一种用于零件压制成型的激光冲击压制装置及其方法与流程

本发明涉及粉末高速压制成型领域，特指一种用于零件压制成型的激光冲击压制装置及其方法，尤其适用于微零件的直接压制成型。

背景技术：

粉末高速压制成型是以明显高于传统静态压制的速度对粉体进行压制的技术，压制速度为每秒几米到每秒1000米以上，动压通过冲击波或应力波在粉体中的传播使粉体迅速成型和致密化。传统的粉末高速压制成型方法包括液压冲击压制、落锤冲击压制、爆炸冲击压制。液压冲击压制和落锤冲击压制适用于大件的压制，压制速度最高只能达到几十米/秒，压制的件孔隙率大。利用炸药爆炸推动活塞进行压制，压制速度可以达到每秒1000米以上，可以获得更高的致密度。然而，由于安全规程和爆炸速率很难控制，这限制了爆炸压制在工业上实施中应用。

近年来，随着激光加工技术的发展，激光诱导的冲击波作为力源的粉末压制方法引起了研究人员的关注。公开号为CN1772420A的中国专利公开了一种基于激光冲击冲击波技术的粉末压制方法和装置，该方法可以压制出不同密度的坯料，但是其装置不适用微零件的直接压制成型，装置不便于零件的脱模。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题提供一种用于零件压制成型的激光冲击压制装置及其方法，避免现有方法中微柱塞难以加工的问题，适用于微零件的直接压制成型。

本发明的技术方案是：一种用于零件压制成型的激光冲击压制装置，包括控制系统、激光发生系统、压制成型系统和三坐标移动平台系统；

所述控制系统包括计算机23、脉冲激光器控制器21、加热控制器24、气缸控制器25和三坐标移动平台控制器26；所述脉冲激光器控制器21、加热控制器24、气缸控制器25和三坐标移动平台控制器26分别与计算机23电连接；

所述激光发生系统包括脉冲激光器20、反射镜18、聚焦透镜17、聚焦透镜支架16和聚焦透镜位置调节器15；所述聚焦透镜17通过聚焦透镜支架16连接聚焦透镜位置调节器15，聚焦透镜位置调节器15安装在L型底座1侧板上，所述反射镜18位于聚焦透镜17的上部、且与脉冲激光器20的位置相对应，脉冲激光器20产生的激光通过反射镜18反射到聚焦透镜17上；所述脉冲激光器20与脉冲激光器控制器21电连接；

所述三坐标移动平台系统包括三坐标移动平台2和L型底座1；所述三坐标移动平台2安装在L型底座1的底板上；所述三坐标移动平台2与三坐标移动平台控制器26电连接；

所述压制成型系统包括盖板14、约束层13、吸收层12、金属板11、模具10、粉末9、微模具8、推杆5、气缸4、圆柱销6和固定板3；所述固定板3安装在三坐标移动平台2上表面；所述气缸4固定在固定板3上；所述推杆5的一端与气缸4相连接，另一端与微模具8的底部连接；所述模具10安装在固定板3上，并用圆柱销6定位，推杆5和微模具8位于模具10的型腔内；所述粉末9加在模具10的型腔内，覆盖微模具8；所述金属板11放置在模具10上表面，与吸收层12紧密贴合；所述吸收层12涂覆在约束层13下表面；所述盖板14置于约束层13上表面；所述激光发生系统发射的激光19聚焦在吸收层12的中间位置；所述气缸4与气缸控制器25电连接；

上述方案中，还包括加热系统；所述加热系统包括加热板7和温度传感器22；所述加热板7布置在模具10外表面；所述温度传感器22安装在模具10上；所述加热板7和温度传感器22分别与加热控制器24电连接。

上述方案中，所述粉末9为金属粉末或非金属粉末，所添加的粉末初始厚度在0.2mm～2mm。

上述方案中，所述模具10与微模具8间隙配合，模具10的型腔直径在2mm～5mm。

上述方案中，所述约束层13为钢化玻璃，厚度在3mm～10mm；所述吸收层为黑漆，厚度在0.1mm～0.5mm；所述金属板11包括铜板、钛板或不锈钢板中的一种，厚度在0.2mm～1mm。

