专利名称：一种提高金属板料激光冲击成形性能的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光加工制造领域，更具体的说本发明为一种提高金属板料激光 冲击成形性能的方法与装置，其适用于金属薄板的高效率、复杂精密成形，特别 适用于常规方法难以成形或根本无法成形的材料，如镁合金，钛合金等。
背景技术：
金属板料塑性成形作为板材成形加工主要方法，已在整个国民经济中占有十 分重要的地位，广泛应用于航空航天、船舶工业、汽车覆盖件、电子、仪表等生 产行业。目前，国内外用于金属薄板塑性成形方法颇多，包括冲压、爆炸成形、 喷丸成形、激光热应力成形和激光冲击成形等。中国专利01134063. 0提供一种 激光冲击精密成形方法及装置，采用高性能激光冲击精密成形技术，它直接利用 强脉冲激光束冲击工件表面的柔性贴膜，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动态屈服强度，这使成形材料发生明显塑性变 形。此发明专利为金属薄板成形提供了一个很好的思路。其主要缺点如下(1) 复杂形状工件或曲面成形，以及多次冲击过程中，冲击激光束无法保证垂直入射 板料，形成斜冲特征；(2)斜冲其结果会导致激光能量的损失，效率的降低；(3) 斜冲的冲击力的方向不合理，板料容易被冲破，无法获得足够的成形深度，降低 了板料的成形性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对相对于激光垂直冲击，金属板料激光倾斜 冲击时更容易冲破，提出始终保持激光束入射方向与所要板料冲击区域内法线方 向一致。针对此点，提出一种提高金属板料激光冲击成形性能的方法与装置，以 提高金属板料的成形性能，实现板料复杂形状的精确成形。
本发明所采用的技术方案是
采用大功率脉冲激光器发出的激光束经外光路系统传到冲击头位置，然后作
用于板料试样体系，并通过改变激光脉冲宽度(4ns 50ns)、能量(0 100J)、 光束直径(0.2 20mm)等激光参数来调整冲击波压力的大小和冲击方向。在对 板料进行多次冲击或者曲面零件冲击时，通过反馈系统(AT0S扫描仪)预先扫描板料轮廓的具体信息，反馋到中央处理单元，将信息输入CAD软件进行曲面建 模，确定法线方向及板料变形程度，再通过计算机编程控制多轴坐标台及夹具系 统的转动，保证激光束入射的方向始终与板料的法线方向一致，且通过反馈指令 调节各种冲击参数，从而提高板料的成形性能，提高其极限成形深度，获得最大 的成形效果。
反馈系统装置采用ATOS光学扫描仪。AT0S流动式光学扫描仪基于光栅原理， 利用系统标定和固定参考点来实现多幅图像的拼合对齐，以完成整个工件的扫描 测量工作。试样在冲击过程中，通过系统标定和在板料表面贴上一定地固体参考 点，然后通过ATOS扫描仪两个CCD镜头预先获得板料的具体轮廓信息，将扫描 所获得的信息输到三维软件CAD (如CATIA)中建模，在软件中获得冲击区域 内的法线方向及工件板料具体的变形程度。
实物冲击过程中，预先通过反馈系统检测试样的具体轮廓信息，反馈给中央 控制处理器，在得知板料的变形程度及具体轮廓情况下，中央控制处理器发出指 令，由控制系统执行，控制多轴坐标台、激光器、光斑调节装置等调节各冲击参 数，实现板料精确的局部成形或整体成形。
试样成形工件表面由约束层和能量吸收层组成。约束层采用流水或者刚性玻 璃，约束层通过约束层控制器控制其厚度与均匀性；吸收层采用铝箔。试样位于 凹模上，根据不同的成形需要选用不同的凹模可实现激光冲击半模成形，如"V" 形、"U"形、半球形凹模等。
本发明的有益效果
(1) 此种成形方法可适应复杂形状工件或曲面零件成形，以及多次冲击过 程中保证冲击激光束始终垂直入射板料所要冲击的区域，改善冲击力的方向合理 分布，提高了板料成形效率，获得足够的成形深度，提高了板料成形性能。
(2) 本发明通过多轴坐标台能灵活的实现三维立体冲击，可实现小曲率大 型板材成形，又可实现大曲率局部微细板材全塑性成形。
(3) 本发明可预先得知板料具体变形程度和轮廓信息，将板料参数，与其 他冲击参数进行优化组合，得到适应于不同条件下板料激光冲击成形过程中所需 要的最佳参数组合。(4)生产准备时间短，加工柔性化，模具费用小，制造成本低。由于激光 冲击波作为板料成形力源，在优化控制激光冲击成形工艺参数的条件下，可以半 模非接触式成形。
