专利名称：一种激光直接复合微塑性成形装置与方法
一种激光直接复合微塑性成形装置与方法技术领域
本发明属于激光加工微机电系统(MEMQ零件技术领域，特指一种激光微成形方 法与装置。
发明背景
近年来，随着微纳米技术的逐步兴起以及电子产品中微型化趋势的不断发展，以 本身形状尺寸微小或者操作尺寸微小的微机械技术已成为人们在认识微观领域和改造客 观世界的一种高新技术。特别是随着社会的不断进步和人们生活水平的日益提高，人们对 于日常生活产品的要求日趋智能化、微型化、多功能集成化等，这就使得在设计和制造产品 的过程当中，充分考虑到以上功能的要求。
随着产品微型化的趋势发展，基于传统塑性成形方法的微成形工艺仍然有其局限 性，微成形装置的体积一般都比较小，使得其内部结构相比于传统的成形设备更加复杂，由 于零件要求的精度很高，这使得制造微成形装置较为困难。目前的微成形装置存在加工操 作难度较高，加工效率较低的问题，同时准静态塑性微成形受到尺度效应的影响，材料成形 能力下降，难以满足一些高硬度高脆性难成形材料的加工，使其在工业生产中受到很多的 限制。
近年来结合塑性加工方法的微成形技术得到了很大发展，研究和应用较多的有微 挤压、微压印、微钣金、微拉深、微冲压、微锻、微轧制和微无模成形工艺。
虽然上述的微成型技术，在一定程度上满足了微成形产品加工的需要；但随着激 光器件及系统的飞速发展，激光技术也广泛应用于材料加工。以激光冲击为代表的激光加 工技术，在材料加工领域发展迅速，其应用范围广、工艺灵活多样，加工精度高、质量好，易 于控制和实现柔性及智能加工，被誉为“未来制造系统的共同加工手段。
申请号为01134063.0的中国专利一种激光冲击精密成型方法及装置，具有 利用激光冲击技术实现常规方法难以成形的或者无法成形的材料成形。申请号为 200610161633. 6的中国专利激光冲击成形强化系统，具有激光冲击波参数与工件轨迹的精 确控制的特点。专利一种激光冲击精密成型方法及装置和专利激光冲击成形强化系统的方 法与装置并不能解决产品的批量化及在一次激光冲击制造零件的过程中实现切边、冲裁和 冲孔等同步的复合工艺过程。本发明具有激光加工零件的优点，并且在此之上提出了利用 复合微模具的成形效应设计复合微模具，使得工件在一次激光冲击制造过程中完成对工件 的拉深、切边和冲孔的复合工艺，由于特制微模具上具有一定数量按一定次序排列的复合 模，所以在一次冲击过程中实现了单一零件的批量生产，降低了生产成本。发明内容
本发明的目的是提供一种新型的金属箔板类微型工件的批量成形的方法和装置。 其特征在于激光经透镜聚焦后穿过约束层，并作用于能量吸收层，能量吸收层充分吸收高 能激光的能量，而在极短时间内形成一个高温高压的等离子体层，该等离子体层迅速向外 喷射，由于约束层的存在，等离子体的膨胀受到约束层限制，导致等离子体压力迅速升高，结果给予工件一个冲击加载，产生向金属内部传播的强烈冲击波，这样工件便在约束层与 复合微模具间受到挤压，由于复合微模具的限制作用，使工件产生塑性变形，复制出复合微 模具的形貌。复合微模具上具有拉伸凹模、切边凹模和冲孔凸模。切边凹模为环形凹腔，环 绕在拉伸凹模凹腔边缘外围，冲孔凸模位于拉伸凹模腔内。拉伸凹模具有圆角边缘，切边凹 模和冲孔凸模具直角边缘，在激光冲击加载过程中拉深凹模对工件起到拉深作用；切边凹 模对工件起到切边作用；冲孔凸模对工件起到冲孔作用，在一次冲击过程中便实现了对工 件的拉深、冲孔与切边。所述的拉伸凹模和冲孔凸模的形状可根据成形工件的成形要求来 设计。确定相对位置关系的拉伸凹模、切边凹模和冲孔凸模构成复合微模具上一组复合成 形模。复合微模具上的复合成形模按照NXM成阵列排列，N和M数量按照所需生产零件数 量确定，根据工件的大小调整加载在能量吸收层上的激光能量和光斑，实现激光在一次加 载过程中完成对工件的批量成形。