一种用于零件压制成型的激光冲击压制的方法，包括以下步骤：脉冲激光19诱导产生冲击波压力使金属板11在模具10作用下发生剪切形成高速飞行的冲击板28，冲击板28高速撞击粉末9，使得粉末9被压实，同时复制微模具8特征，得到压制成型零件。

进一步的，根据零件的密度要求，通过调节脉冲激光器20的能量和冲击板28的飞行距离调节冲击板28的速度，以达到零件的密度要求。

上述方案中，具体包括以下步骤：

S1、将微模具8和一定量的粉末9依次装入模具10的型腔内，气缸控制器25控制气缸4带动推杆5调节冲击板28的飞行距离，距离控制在0.5mm～2mm；

S2、将金属板11、涂覆有吸收层12的约束层13和盖板14依次安放到模具10上，调节三坐标移动平台2的位置，调节光路，使得脉冲激光器20发射的激光19聚焦在吸收层12的中间位置；调节聚焦透镜17与吸收层12的距离，调节光斑直径；

S3、计算机23控制加热系统对压制成型系统进行加热，到达设定加热温度后，计算机23控制脉冲激光器20对压制成型系统单次发射，完成零件压制成型；

S4、依次取下盖板14、约束层13和金属板11，推杆5将压制成型的零件顶出模具10，取下零件，对模具10和微模具8进行清理；

S5、重复步骤S1～S4，实现零件的批量压制成型。

上述方案中，所述脉冲激光器20为短脉冲激光器，脉宽为8ns～20ns，激光能量在5J～50J，激光光斑控制在5mm～8mm。

上述方案中，所述加热系统的加热温度控制在150℃～300℃。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用脉冲激光诱导产生冲击波压力使金属板在模具作用下发生剪切形成高速飞行的冲击板，冲击板高速撞击粉末，使得粉末被压实，同时复制微模具特征，得到压制成型零件。避免了现有方法中微柱塞难以加工的问题，适用于微零件的直接压制成型。冲击板的冲击速度可以通过调节脉冲激光器的能量和冲击板的飞行距离来调节，从而可以满足不同密度要求的微零件的压制。

2.本发明便于实现微零件的脱模，辅助加热系统可以显著提高微零件的压实密度。

附图说明

图1是本发明一实施方式的用于零件压制成型的激光冲击压制装置的结构示意图；

图2是本发明一实施方式的用于零件压制成型的激光冲击压制方法的原理图。

图中：1、L型底座；2、三坐标移动平台；3、固定板；4、气缸；5、推杆；6、圆柱销；7、加热板；8、微模具；9、粉末；10、模具；11、金属板；12、吸收层；13、约束层；14、盖板；15、聚焦透镜位置调节器；16、聚焦透镜支架；17、聚焦透镜；18、反射镜；19、激光；20、脉冲激光器；21、脉冲激光器控制器；22、温度传感器；23、计算机；24、加热控制器；25、气缸控制器；26、三坐标移动平台控制器；27、等离子体；28、冲击板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1所示为本发明所述用于零件压制成型的激光冲击压制装置的一种实施方式，所述用于零件压制成型的激光冲击压制装置包括控制系统、激光发生系统、压制成型系统、加热系统和三坐标移动平台系统。

所述控制系统包括计算机23、脉冲激光器控制器21、加热控制器24、气缸控制器25和三坐标移动平台控制器26；所述脉冲激光器控制器21、加热控制器24、气缸控制器25和三坐标移动平台控制器26分别与计算机23电连接。

所述激光发生系统包括脉冲激光器20、反射镜18、聚焦透镜17、聚焦透镜支架16和聚焦透镜位置调节器15；所述聚焦透镜17通过聚焦透镜支架16连接聚焦透镜位置调节器15，聚焦透镜位置调节器15安装在L型底座1侧板上；所述反射镜18位于聚焦透镜17的上部、且与脉冲激光器20的位置相对应，脉冲激光器20产生的激光通过反射镜18反射到聚焦透镜17上，所述脉冲激光器20与脉冲激光器控制器21电连接。