图1为一种提高金属板料激光冲击成形性能的方法与装置图2为激光垂直、倾斜入射示意图和板料冲击后产生微裂纹时截面示意图3为激光束与板料相对位置示意图4为在CAD软件中获得板料冲击区域内的法线方向示意图； 图5为板料激光冲击"V"形件冲击轨迹图； 图6为多点冲击过程中间一点的示意图； 图7为最终"V"形件的成形示意图8为曲面板料不同冲击区域的法线示意图。
图中1.中央控制处理器，2.激光控制器，3.反馈系统装置，4.激光器，5. 外光路系统，6.光斑调节装置，7.激光束，8.约束层，9.夹具，IO.吸收层，11. 试样，12.凹模，13.多轴坐标台，14.多轴坐标台控制器，15.约束层控制器，16. 激光束入射方向，17.板料，18.冲击区域的法线方向，19.冲击区域，20. "V" 形件冲击第n点，21. "V"形件冲击第n+l点，22.曲面板料
具体实施例方式
下面结合图l、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8详细说明本发明 提出的具体装置的细节和工作情况。
图1所述的一种提高金属板料成形性能的方法与装置包括中央控制处理器 1，激光控制器2，反馈系统装置3，激光器4，外光路系统5，光斑调节装置6， 激光束7，约束层8，夹具9，吸收层IO，试样ll，凹模12,多轴坐标台13、 多轴坐标台控制器14,约束层控制器15。其特征在于激光器4发出激光束6经 外光路系统5和光斑调节装置6，作用在附有约束层8和吸收层9的试样11上, 通过检测反馈系统3，再经中央处理器通过多轴坐标台控制器14控制多轴坐标台13的转动。
由中央控制处理器1发出指令,通过激光控制器2使激光器4发出激光束7， 通过外光路系统5改变冲击路线，光斑调节装置6调节激光束光斑直径的大小， 激光束7作用在附有约束层8和吸收层10的试样11上，其中约束层7可通过约 束层控制器15控制其厚度和均匀性。冲击过程中，通过检测反馈系统3获得试 样11具体轮廓形状及变形程度，把所检测的信号反馈中央控制处理器1，再通 过CAD软件建模，获得具体试样冲击区域的法线方向，由中央控制处理器发出指 令，通过多轴坐标台控制器14控制多轴坐标台13的转动，使得激光入射方向与 板料冲击区域的法线方向一致；此外，每次冲击前，可以根据获得板料的具体轮 廓信息和变形程度给出反馈指令通过调节冲击工艺过程中的各参数，进一步实现 板料精确的局部成形或整体成形。
可以根据不同的成形要求，选用不同的凹模12，然后再通过设置一定的冲 击路径，实现成形效果。
实例h
图2所示为激光垂直、倾斜入射时示意图和板料冲击后产生微裂纹时截面 图。在激光能量18J，光斑直径8mm，凹模孔径20mm，调整激光入射方向16，对 尺寸为40mmX40咖X0. 3ram铝合金试样17分别进行激光垂直冲击和倾斜冲击使 其产生微裂纹。通过测量可知板料激光垂直冲击和倾斜冲击时的成形极限深度分 别为4.31mm， 3.75mm，也就是说板料在激光垂直冲击下能获得更大的成形极限 深度。所以，在激光冲击板料过程中，始终保持激光入射方向与所要冲击区域内 的法线方向一致，能提高板料的成形性能。
图3所示为激光束与板料试样相对位置示意图。在多次冲击或者曲面冲击 时，保证板料每一次冲击时激光束的入射方向16与冲击区域的法线方向18都是 一致的。
图4所示为在CAD软件中获得板料冲击区域内的法线方向示意图。在具体 实施过程中，先获取板料的具体轮廓信息，然后在CATIA中建模，再取得冲击区 域19内的法线方向18。再通过计算机语言编程控制控制多轴坐标台的移动和转 动，使得激光入射方向与冲击区域内的法线方向一致，提高其成形极限深度。实例2:
图5所示为激光冲击板料17 "V"形件的两排光斑冲击分布图。凹模12釆 用"V"形凹模。金属激光冲击"V"形件的成形涉及多点成形及曲面成形，如果
冲击过程中不变化方向，会严重影响板料的成形效果。即能量小，可能变形小，
能量大，可能使板料发生破裂。板料在多点冲击时，如"V"形件冲到"n"点 20,到"n+l"点21,板料在上一阶段已径发生变形。此时，如果直接作用在板 料上，必定不是沿着冲击区域内的法线方向，不利于"V"形件的冲击成形，此 方法可以在板料进行多点冲击时的任意一个冲击点时，可以获得板料的具体轮廓 信息及变形程度，然后调整激光束的入射方向，使其与板料的法线方向相一致。 在冲击此点之前，板料已径发生一定的变形，所以通过反馈装置ATOS扫描仪可 以获知板料所要冲击区域内的法线方向及变形程度信息，然后使激光束沿着法线 方向实施冲击，同时调节各冲击参数，这样能保证"V"形件的成形效果，提高 其成形性能。图7为"V"形件激光冲击后成形示意图。