实现该目的的装置由激光加载装置、成形系统、控制系统组成。激光加载装置由纳 秒激光器、全反镜和透镜组成。成形系统包括试样体、夹具、水平移动工作台、竖直移动工作 台。控制系统由移动平台控制器、计算机和激光控制器组成。控制系统分别控制激光加载 系统、成形系统。控制系统中的移动平台控制器分别与计算机和水平移动工作台、竖直移动 工作台相互连接，控制可水平移动工作台、竖直移动工作台的位置移动。激光控制器分别与 计算机和激光加载系统中的纳秒激光器相连接，可以调节纳秒激光器发出的激光参数。激 光加载系统中的全反镜、透镜和透镜调整臂安装在L型底座上。成形系统中的夹具安装在 竖直移动工作台上。夹具可对放入其中的试样体进行夹紧和定位。试样体是由约束层、能 量吸收层、工件和复合微模具组成，所述约束层、能量吸收层依次叠放在复合微模具上。约 束层为K9玻璃，能量吸收层和工件为金属箔板，能量吸收层和工件厚度为5 30 μ m。
本装置的工作过程如下
(1)复合微模具制备及工件毛坯尺寸的确定。根据所需要成形工件的形貌设计制 作复合微模具，然后根据复合微模具成形区域的大小计算出工件毛坯尺寸。
(2)试样体的装配、密封与装夹。将工件毛坯、作为能量吸收层的金属箔板以及约 束层依次叠放在复合微成形模具上，同时在能量吸收层与约束层之间用水进行密封。然后 将复合微模具、工件、能量吸收层和约束层组成的试样体依次放入夹具中夹紧。
(3)激光作用区域对准。利用激光控制器调控纳秒激光器发出一束调试光，利用移 动平台控制器控制水平移动平台和竖直移动平台精确动作，使得经全反镜反射和透镜聚焦 后的调试光光斑覆盖试样体表面，保持各部件位置的固定，关闭调试光。
(4)获取所需激光能量。通过计算机优化激光参数，控制纳秒激光器所发出脉冲激 光的参数(脉冲宽度、脉冲能量、脉冲形状以及光斑大小)，获取所需的激光脉冲冲击力。
( 加工过程。应用脉冲激光冲击约束层下能量吸收层，使其表面层气化后形成高 温高压的等离子体，等离子体急剧膨胀爆炸，产生向工件内部传播的强烈冲击波，由于工件 受到复合微模具限制，最终使工件完成拉伸、冲孔、切边以及批量生产的过程。
本发明具有以下优势
本发明采用脉冲激光作为成形力源，激光的参数精确可控，重复性好，易实现自动 化生产；因为激光光斑可聚焦至微米级至厘米级，所以既能进行批量工件的一次成形，也能 进行局部微细的定量成形，因此对工件的尺寸与成形数量有较大的调整范围，具有较大的柔性、适应性强。
本发明根据复合微模具成形效应，采用拉深凹模、冲孔凸模以及切边凹模的相间 组合，使得工件在一次的冲击成形过程中实现拉深、冲孔和切边的复合过程。如果增加拉深 凹模和切边凹模的数量并按一定次序排列便可实现微型工件在一次冲击过程中的批量生 产。当然可根据实际情况来设计复合微模具上凹模以及凸模的形状，以实现不同要求下工 件的批量成形。
下面结合附图和实例对本发明做进一步的说明。
图1所示是根据本发明提出的一种激光直接复合成形的装置示意图。
图2所示是根据本发明提出的试样体的原理图。
图3所示是根据本发明提出的复合微模具上一组复合成形模的结构原理图。
图4所示为复合微模具的俯视图。
图5所示为复合微模具三维图以及成型后的工件三维图。
图6为在一次激光冲击成形过程后剩下的工件废料的三维图。
1.L型底座，2.水平移动平台，3.竖直移动平台，4.夹具，5.试样体，6.透镜调整 臂，7.透镜，8.全反镜，9.激光束，10.激光控制器，11.纳秒激光器，12.计算机，13.移动平 台控制器，14.约束层，15.能量吸收层，16.工件，17.复合微模具，18.拉伸凹模，19.切边 凹模，20.冲孔凸模具体实施方式
下面结合图1详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