所述三坐标移动平台系统包括三坐标移动平台2和L型底座1；所述三坐标移动平台2安装在L型底座1的底板上；所述三坐标移动平台2与三坐标移动平台控制器26电连接。

所述压制成型系统包括盖板14、约束层13、吸收层12、金属板11、模具10、粉末9、微模具8、推杆5、气缸4、圆柱销6、固定板3；所述固定板3安装在三坐标移动平台2上表面；所述气缸4固定在固定板3上；所述推杆5的一端与气缸4相连接，另一端与微模具8的底部连接，并支撑微模具8；所述模具10安装在固定板3上、使推杆5和微模具8位于模具10的型腔内，模具10的两侧开有通孔，通孔的位置与固定板3上的盲孔位置相对应，并通过圆柱销6穿过通孔和盲孔将模具10定位在固定板3上；所述粉末9加在模具10的型腔内，覆盖微模具8；所述金属板11放置在模具10的上表面，与吸收层12紧密贴合；所述吸收层12涂覆在约束层13下表面；所述盖板14置于约束层13的上表面，提供压边力；所述激光发生系统发射的激光19聚焦在吸收层12的中间位置；所述气缸4与气缸控制器25电连接。

所述加热系统包括加热板7和温度传感器22；所述加热板7布置在模具10外表面；所述温度传感器22安装在模具10上，测量加热温度；所述加热板7和温度传感器22分别与加热控制器24电连接。

所述粉末9为金属粉末或和非金属粉末，所添加的粉末初始厚度在0.2mm-2mm。所述的模具10与微模具8间隙配合，模具型腔的直径在2mm-5mm。所述的约束层13为钢化玻璃，厚度在3mm-10mm；所述吸收层12为黑漆，厚度在0.1mm-0.5mm；所述金属板11为铜板、钛板或不锈钢板中的一种，厚度在0.2mm-1mm。所述的脉冲激光器20为短脉冲激光器，脉宽为8ns-20ns，激光能量在5J-50J，激光光斑控制在5mm-8mm。所述的加热系统的加热温度控制在150℃-300℃，可以显著提高零件的压实密度。

本发明还提供一种用于零件压制成型的激光冲击压制方法，所述方法的原理图如图2所示，强脉冲激光19气化、电离吸收层12诱导产生高温高压等离子体27，等离子体27在约束层13和金属板11作用下形成冲击波，在冲击波压力和模具10的作用下，金属板11发生剪切，形成高速飞行的冲击板28，冲击板28经过一段飞行距离加速后与粉末9高速碰撞，使得粉末9在压实的同时复制微模具8的特征，从而获得压制成型件。

根据零件的密度要求，可以通过调节脉冲激光器20的能量和冲击板28的飞行距离来调节冲击板的速度，可以加工出不同密度要求的零件。

所述用于零件压制成型的激光冲击压制方法，具体包括以下步骤：

S1、将微模具8、一定量的粉末9依次装入模具10的型腔内，气缸控制器25控制气缸4带动推杆5调节冲击板28的飞行距离，距离控制在0.5mm-2mm。；

S2、将金属板11、涂覆有吸收层12的约束层13和盖板14依次安放到模具10上，调节三坐标移动平台2的位置，调节光路，使得脉冲激光器20发射的激光19聚焦在吸收层12的中间位置；通过聚焦透镜位置调节器15调节聚焦透镜17与吸收层12的距离，调节光斑直径；

S3、计算机23控制加热系统对压制成型系统进行加热，当温度传感器22显示温度到达设定加热温度后，计算机23控制脉冲激光器20对压制成型系统单次发射，完成零件压制成型；

S4、依次取下盖板14、约束层13和金属板11，推杆5将压制成型的零件顶出模具10，取下零件，对模具10和微模具8进行清理；

S5、重复步骤S1-S4，可以实现零件的批量压制成型。

本发明便于实现微零件的脱模，辅助加热系统可以显著提高微零件的压实密度。本发明利用脉冲激光诱导产生冲击波压力使金属板在模具作用下发生剪切形成高速飞行的冲击板，冲击板高速撞击粉末，使得粉末被压实，同时复制微模具特征，得到压制成型零件，适用于微零件的直接压制成型。冲击板的冲击速度可以通过调节脉冲激光器的能量和冲击板的飞行距离来调节，从而可以满足不同密度要求的微零件的压制。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。