例3:
如图8所示，在对此曲面零件22进行冲击时，针对曲面零件的不同冲击区 域，通过ATOS扫描仪获得不同冲击区域的法线方向18，在实施冲击时，控制多 轴坐标台的转动，使得激光束的入射方向与曲面板料的法线方向一致，提高曲面 板料的成形性能。在成形过程中， 一方面，可以避免板料提前发生破裂；另一方 面，可以使板料在精确成形过程中，减少冲击次数，充分利用激光冲击波的力效 应，使得板料成形在冲击次数较少的情况获得较好的效果，降低成本。
权利要求
1、一种提高金属板料激光冲击成形性能的方法和装置，采用高功率短脉冲激光器产生冲击波使金属板料成形，其特征在于，每次冲击前通过反馈系统获得板料的具体轮廓信息，通过计算机数控制编程，控制多轴坐标台的转动，以确定激光入射方向与金属板料所要冲击部分的法线方向一致，同时根据板料的变形程度调节各冲击参数，满足板料多次冲击或曲面板料成形的需要，提高金属板料激光冲击成形性能。
2、 根据权利要求1所述的一种提高金属板料激光冲击成形性能的方法，其特征 在于，所设反馈系统能检测板料轮廓具体信息，在每次冲击过后都可以通过 反馈系统装置获得的板料轮廓具体信号，反馈到中央控制处理器，在中央处 理器中通过软件建模，找出板料上任意一点的法线方向，然后再通过计算机 程序语言编程发出指令，调节多轴坐标台及夹具系统，使激光入射方向与板 料所要冲击区域内的法线方向一致，确保提高板料的成形性能。
3、 根据权利要求1或2所述的一种提高金属板料激光冲击成形性能的方法，其 特征在于，所述激光器所产生的脉宽4ns 50ns、能量0 100J、光束直径 0. 2 20mm，成形板料厚度为0. 1 2mm。
4、 根据权利要求1或2所述的一种提高金属板料激光冲击成形性能的方法，其 特征在于，反馈系统预先获得板料具体轮廓信息和变形程度后，通过中央处 理器发出反馈指令优化各种冲击参数，通过控制系统调节激光能量、激光束 的冲击方向和光斑直径的大小，确保板料在激光冲击时获得最好的成形效果。
5、 一种实施权利要求1所述的提高金属板料激光冲击成形性能方法的装置，其 包括中央控制处理器(l)、激光控制器(2)、激光器(4)、外光路系统(5)、光 斑调节装置(6)、激光束(7)、夹具装置(8)、试样(ll)、凹模(12)、反馈系统 装置(3)、多轴坐标台(13)、多轴坐标台控制器(14)、约束层控制器(15)，特 征在于，由中央控制处理器(l)发出指令，启动激光控制器(2)使激光器(4) 产生激光束(7)经外光路系统(5)和光斑调节装置(6)，作用于试样(ll)，试样 (11)由反馈系统装置(3)得到的检测信息连接中央控制处理器(1)，然后发出 反馈指令，试样(11)位于多轴坐标台(13)及夹具(9)上，通过多轴坐标台控制 器(15)控制多轴坐标台(13)的转动。
6、 根据权利要求6所述的一种提高金属板料激光冲击成形性能方法的装置，其 特征在于，所述试样(11)由约束层(8)和吸收层(10)组成，约束层采用流水或 者刚性玻璃，吸收层采用铝箔，反馈系统装置(3)采用AT0S扫描仪。
7、 根据权利要求6或7所述的一种提高金属板料激光冲击成形性能方法的装置， 其特征在于，所述试样(11)位于凹模(12)上，凹模(12)采用不同形状。
全文摘要
本发明涉及激光加工制造领域，特指一种提高金属板料激光冲击成形性能的方法与装置，用以提高板料的成形性能，实现板料复杂形状的精确成形，及获得最大的成形极限，特别适合于常规方法难以成形或根本无法成形的材料成形。采用大功率脉冲激光器(4)，经外光路系统在对板料多次冲击或者曲面零件冲击时，通过反馈系统装置(3)预先扫描的板料轮廓的具体信息，反馈到到中央控制处理器(1)，将信息输入CAD软件进行曲面建模，确定法线方向，再通过计算机编程控制控制多轴坐标台(13)的转动，保证激光束入射的方向始终与板料的法线方向一致，从而提高其成形性能获得最大的成形效果；同时改善板料表面残余应力场的分布，提高板料的抗应力腐蚀能力和疲劳寿命。
文档编号B23K26/14GK101486129SQ20091002471
公开日2009年7月22日 申请日期2009年2月11日 优先权日2009年2月11日
发明者任爱国, 叶云霞, 姜银方, 建 尤, 张永康, 飞 王, 王永良, 顾永玉, 鲁金忠 申请人:江苏大学