一种医用钛合金板的激光冲击微成形装置及其微成形工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种金属材料的激光冲击微成形装置及其微成形工艺，尤其涉及一种适于医用钛合金板的激光冲击微成形装置及其微成形工艺。
【背景技术】
[0002]近年来，各种生物医学材料得到了广泛的开发和应用，特别是钛合金在生物医学领域中的研宄和应用明显增多。钛合金具有较高的强度和韧性，适用于硬组织的修复和固定。其中，钛合金T1-6A1-4V(TC4)因其具有优越的耐蚀性、高比强度和良好的生物相容性、适于植入等特点而广泛用于生物医学领域。
[0003]但是，钛合金材料本身的其表面硬度低、耐磨性差。而且，一旦钛合金产品的耐腐蚀性能不高，经过腐蚀后的钛合金，其含有的钒将以离子形式进入人体，进而引发炎症。因此，往往需要借助于表面改性等技术手段，以提高其产品的耐腐蚀性能，以满足医学领域的应用需要。
[0004]中国专利申请CN1128689C公开了一种激光冲击精密成形方法及装置，其利用强脉冲激光束冲击工件表面柔性贴膜，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的动态屈服强度，从而使工件材料塑性变形。
[0005]上述技术方案为金属塑性成形提供了一个很好的技术思路，但其也存在诸多的不足之处，例如:
[0006]1、其激光冲击成形过程中，冲击力呈高斯分布，不可避免地，将造成成形不均匀，进而影响材料表面的加工精度与一致性；
[0007]2、实际上，在激光冲击成形过程中，各冲击点位置的材料变形量必然存在一定程度的差异，而上述技术方案的激光冲击成形过程中，其激光强度始终不变，这进一步制约了其成形精度的可靠性与稳定性。
【发明内容】
[0008]本发明的目的之一是提供一种适于医用钛合金板微米级加工成形，加工成形质量稳定可靠，加工成后的钛合金表面耐磨性可以得到提高的医用钛合金板的激光冲击微成形
目.ο
[0009]本发明为实现上述目的采用的技术方案是，一种医用钛合金板的激光冲击微成形装置，包括计算机、数控工作台、激光器、光路引导系统和凹模总成；其中:
[0010]数控工作台安装在压力机的工作台上，与压力机工作台成可滑动连接，沿设置在压力机工作台上的滑轨移动，数控工作台上还设置有夹具；
[0011]所述凹模总成包括压边板和凹模本体；
[0012]所述光路引导系统包括三棱镜、准直器、激光冲击头和聚焦镜；
[0013]所述激光器设置在所述凹模本体的正上方，用于发射激光束，该激光束进入光路引导系统，先后经第一三棱镜、准直器进入激光冲击头，安装在激光冲击头内的第二三棱镜将入射激光束反射、再经聚焦镜聚焦，射入凹模中，用于激光冲击微成形；其中，激光冲击头的方位可围绕所述凹模进行前后左右与上下方位的任意调节；
[0014]所述计算机为激光冲击微成形装置的控制中心，用于控制激光器所发射的激光束功率密度的大小以及控制激光冲击头和数控工作台移动；
[0015]其特征在于，还包括有一检测系统，所述检测系统包括同步加速辐射光源、探测器、脉冲放大器、脉冲高度分析器和计数器；
[0016]所述同步加速辐射光源与探测器一左一右分别设置在所述凹模本体两侧的上方位置处，分别作为检测用激光的发射装置与接收装置；
[0017]所述探测器通过数据线依次将脉冲放大器、脉冲高度分析器、计数器串联连接，并最终与所述计算机通讯连接；
[0018]由所述计算机通过对所述检测系统输送来的信号进行运算分析，并依据运算分析结果对激光器所发射的激光束功率密度大小适时进行动态调整，以使激光冲击微成形的工作状态始终处于理想状态；
[0019]上述激光冲击微成形装置工作时，待微成形的钛合金板放置在所述凹模上，所述钛合金板的待加工面上喷涂有一层厚度为30-60 μ m的黑漆，该黑漆层朝上，其上面再加盖上一块1.5-2mm厚的用作约束层的透明材质制成的板片；所述板片的尺寸大于或者等于所述钛合金板的尺寸，所述板片将所述钛合金板的待加工面整体覆盖住；
[0020]上述钛合金板和约束层由所述压边板压住，将所述凹模总成组装好，组装好的凹模总成通过夹具夹持、固定在所述数控工作台上。
[0021]上述技术方案直接带来的技术效果是，通过在现有技术的激光冲击微成形装置基础上，通过增加检测系统、在待微成形的钛合金板上喷涂黑漆层(作为吸收层)，以及在待微成形的钛合金板上加盖一层透明材质制成的板片作为吸收层等系列技术手段，使其适用于医用钛合金板的微成形加工，并实现了钛合金板的微米级甚至是亚微米级的微成形，其微成形质量的稳定、可靠、精度高。
[0022]为更好地理解上述技术特点，现简要分析、阐明如下:
[0023]1、上述技术方案中，通过在待微成形的钛合金板表面上喷涂形成一层30-60微米厚的黑漆层，利用该黑漆层作为吸收层，使得激光冲击波在吸收层产生的等离子体，以对激光热效应进行屏蔽，从而有效避免了对加工工作面的热损伤，并且能够增加冲击波的压力峰值。
[0024]2、增设约束层的目的是，如前所述的吸收层受到激光诱导产生高温高压的等离子体，等离子体急剧膨胀爆炸将产生强冲击波，通过该约束层可以将等离子体急剧膨胀爆炸产生的强冲击波阻挡住，形成反向冲击波，产生高达GPa数量级的压力，该反向冲击波压向工件表层及内部组织(当该反向冲击波产生的压力超过工件的动态屈服极限值时，就会在材料表面产生塑性变形)；
[0025]更为重要的是，这种集钛合金板微成形与对钛合金板表面强化于一体的复合成形技术，不仅保证了微成形的质量，而且在微成形后钛合金板材料表面能够形成残余压应力层，并使得钛合金板的表面微观组织均匀和细化，从而大幅提高微成形后的钛合金板表面的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。
[0026]不难看出，上述之I和2，正是本发明在现有技术装置的基础上，实现对医用钛合金板微成形的技术关键。
[0027]3、上述技术方案中，通过增设检测系统并与计算机通讯连接这一技术手段的运用，以使激光冲击微成形装置在微成形过程中，由计算机通过对检测系统输送来的信号进行运算分析，并依据运算分析对激光器所发射的激光束功率密度大小适时进行动态调整，以使激光冲击微成形的工作状态始终处于理想状态，从而保证了激光冲击微成形质量的稳定与可靠。具体检测过程与计算机控制下的适时动态调整为:
[0028]在逐点冲击加工成形过程中，检测系统通过同步加速辐射光源发出的入射激光束投射到钛合金板的表面上，由探测器接收反射激光，并转换为电脉冲，电脉冲经过放大器放大后进入脉冲高度分析器中，并转换为信号脉冲，信号脉冲发送至计数器中后，再送入计算机中进行误差和参数修正的运算分析；经计算机运算分析结果，将工件表面入射激光点的分析结果与该点理论变形值进行比对，根据比对结果，分析得出下一次加工该点位置的所需激光冲击能量值，并控制激光器加工下一个点位置所需发出的激光束能量值，同时，计算机控制数控工作台和激光冲击头移动到下一个冲击点位置，进行该点的冲击成形。
[0029]可以看出，上述之3，确保了医用钛合金板的微成形加工质量的稳定性