该装置由13个部分组成。计算机12控制激光控制器10，激光控制器10根据实 际情况对纳秒激光器11发出的激光参数进行调整。纳秒激光器11发出的激光经激光束9 依次传递到全反镜7和透镜6最终传递到透镜6下方的试样体5上。试样体5放在夹具4 中，夹具4安装在竖直移动平台3上。水平移动平台2和竖直移动平台3安装在L型底座 1上，水平移动平台2和竖直移动平台3的位移调整是由计算机12控制的移动平台控制器 13来调控的。实施的具体过程如下
首先，根据所需要成形的微型零件的形状、尺寸来设计复合微模具，并计算工件毛 坯的尺寸，然后制备复合微模具17和工件毛坯。
其次，根据加工的实际情况需要，调节透镜调整臂6到一定高度使透镜6距离夹具 4 一定高度，然后将试样体5在夹具4中夹紧。
然后，打开激光器控制器10和纳秒激光器11，利用激光控制器10调控纳秒激光 器11发出一束调试光，调试光经由全反镜8发射、透镜7聚焦后抵达试样体。利用移动平 台控制器13控制水平移动平台2和竖直移动平台3精确动作使光斑面积能将试样体表面 覆盖，保持各部件位置的固定，关闭调试光。
最后，根据加工要求，由计算机12计算参数并将参数输送到激光控制器10中，激 光控制器10控制纳秒激光器11发出一定能量和一定脉宽的脉冲激光，脉冲激光通过激光 束经由全反镜8反射后，最后由透镜7聚焦后穿过约束层14到达能量吸收层15表面，使其表面层气化后形成高温高压的等离子体，等离子体急剧膨胀爆炸，产生向工件16内部传播 的强烈冲击波，由于复合微模具17的限制作用和复合成形效应，能同步实现工件16的大规 模单一微零件复合成形。
综上所述，本发明所涉及的成形方法和装置以激光为成形动力源，利用复合微模 具17的拉深、冲孔以及切边等作用同步实现成形及切边的复合工艺过程。复合微模具17 上具有一定数量的根据所工件成形要求设计的拉深凹模18、切边凹模19以及冲孔凸模20， 使得在一次激光冲击的过程中完成了对工件的定量成形。由于加工速度超快，材料成形过 程中应变率很高，成形后的工件具有普通成形方法无法比拟的成形能力，本发明的系统设 计合理，工艺简单，一致性好，适于批量化生产。
如图2所示，经透镜7聚焦后的激光穿过约束层14加载在能量吸收层15表面，使 其表面层气化后形成高温高压的等离子体，等离子体急剧膨胀爆炸，产生向工件16内部传 播的强烈冲击波，工件16受到挤压，并复制出复合微模具17的形状，由于复合微模具17具 有拉深凹模18、切边凹模19和冲孔凹模20，所以在一次的冲击过程中，实现了对工件的拉 深成形、冲孔、以及切边的同步复合工艺。
如图3所示，复合微模具17上拉深凹模18圆角半径采用2. 2 2. 3倍工件厚度， 对工件起到拉深作用；切边凹模19对工件起到切边作用；冲孔凸模20对工件起到冲孔作 用。确定相对位置关系的一组拉伸凹模18、切边凹模19和冲孔凸模20组成复合微磨具17 上的一组复合成形模。
如图4所示，本发明装置涉及到的复合微模具17上具有成阵列的复合成形模(例 如图5所示)，可以实现在一次激光冲击加工中对零件的批量生产。(注复合微模具上的 凹模和凸模形状可根据实际生产的零件形状设计)
权利要求
