基于激光冲击金属箔板渐进弯曲成形的装置及其方法与流程

本发明涉及激光冲击成形领域，特别涉及基于激光冲击金属箔板渐进弯曲成形的装置及其方法。

背景技术：

金属板材的成形技术在制造业中一直占据很重要的地位，传统的金属板材成形技术利用金属塑性成形的特点，通过对金属板材施加压力达到变形的目的，但是此种方法一般都是在外力的作用下借助于模具来实现，模具的设计复杂、制造周期长，模具间的依赖关系大、成本高使得传统的成形方法很难满足现在市场对单间小批量、多品种的需求。在此背景下一种无模新技术——激光冲击成形受到了普遍的关注。激光冲击成形是利用激光作用所产生的冲击波压力使材料变形的一种无模新技术。它利用高能激光诱导的高幅冲击波压力的力效应而非热效应来实现金属板料的塑性成形。其原理是：激光冲击工件表面的能量转换体(由透明的约束层和不透明的吸收层组成)，使其中的吸收层部分气化电离并形成冲击波，利用冲击波的压力使板材发生塑性变形。激光冲击成形技术有效克服板材成形过程中的回弹问题，同时可提高工件的抗疲劳和抗腐蚀性，在金属板料塑性精确成形领域获得大规模研究及推广应用。

申请号为201210274534.4的中国专利提出了一种激光冲击微调校方法及装置，通过调整激光的能量即控制工件变形程度，从而实现工件弯曲曲率的微调校。但该方法只能调整作用在工件上激光光斑的大小，而不能改变激光光斑的形状，该方法对于一些复杂的微弯曲件很难冲击成形。然而激光冲击弯曲成形技术仍然存在着成形可控性低、工件夹紧精度低等缺陷。解决好微型金属箔成形精度显得至关重要。

技术实现要素：

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于激光冲击金属箔板渐进弯曲成形的装置及其方法，该装置通过在掩膜上开不同的孔结构从而来改变激光光斑形状，以适应任意形状或要求的工件冲击渐进成形，可以实现金属薄板的精确夹紧确保成形精度，整个冲压过程快速灵活，自动化程度高，可以有效提高成形效率。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

基于激光冲击金属箔板渐进弯曲成形的装置，包括激光发射系统、控制系统和工件变形操作系统；

所述激光发射系统包括计算机、激光控制器、纳秒激光器、平面反射镜、聚焦透镜、聚焦透镜支架和聚焦透镜位置调节器；所述计算机、激光控制器、纳秒激光器依次连接；所述纳秒激光器发射的激光束与第一平面反射镜镜面角度为45°；所述平面反射镜正下方设置有第二平面反射镜；所述第二平面反射镜镜面与平面反射镜镜面相对且平行；所述第二平面反射镜与聚焦透镜等高设置；所述聚焦透镜安装在聚焦透镜支架上；所述聚焦透镜支架与聚焦透镜位置调节器相连接；所述聚焦透镜位置调节器安装在底座上；

所述控制系统包括液压控制器和三维移动平台控制器；所述液压控制器一端与液压缸的相连接，另一端与计算机相连接；所述三维移动平台控制器与三维移动平台连接，从而实现工件三维方向上的精确移动；

所述工件变形操作系统包括给水系统、工件夹紧装置和掩膜系统；所述给水系统包括水箱和导管；所述导管与水箱相连，并延伸至黑漆层形成水层；

所述工件夹紧装置包括液压缸、推杆、挡块和卡槽；所述液压缸与推杆配合；所述推杆和挡块通过可拆卸连接；所述挡块置于卡槽内；所述卡槽为U形槽结构；

所述工件夹紧装置通过螺钉固定在L型支架的水平侧面上，所述L型支架安装在三维位移移动平台上，所述三维移动平台安装在底座上；

所述掩膜系统包括掩膜、掩膜支架、掩膜位置调节器；所述掩膜上开设有孔；所述掩膜通过掩膜支架与掩膜位置调节器相连接，所述掩膜位置调节器安装在底座上，可以实现掩膜Z方向的自由调节；所述聚焦透镜中心的位置与掩膜开设的槽等高。

