和工作台控制装置9。

由上述描述看出，该成形方法的特征在于由激光发生器发出的激光束作用于板材表面覆盖的能量吸收层，吸收层电离气化并形成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量而爆炸，爆炸导致的冲击波作用于板材，板材背面有一层用聚胺脂橡胶等弹性材料做成的衬垫作为成形时的凹模，在激光束与弹性凹模的作用下，材料快速产生塑性变形。通过改变激光能量、脉冲宽度、光斑直径等参数，来调整冲击压力和成形半径的大小，而不必调整凹模的形状和尺寸，便可获得不同尺寸规格的工件。由于软模的弹复时间比激光脉宽大得多，所以也可以通过多脉冲连续重复冲击，得到深拉深工件。

本发明的重要技术特征在于由激光发生器2发出的激光束3作用于板材6表面覆盖的能量吸收层5，吸收层电离气化并形成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量而爆炸，在约束层4的作用下，爆炸导致的冲击波作用于板材，板材背面有一层用弹性材料做成的衬垫作为成形时的凹模(软模7)，在激光束与软模7的作用下，材料快速产生塑性变形。

通过该方法，一种模具可适合多种工件成形，模具制造、调整容易，并能增加材料变形程度，减小工件回弹，保证工件质量，提高工件的抗疲劳和耐蚀性能。该方法特别适合金属或非金属薄板的精密成形，也可用于微器件制造、微电子封装等领域。

本发明的技术优势在于：