[发明专利]直壁圆筒件激光冲击成形方法和装置

说明书

本发明公开一种直壁圆筒件激光冲击成形方法和装置，属于金属零件近净成形的塑性加工领域。本发明采用激光冲击技术对薄板实施两步成形以获得高精度的成形件。第一步用较大脉冲能量的激光诱导压力较高的冲击波对薄板实施冲击，使之初步整体成形，但在成形过程中，薄板不仅与模具的侧壁贴合，变形速度极快的薄板还与模腔底部发生剧烈的碰撞，使初步成形件底部产生局部反向塑性变形，降低成形精度。第二步用较小脉冲能量的激光诱导较低压力的冲击波对初步成形件底部的反向塑性变形区域实施冲击，以消除第一步的初步成形件底部的反向塑性变形，对初步成形件校正定形，使得直壁圆筒件的成形精度大大提高。本发明大大提高薄板激光冲击成形的精度，具有广泛的实用性。

技术领域：

本发明属于机械零件近净成形的塑性加工技术领域，具体涉及一种直壁圆筒件激光冲击成形方法和装置，本发明特别适合于微小直壁构件的精密成形。

背景技术：

激光冲击成形技术是一种利用激光诱导高压冲击波进行板料成形技术，在航空航天、汽车、玩具、电子、微机电系统等领域有着潜在的应用价值，例如，微机电系统中微形元件的成形。由于激光脉冲参数具有良好的可控性和可重复性，激光冲击成形技术越来越受到重视。

根据在板料成形中是否使用模具，激光冲击成形可分为有模激光冲击成形和无模激光冲击成形两类。无模激光冲击成形，没有模具，冲击成形出来的薄板的形状大多呈圆锥形或半球形，成形件的精度较差。而有模激光冲击成形则采用模具对薄板的成形的形状加以限制，相比与无模成形件，有模情况下，板料的成形精度得到了进一步提高。在有模具的成形过程中，薄板至于凹模的上方并用压板压紧，激光辐照薄板上的吸收层后诱导产生GPa量级的冲击波，薄板的受冲击区域首先从冲击波中获得动量和动能，快速向下运动并带动四周毗连的区域向下运动，由于受冲击波直接作用区域的变形速度最快，受冲击区域首先到达模具模腔的底部后，与模腔底部发生剧烈碰撞，剧烈碰撞使薄板材料横向流动并推动板料填充模腔底部的圆角，使板料和凹模的侧壁贴合，但剧烈的碰撞会导致薄板中心区域出现反向塑性变形，形成了与模腔凹陷方向相反的圆顶锥形突起，引发薄板中心区域与模腔底部不贴合，导致薄板的成形精度降低；若降低冲击波的压力，会使薄板的中心区域贴合而导致凹模底部的圆角无法被充填，也会导致薄板成形精度差。也就是说在激光冲击成形中，较高压力的冲击波会使板料填充模腔底部的圆角，但也会导致成形件中心区域的反向变形；较小压力的冲击波容易使板料与模腔的底部贴合，但模腔底部的圆角无法充填。这两种情况都会导致成形件的精度下降，在直壁构件的激光冲击成形中表现得最为明显。

目前，中国专利(CN101524784A)“一种基于聚氨酯的橡胶模激光冲击成形方法和装置”提供以聚氨酯橡胶为模具，通过橡胶硬度和激光强度的配合进行成形的成形方法。该发明确实解决了薄板与模腔的贴合问题，然而橡胶的强度和硬度有限，其在成形的过程中容易发生变形，因此无法满足板料大变形、高精度的成形要求。中国专利(CN101745740A)“金属板料环形光斑激光冲击成形方法及装置”提供以环形激光光斑代替传统实心光斑，进行激光冲击成形的方法。该发明主要解决了成形过程中的开裂失效的问题，但环形光斑不仅会导致激光器内部的光路异常复杂，而且环形光斑外圆和内圆很难有很好的同轴度，使诱发的冲击波的压力场不规则，会导致薄板被加载后变形量的不一致，薄板的成形精度较差。更为重要的是受激光脉冲输出能量的限制，环形光斑的内圆直径会很小，在冲击成形中依然存在单个实心光斑在成形过程中存在的成形精度问题。因此，激光冲击成形的主要存在着薄板成形的精度问题，现有的技术未能很好的解决它，它制约着该技术的应用推广。

发明内容：

本发明针对现有技术存在的问题及不足，提供一种直壁圆筒件激光冲击成形方法和装置。采用本发明方法实现薄板的精密成形的过程分为两步，第一步使用高脉能量的激光脉冲诱导压力较高的冲击波对薄板实现初步的整体成形，第二步使用低脉能量的激光脉冲诱导压力较低的冲击波对第一步成形过程中的局部区域进行校正定形。

本发明所提供的一种直壁圆筒件激光冲击成形方法具体步骤如下：