进一步的，所述卡槽U形槽结构的底部开设有宽度为L，长度为B的槽，且B的长度大于槽口C的长度。

进一步的，所述卡槽上开设的槽内固定有工件；所述工件左侧面上涂覆有黑漆层；所述挡块压紧黑漆层。

进一步的，所述掩膜上开的孔形状为长方形、圆形或者椭圆。

进一步的，所述卡槽上开设的槽的L为0.03mm～0.06mm。

进一步的，所述挡块为长方体。

进一步的，所述掩膜为不锈钢。

基于激光冲击金属箔板渐进弯曲的装置的成形方法，包括以下步骤：

S1，工件处理，用粗砂纸打磨除去工件表面存在的氧化层，再用细砂纸打磨抛光，最后用酒精或丙酮清洗表面，得到清洁光滑的冲击表面；在工件表面涂上黑漆形成不透明吸收层即黑漆层，以保证工件对激光的吸收率，水箱及导管保证工件冲击表面形成稳定的水层用以约束激光能量；

S2，工件夹紧，作业时，将工件的一端插入到工件夹紧装置中的卡槽内，通过计算机控制液压控制器，进而控制液压缸通过推杆推动挡块移动，实现对工件的夹紧，另一端呈竖直悬空状态；

S3，调节光路，调节聚焦透镜、掩膜、工件的距离使激光穿过掩膜聚焦于步骤S1所述的吸收层表面，形成合适的激光区域；

S4，激光冲击，通过计算机调节激光参数，对纳秒脉冲激光器进行单次或多次发射操作，实现工件的单次或多次脉冲激光冲击，通过计算机调节三维位移控制器让工件移动实现不同部位的冲击成形，经过多次冲击后，诱导金属薄板实现精准的渐进弯曲成形，最后，计算机(1)控制工件夹紧装置将成形件取下，完成冲击过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1将激光冲击成形和掩膜技术结合，通过掩膜上开不同的孔结构从而来改变激光光斑形状，改变激光冲击区域的大小满足不同冲击要求的工件冲击成形；

2通过多次激光冲击实现金属箔板的渐进成形，可控性高；

3设计工件夹紧装置保证工件夹紧精度，整个冲击过程中稳定高效。

附图说明

图1装置组成系统示意图；

图2工件夹紧装置示意图；

图3激光冲击掩膜示意图。

图中：1-计算机，2-激光控制器，3-纳秒激光器，4-第一平面反射镜，5-聚焦透镜，6-聚焦透镜支架，7-聚焦透镜位置调节器，8-底座，9-液压控制器，10-三维移动平台控制器，11-水层，12-黑漆层，13-工件，14-水箱，15-导管，16-液压缸，17-推杆，18-卡槽，19-L型支架，20-三维移动平台，21-掩膜，22-掩膜支架，23-掩膜位置调节器，24-挡块；25-激光光斑，26-掩模的缝隙；27-第二平面反射镜。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明。

结合附图1和3，基于激光冲击金属箔板渐进弯曲成形的装置，包括激光发射系统、控制系统和工件变形操作系统；

激光发射系统包括计算机1、激光控制器2、纳秒激光器3、平面反射镜4、聚焦透镜5、聚焦透镜支架6和聚焦透镜位置调节器7；所述计算机1、激光控制器2、纳秒激光器3依次连接；所述纳秒激光器3发射的激光束与第一平面反射镜4镜面角度为45°；所述平面反射镜4正下方设置有第二平面反射镜27；所述第二平面反射镜27镜面与平面反射镜4镜面相对且平行；所述第二平面反射镜27与聚焦透镜5等高设置；所述聚焦透镜5安装在聚焦透镜支架6上；所述聚焦透镜支架6与聚焦透镜位置调节器7相连接；所述聚焦透镜位置调节器7安装在底座8上；

所述控制系统包括液压控制器9和三维移动平台控制器10；所述液压控制器9一端与液压缸16的相连接，另一端与计算机1相连接；所述三维移动平台控制器10与三维移动平台20连接，从而实现工件13三维方向上的精确移动；

