专利名称：一种基于激光冲击波技术的快速制模装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及模具加工装置，特指一种基于激光冲击波技术的快速制造模具的装置，特别适用于利用厚金属板料直接制成拉深模和弯曲模，用于汽车覆盖件等零件的小批量生产。
实现该目的的装置的特征为由激光器发生器、导光系统、冲击头、工件夹具系统、控制系统组成，激光发生器经导光系统连接冲击头，控制系统分别控制激光发生器、冲击头、工件夹具系统。其中导光系统由导光管、全反镜、聚焦镜、移动座反射镜、球形关节头组成连接激光发生器与冲击头的多轴系统，工件夹具系统包括覆盖能量转换体的工件、工件夹具、工作台，控制系统由激光位移探针、控制器、计算机、激光控制器组成。连接激光冲击头的轴由移动座反射镜、球形关节头组成，并设有激光位移探针与控制器相连。
本装置的工作过程如下(1)根据加工零件的尺寸形状，展开计算毛坯尺寸，激光切割板料至所需毛坯形状，并装夹于数控工作台的夹具上；(2)根据零件形状和用于钢板模具的材料性能，优化激光冲击波成形的工艺参数和激光头所走轨迹，编制NC加工程序；(3)在工件表面覆盖能量转换体，应用高能脉冲激光冲击能量转换体表面，使能量吸收层汽化、电离、形成等离子体爆炸，产生高幅冲击波，以此作为材料塑性成形的变形力。通过改变激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲形状以及激光光束模式，可获取不同时间和空间分布的塑性变形力；(4)根据优化的激光工艺参数如脉冲能量、光斑尺寸以及激光冲击轨迹和作用区域的脉冲次数，通过多轴数控系统控制有序地进行逐点冲击，施加应力脉冲，实现板料精确的局部成形或整体成形；(5)通过在线检测装置，测量板料冲击波成形过程中板料的变形量及误差，由控制系统调节激光冲击头的离焦量和冲击方向，以及激光脉冲能量，以实现对板料的粗冲成形和精冲成形；(6)修边和适当加固形成钢板模具。
本实用新型由于采用激光冲击波作为制作钢板模具的成形力源，因而它是无模具非接触式成形，特别适合于有局部反向拉深及胀形的汽车覆盖件模具制造；由于采用光束导光和分光的光学和光纤装置，以及多轴联动的工作台，所以它可实现水平冲击和沿法向冲击，即三维立体冲击。因为激光参数精确可控，所以重复性好、易实现自动化生产；因为激光光斑尺寸可聚焦至微米量级至厘米级，所以既能进行大板的复杂成形，又可以进行局部微细的定量精确成形。单脉冲冲击波成形的最小可控变形量0.035mm，最大可控变形量达数mm，并可根据零件的曲率半径来调整激光光斑尺寸，常用尺寸为Φ2～Φ10mm，因而所成形的钢板模具尺寸具有较大的调节范围，具有较大的柔性；适应性强，对钢板成形前的表面质量要求低于常规的冲压工艺，且使成形表面的粗糙度提高1～2个等级；因为激光冲击波在材料表面形成硬化层和高幅残余压应力，因此提高了板料成形件的稳定性，几乎无回弹，也即钢板模具具有较高的精度。同时成形件的表面质量提高，如表面粗糙度降低，硬度提高、晶粒细化、工件抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能大幅提高，可省去后续的加工工序和表面处理工序。
图1是根据本实用新型提出的基于激光冲击波技术的快速钢板模具制造的装置示意图。
图2是根据本实用新型提出的钢板模具激光冲击波成形原理示意图。1.激光器发生器 2.激光束 3.导光管 4.全反镜 5.移动座反射镜 6.移动座反射镜7.球形关节头 8.冲击头 9.工件夹具 10.工件 11.激光位移探针 12.工作台 13.数控系统控制器 14.计算机 15.激光控制器 16.能量转换体 17.等离子体该装置包括一个激光器发生器(1)和导光系统、冲击头(8)、工件夹具系统、控制系统。导光系统包括导光管(3)、全反镜(4)、球形关节头(7)、移动座反射镜(5、6)等，工件夹具系统包括工作台(12)、表面覆盖能量转换体(16)的工件(10)、工件夹具(9)，控制系统由计算机(14)、数控系统控制器(13)、激光位移探针(11)组成。
激光器产生能量在10～100焦尔、持续时间为8～80纳秒的激光脉冲，激光束(2)的光斑模式可以是基模、多模等多种模式，其由激光控制器(15)调节和控制。由激光器(1)产生的激光束经导光系统由冲击头(8)冲击到工件(10)上。冲击头(8)可绕球形关节头(7)转动，其内有聚焦镜，通过调节冲击头与工件距离，可改变光斑大小。该装置可实现三轴移动和冲击头绕关节的转动，从而实现五轴联动，对工件(10)进行立体成形操作。
如图2所示，经导光系统输出的激光束(2)从冲击头(8)发出，作用在粘附在工件上的能量转换体(16)，能量转换体(16)吸收高能激光后，迅速汽化、电离形成等离子体(17)，等离子体(17)继续吸收激光能量，形成爆轰波，产生向金属板料工件(10)内部传播的高幅冲击波，因其峰值压力远远大于金属板料的动态屈服强度，使金属板料产生变形量h。工件(10)固定在工件夹具(9)上，工件夹具(9)再固定在工作台(12)上。数控系统发出数控指令控制工作台(12)和冲击头(8)作多轴运动，直线运动或转动，从而实现钢板模具的三维立体成形。
权利要求1.一种基于激光冲击波技术的快速制模装置，包括控制系统、工件夹具系统，其特征在于由激光发生器(1)经导光系统连接冲击头(8)组成冲击单元，控制系统分别控制激光发生器(1)、冲击头(8)、工件夹具系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击波技术的快速制模装置，其特征在于连接激光冲击头的轴由移动座反射镜(5、6)、球形关节头(7)组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击波技术的快速制模装置，其特征在于设有激光位移探针(11)与激光控制器(5)相连组成在线检测装置。
专利摘要本实用新型涉及模具加工装置，特别适用于利用厚金属板料直接制成拉深模和弯曲模，用于汽车覆盖件等零件的小批量生产。该装置由激光器发生器、导光系统、冲击头、工件夹具系统、控制系统组成，激光发生器经导光系统连接冲击头，控制系统分别控制激光发生器、冲击头、工件夹具系统。其中导光系统由导光管、全反镜、聚焦镜、移动座反射镜、球形关节头组成连接激光发生器与冲击头的多轴系统，工件夹具系统包括覆盖能量转换体的工件、工件夹具、工作台，控制系统由激光位移探针、控制器、计算机、激光控制器组成。由于激光参数精确可控，所以重复性好、易实现自动化生产；既能进行大板的复杂成形制作大型复杂钢板模具，又可以进行局部微细的定量精确成形。
文档编号B23K26/00GK2571530SQ02264630
公开日2003年9月10日 申请日期2002年9月25日 优先权日2002年9月25日
发明者周建忠, 张永康, 杨继昌, 周明 申请人:江苏大学