1.一种激光直接复合微塑性成形装置，其特征在于，由激光加载装置、成形系统、控制 系统组成。激光加载装置由纳秒激光器(11)、全反镜(8)、透镜(7)和透镜调整臂(6)组 成；成形系统包括试样体(5)、夹具G)、水平移动工作台O)、竖直移动工作台(3)；控制系 统由移动平台控制器(13)、计算机(1 和激光控制器(10)组成；所述控制系统分别控制 激光加载系统、成形系统；所述移动平台控制器(1 分别与计算机(1 和水平移动工作台 O)、竖直移动工作台( 相互连接；所述激光控制器(10)分别与计算机(1 和激光加载 系统中的纳秒激光器(11)相连接；所述全反镜(8)、透镜(7)和透镜调整臂(6)等安装在L 型底座(1)上。所述夹具(4)安装在竖直移动工作台(3)，夹具(4)夹紧和定位试样体(5)； 试样体( 是由约束层(14)、能量吸收层(15)、工件(16)和复合微模具(17)组成；所述能 量吸收层(15)和工件(16)为金属箔板，能量吸收层(15)和工件(16)厚度为5 30 μ m， 所述约束层(14)为K9玻璃；所述复合微模具(17)包括拉伸凹模(18)、切边凹模(19)和冲 孔凸模(20)，所述切边凹模(19)为环形凹腔，环绕在拉伸凹模(18)凹腔边缘外围，拉伸凹 模(18)与切边凹模(19)同轴，所述冲孔凸模(20)位于拉伸凹模(18)腔内，拉伸凹模(18) 具有圆角边缘，切边凹模(19)和冲孔凸模00)具直角边缘，所述拉伸凹模(18)和冲孔凸 模00)形状根据成形工件的成形要求来设计，确定相对位置关系的拉伸凹模(18)、切边凹 模(19)和冲孔凸模00)构成复合微模具(17)上一组复合成形模。
2.根据权利要求1所述的激光间接复合微塑性成形装置，其特征在于，所述复合微模 具(17)上复合成形模按照NXM成阵列排列，N和M数量按照所需生产零件数量确定。
3.一种实施权利要求1所述的激光直接微塑性成形装置的方法，其特征在于，具体步 骤如下A.复合微模具(17)制备及工件毛坯尺寸的确定，根据所需要成形工件的形貌设计制 作复合微模具(17)，然后根据复合微模具(17)成形区域的大小计算出工件毛坯尺寸；B.试样体(5)的装配、密封与装夹，将工件毛坯、能量吸收层(1 和约束层(14)依次 叠放在复合微模具(17)上，用水对能量吸收层(1 与约束层(14)之间进行密封。然后将 复合微模具(17)、工件(16)、能量吸收层(15)和约束层(14)在夹具(4)中夹紧；C.激光作用区域对准，利用激光控制器(10)调控纳秒激光器(11)发出一束调试光，利 用移动平台控制器(1 控制水平移动平台( 和竖直移动平台( 精确动作，使得经全反 镜(8)反射和透镜(7)聚焦后的调试光光斑覆盖试样体( 表面，保持各部件位置的固定， 关闭调试光；D.获取所需激光能量，通过计算机(1 优化激光参数，控制纳秒激光器(11)所发出脉 冲激光的参数(脉冲宽度、脉冲能量、脉冲形状以及光斑大小)，获取所需的脉冲激光冲击 力；E.加工过程，应用脉冲激光冲击约束层(14)下的能量吸收层(15)，使其表面层气化后 形成高温高压的等离子体，等离子体急剧膨胀爆炸，产生向工件(16)内部传播的强烈冲击 波，由于复合微模具(17)限制，最终使工件完成成形、切边以及批量成形过程。
全文摘要
本发明公开了一种激光直接复合微塑性成形装置，属于激光加工微机电系统(MEMS)零件技术领域。装置由激光加载系统、成形系统、控制系统组成；方法利用激光经透镜聚焦后穿过约束层，并作用于能量吸收层，能量吸收层吸收激光能量，在极短时间内形成一个高温高压的等离子体层，该等离子体层迅速向外喷射，膨胀的等离子体受到约束层限制，导致等离子体压力迅速升，给予工件一个冲击加载。工件在约束层与复合微模具间受到挤压，使工件产生塑性变形，复制出复合微模具的形貌。复合微模具上阵列的拉伸凹模、切边凹模和冲孔凸模使得靶材工件在一次的冲击成形过程中实现拉深、冲孔和切边的复合过程，同时完成工件的批量成形。
文档编号B21D26/06GK102029317SQ201010505869
公开日2011年4月27日 申请日期2010年10月12日 优先权日2010年10月12日
发明者刘会霞, 宋新华, 张 成, 张虎, 李品, 李威, 沈宗宝, 王凯, 王霄, 王鹤军, 许贞凯, 郑远远, 陶茂科, 黄志辉 申请人:江苏大学