[发明专利]一种提高金属板料激光冲击成形性能的方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工制造领域，更具体的说本发明为一种提高金属板料激光冲击成形性能的方法与装置，其适用于金属薄板的高效率、复杂精密成形，特别适用于常规方法难以成形或根本无法成形的材料，如镁合金，钛合金等。

背景技术

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。中国专利01134063.0提供一种激光冲击精密成形方法及装置，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。此发明专利为金属薄板成形提供了一个很好的思路。其主要缺点如下：(1)复杂形状工件或曲面成形，以及多次冲击过程中，冲击激光束无法保证垂直入射板料，形成斜冲特征；(2)斜冲其结果会导致激光能量的损失，效率的降低；(3)斜冲的冲击力的方向不合理，板料容易被冲破，无法获得足够的成形深度，降低了板料的成形性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对相对于激光垂直冲击，金属板料激光倾斜冲击时更容易冲破，提出始终保持激光束入射方向与所要板料冲击区域内法线方向一致。针对此点，提出一种提高金属板料激光冲击成形性能的方法与装置，以提高金属板料的成形性能，实现板料复杂形状的精确成形。

本发明所采用的技术方案是：

采用大功率脉冲激光器发出的激光束经外光路系统传到冲击头位置，然后作用于板料试样体系，并通过改变激光脉冲宽度(4ns～50ns)、能量(0～100J)、光束直径(0.2～20mm)等激光参数来调整冲击波压力的大小和冲击方向。在对板料进行多次冲击或者曲面零件冲击时，通过反馈系统(ATOS扫描仪)预先扫描板料轮廓的具体信息，反馋到中央处理单元，将信息输入CAD软件进行曲面建模，确定法线方向及板料变形程度，再通过计算机编程控制多轴坐标台及夹具系统的转动，保证激光束入射的方向始终与板料的法线方向一致，且通过反馈指令调节各种冲击参数，从而提高板料的成形性能，提高其极限成形深度，获得最大的成形效果。

反馈系统装置采用ATOS光学扫描仪。ATOS流动式光学扫描仪基于光栅原理，利用系统标定和固定参考点来实现多幅图像的拼合对齐，以完成整个工件的扫描测量工作。试样在冲击过程中，通过系统标定和在板料表面贴上一定地固体参考点，然后通过ATOS扫描仪两个CCD镜头预先获得板料的具体轮廓信息，将扫描所获得的信息输到三维软件CAD(如：CATIA)中建模，在软件中获得冲击区域内的法线方向及工件板料具体的变形程度。

实物冲击过程中，预先通过反馈系统检测试样的具体轮廓信息，反馈给中央控制处理器，在得知板料的变形程度及具体轮廓情况下，中央控制处理器发出指令，由控制系统执行，控制多轴坐标台、激光器、光斑调节装置等调节各冲击参数，实现板料精确的局部成形或整体成形。

试样成形工件表面由约束层和能量吸收层组成。约束层采用流水或者刚性玻璃，约束层通过约束层控制器控制其厚度与均匀性；吸收层采用铝箔。试样位于凹模上，根据不同的成形需要选用不同的凹模可实现激光冲击半模成形，如“V”形、“U”形、半球形凹模等。

本发明的有益效果：

(1)此种成形方法可适应复杂形状工件或曲面零件成形，以及多次冲击过程中保证冲击激光束始终垂直入射板料所要冲击的区域，改善冲击力的方向合理分布，提高了板料成形效率，获得足够的成形深度，提高了板料成形性能。

(2)本发明通过多轴坐标台能灵活的实现三维立体冲击，可实现小曲率大型板材成形，又可实现大曲率局部微细板材全塑性成形。

(3)本发明可预先得知板料具体变形程度和轮廓信息，将板料参数，与其他冲击参数进行优化组合，得到适应于不同条件下板料激光冲击成形过程中所需要的最佳参数组合。

(4)生产准备时间短，加工柔性化，模具费用小，制造成本低。由于激光冲击波作为板料成形力源，在优化控制激光冲击成形工艺参数的条件下，可以半模非接触式成形。

附图说明

图1为一种提高金属板料激光冲击成形性能的方法与装置图；

图2为激光垂直、倾斜入射示意图和板料冲击后产生微裂纹时截面示意图；

图3为激光束与板料相对位置示意图；

图4为在CAD软件中获得板料冲击区域内的法线方向示意图；