[发明专利]一种激光间接冲击微成形的装置及方法

说明书

一种新型激光间接冲击微成形的装置及方法，主要应用于精微零件的塑性成形技术和制造，适用于常规激光冲击微成形方法难以成形或无法成形材料的微成形。本装置包括模具—调试光光斑对中组件、工件定位组件、工件组件、用于冲击成形的Nd：YAG脉冲激光器系统、用于加热的CW光纤激光器系统、超声振动系统、控制系统七部分；本发明装置可实现采用脉冲激光的冲击力作为能量源，同时将超声振动施加于模具和工件，或者利用CW光纤激光器发出的激光束对工件表面进行非接触式准静态加热，或者在这二者的共同作用下实现工件的微成形。该装置设计提高了工作效率、设计合理、控制性能好，保证了微成形件的质量和精度，适用于工业化应用。

技术领域

本发明属于激光加工制造及机械先进制造微米级零件领域，尤其指一种激光间接冲击微成形的装置及方法。

背景技术

随着高新技术的迅猛发展,微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)和微系统技术(Micro System Technology,MST)等由于具有节省空间、节约能源、易于重组、便携轻巧等优点,在航空航天、汽车工业、生物医学、环境监控、通信领域、军事应用、微电子产品等民用和军用诸多领域备受青睐。因此，薄板微成形研究得到了广泛的关注。

传统的微加工技术，例如LIGA、光刻、蚀刻等难以满足三维复杂形状微器件的加工，可加工材料种类、制造效率和成本方面也受到存在各种不足。因此，这就促进了微成形技术的发展。基于传统塑性成形工艺(弯曲、拉深、落料、冲裁等)的微塑性成形具有成形效率高、材料利用率高、成本低、工艺简单以及成形零件性能优良和尺寸精度高等优点。目前微塑性成形工艺主要有微弯曲、微拉深、微冲裁和微落料等微塑性成形工艺。在这些利用微刚性冲头和凹模来实现的微塑性成形工艺中，存在一些问题，如冲头容易损坏、冲头与凹模难以对中、冲头与凹模之间有摩擦等缺陷。针对以上微成形的缺点，脉冲激光冲击成形技术成为近年来发展迅速的一项新技术。激光冲击技术以激光产生的冲击波为驱动力，加载在材料上使其产生塑性变形的一种微成形工艺。与传统微成形技术相比，激光微成形激光冲击成形具有很多优点。激光冲击成形避免了传统冲头与工件直接接触，这样工件表面不会受到污染。并且激光产生的冲击波作为驱动力又省去了制造微型冲头的问题，降低了设备的费用，提高了经济性。结合模具就可以直接制造微零件，解决了微零件在各个微塑性成形工序的定位和加紧难题。但是，目前研究的激光冲击微成形技术依然存在着一些缺点，例如工件在微观和宏观上还具有一些缺陷，且尺寸效应的影响使得宏观的成形理论已经不再适用，微成形的工艺和方法至今仍然是国内外研究的热点。

激光加热辅助成形和超声振动辅助成形已在传统微塑性成形中获得应用，这两种方法均可降低变形抗力、提高成形质量。激光加热辅助微成形可工件的变形抗力，提高了工件的成形性能，而且可以降低成形力，有利于提高微模具的寿命。超声振动能场有如下四点优势。第一，超声振动能场可减小工件和模具接触面摩擦力；第二，利用超声振动“软化”机制可降低流动应力、提高充模性和成形能力；第三，超声振动可提升材料塑性变形均匀性，抑制裂纹萌生与扩展以及起皱等缺陷；第四，超声振动可以实现晶粒细化，超声振动辅助激光冲击微成形能够在一定程度上进一步克服介观尺度效应对微塑性成形的影响。一种新型激光间接冲击微成形的装置既可用于研究高频振动辅助激光间接冲击精微塑性成形，又可用于研究激光加热辅助激光间接冲击精微塑性成形，还可用于结合超声振动和激光加热同时作用于激光间接冲击精微塑性成形。