所述工件变形操作系统包括给水系统、工件夹紧装置和掩膜系统；所述给水系统包括水箱14和导管15；所述导管15与水箱14相连，并延伸至黑漆层12形成水层11；

结合附图1和2，工件夹紧装置包括液压缸16、推杆17、挡块24和卡槽18；所述液压缸16与推杆17配合；所述推杆17和挡块24通过可拆卸连接；所述挡块24为长方体；所述挡块24置于卡槽18内；所述卡槽18为U形槽结构；所述卡槽18的U形槽结构的底部开设有宽度为L，其中卡槽18尺寸L为0.03mm～0.06mm。长度为B的槽，且B的长度大于槽口C的长度。所述卡槽18上开设的槽内固定有工件13；所述工件13左侧面上涂覆有黑漆层12；所述挡块24压紧黑漆层12。

所述工件夹紧装置通过螺钉固定在L型支架19的水平侧面上，所述L型支架19安装在三维位移移动平台20上，所述三维移动平台20安装在底座8上；所述掩膜系统包括掩膜21、掩膜支架22、掩膜位置调节器23；所述掩膜21为不锈钢。

掩膜21上开设有孔；所述掩膜21通过掩膜支架22与掩膜位置调节器23相连接，所述掩膜位置调节器23安装在底座8上，可以实现掩膜21Z的方向的自由调节；所述聚焦透镜5中心的位置与掩膜21开设的槽等高。

结合附图3，为了方便理解激光光斑和掩膜21的作用方式，形象的说明激光光斑的形状通过掩膜的缝隙26的发生改变，激光光斑25由圆形光斑变为矩形光斑。掩膜21的作用是让激光通过去加工工件13的，至于取激光光斑25的那一块，是由实际情况决定的，附图3只是一种情况，掩膜21上开的孔形状为长方形、圆形或者椭圆。有时需要全部光斑通过掩膜缝隙，有时需要部分光斑的通过掩膜缝隙。有的情况下，激光自身圆形光斑冲击工件不能理想地产生需要的形状，需要在掩膜21的帮助下，改变激光光斑，使激光光斑的形状和工件冲击成形的形状相似，从而利于工件成形。

工件13表面涂覆黑漆层12吸收激光能量，给水系统包括水箱14和导管15，水箱14及导管15保证工件冲击表面形成稳定的水层11用以约束激光能量；液压控制器9控制液压缸16和推杆17的伸缩，从而实现工件13的精确夹紧，通过三维移动平台控制器10实现工件13三维方向上的精确移动；其中工件系统包括水层11、黑漆层12和工件13，工件13表面涂覆黑漆层12吸收激光能量，给水系统包括水箱14和导管15，水箱14及导管15保证工件冲击表面形成稳定的水层11用以约束激光能量；掩膜21为一不锈钢薄板，可根据实际需要在掩膜表面线切割不同尺寸的形状。所述掩膜支架22包括一个夹紧装置，方便掩膜21的更换及清洗。

黑漆层12具有两个作用，一是取代工件气化电离形成等离子体，防止工件表面发生熔融和烧蚀；二是提高激光入射能量的吸收率，进而提高冲击波峰值。

水层11能够阻碍等离子体的膨胀，增强激光能量的耦合，因而能够显著提高激光冲波的峰值压力，并延长其作用时间。

基于激光冲击金属箔板渐进弯曲的装置的成形方法，包括以下步骤：

S1，工件处理，用粗砂纸打磨除去工件13表面存在的氧化层，再用细砂纸打磨抛光，最后用酒精或丙酮清洗表面，得到清洁光滑的冲击表面；在工件13表面涂上黑漆形成不透明吸收层即黑漆层12，以保证工件对激光的吸收率，水箱14及导管15保证工件13冲击表面形成稳定的水层11用以约束激光能量；

S2，工件夹紧，作业时，将工件13的一端插入到工件夹紧装置中的卡槽18内，通过计算机1控制液压控制器9，进而控制液压缸16通过推杆17推动挡块24移动，实现对工件13的夹紧，另一端呈竖直悬空状态；

S3，调节光路，调节聚焦透镜5、掩膜21、工件13的距离使激光穿过掩膜21聚焦于步骤S1所述的吸收层表面，形成合适的激光区域；

S4，激光冲击，通过计算机1调节激光参数，对纳秒脉冲激光器3进行单次或多次发射操作，实现工件13的单次或多次脉冲激光冲击，通过计算机1调节三维位移控制器10让工件13移动实现不同部位的冲击成形，经过多次冲击后，诱导金属薄板实现精准的渐进弯曲成形，最后，计算机1控制工件夹紧装置将成形件取下，完成冲击过程。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。