一种激光冲击成形阶梯状筒形件的方法及装置与流程

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种激光冲击成形阶梯状筒形件的方法及装置，本发明特别适用于高精度复杂形状零件的成形。

背景技术：

随着现代工业产品向小批量、轻量化、高强度、高性能等方向发展，传统的液压成形方法很难适应新的发展需求，例如，利用传统的液压力很难成形出高强度、形状复杂的钛合金钣金件。激光冲击成形技术是近年来发展起来的新技术，具有灵活性强、成形精度高、成形效率高、可重复性高等特点，较好地适应现代工业产品的发展方向，特别适合复杂形状高精度零件的成形，在电工电子、通信控制、生物医疗和航空航天等领域应用越来越多。

激光冲击成形技术是采用脉冲激光束辐照在吸收层上产生的高强度冲击波作为动力源，高强度冲击波作用于金属薄板表面使其发生变形。脉冲激光束透过约束层照射在吸收层上，吸收层迅速气化、电离形成高压等离子体，高压等离子体膨胀形成冲击波，冲击波作用在金属薄板的表面，并在其内部诱导产生应力波，当应力波峰值压力大于金属薄板的动态屈服极限时，金属薄板发生塑性变形。在使用激光单步冲击成形方法时，受应力波冲击区域材料获得动能和冲量，快速向下运动并于腔底与凹模发生碰撞，剧烈的碰撞使得薄板材料横向流动，使薄板与模具的模腔贴合。由于激光辐照诱导的激光冲击波作用力的方向沿着光轴的轴向，因此，薄板在成形的过程中很难填充模具的圆角，特别是对于深度较深的零件成形，成形质量差。为了得到较大的成形深度，常采用大能量脉冲激光束进行冲击完成金属薄板的成形，随之带来的问题是：一方面，激光能量过大导致金属薄板与凹模碰撞后发生反向塑性变形，降低了成形质量；另一方面，冲击能量过大使得金属薄板成形速度超过极限值，成形件底部出现破裂失效，限制了金属薄板的可成形性。

目前申请号为200610161353.5的中国专利“基于大光斑单次激光冲击的薄板半模精密成形方法”，提出一种利用激光诱导的冲击波作用在金属薄板上，通过成形半模的作用，单次激光冲击就可使金属薄板精密成形。该方法特别适用于常规方法难以成形的小面积金属超薄材料精密成形，可节约一半模具，效率高，方便成形小深度金属薄板。但是当成形的深度较大时，需要采用大能量激光束冲击金属薄板才能获得大深度的成形件，容易造成破裂失效。申请号为201310250270.3的中国专利“一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置及其方法”提出以橡皮泥作为成形凹模，该方法可以避免激光冲击时金属薄板表面被划伤，同时橡皮泥与金属薄板贴合紧密，薄板与橡皮泥不会产生剧烈的碰撞，金属薄板回弹变形小，有利于精密成形。但是，由于金属薄板变形时与橡皮泥贴合紧密，带动橡皮泥变形，激光能量利用率不高，并且该方法依然属于激光单步冲击成形技术，未能提高金属薄板成形深度。

技术实现要素：

本发明针对以上激光冲击成形技术存在的缺陷，提供一种激光冲击成形阶梯状筒形件的方法及装置。本发明采用小能量脉冲激光束三步冲击的方法代替大能量单步冲击的方法，在约束层中混入碳颗粒，碳颗粒及吸收层吸收激光能量后形成等离子体并发生爆炸，在轴向和侧向均形成激光冲击波，从而提高薄板的成形质量。

本发明提供一种激光冲击成形阶梯状筒形件的方法，该方法具体步骤如下：

(1)准备工作：用丙酮清洗待成形金属薄板21表面，风干后在所述金属薄板21上表面涂覆吸收层20，将所述金属薄板21放置在凹模23上，所述金属薄板21下表面与所述凹模23上表面贴合，用压边圈22和螺钉18将所述金属薄板21固定在所述凹模23上；利用机械臂17固定所述凹模23，通过计算机1使控制器2发出指令，控制所述机械臂17移动和转动到指定位置，然后调整喷嘴14的位置，使去离子水6能够喷淋到所述吸收层20的表面。

(2)第一步成形：通过所述计算机1使所述控制器2发出指令使储液罐阀门8打开，使所述去离子水6通过三通接头12、接管13和所述喷嘴14喷淋到所述吸收层20表面形成约束层19；随后，所述控制器2发出指令使激光器3发射脉冲激光束4，所述脉冲激光束4经过全反镜5反射到达凸透镜15，随后所述脉冲激光束4通过凸透镜15后会聚，再穿过所述约束层19辐照在所述吸收层20上，所述吸收层20迅速气化、电离，形成高压等离子体，高压等离子体膨胀后形成激光冲击波，激光冲击波作用于所述金属薄板21上，所述金属薄板21获得动能和冲量后产生变形并与所述凹模23贴合，得到筒形的初步成形件。

(3)第二步成形：将大螺柱24调整到预定位置，形成具有一阶台阶的凹模23；通过所述计算机1使所述控制器2发出指令调整所述机械臂17的位置，以调节光斑的大小，使光斑的直径等于所述大螺柱24的螺纹小径；所述控制器2发出指令打开存储箱阀门11，并控制所述存储箱阀门11阀口的开度，使通过所述存储箱阀门11阀口的碳颗粒9的体积与所述去离子水6的体积比为1:20，所述去离子水6和所述碳颗粒9在通过所述三通接头12、所述接管13和所述喷嘴14后充分混合并喷淋到步骤(2)得到的所述初步成形件上；所述控制器2发出指令控制所述激光器3发出所述脉冲激光束4，所述脉冲激光束4经过所述全反镜5反射到达所述凸透镜15，随后所述脉冲激光束4通过所述凸透镜15后会聚，辐照在悬浮的所述碳颗粒9和所述吸收层20上，所述碳颗粒9和所述吸收层20吸收所述脉冲激光束4的能量后迅速气化、电离形成高压等离子体，所述高压等离子体的轴向膨胀形成作用力方向平行于光轴的纵向激光冲击波，同时悬浮的所述碳颗粒9吸收所述脉冲激光束4的能量后形成向四周传播的侧向激光冲击波，所述纵向激光冲击波作用在所述金属薄板21的所述初步成形件的端面上，使所述金属薄板21沿着深度方向发生第二次变形，所述侧向冲击波作用在所述金属薄板21的所述初步成形件的圆周面上，使所述金属薄板21第二次变形后的圆周面依然贴合在所述凹模23模腔的壁面并填充圆角，所述金属薄板21成形为深度较深及带有一阶台阶的筒形件。

(4)第三步成形：将小螺柱25调整至最终位置，形成具有两个台阶的凹模23；通过所述计算机1使所述控制器2发出指令调整所述机械臂17的位置，使光斑的直径等于所述小螺柱25的螺纹小径；所述控制器2发出指令控制所述激光器3发出所述脉冲激光束4，所述脉冲激光束4经过所述全反镜5反射到达所述凸透镜15，随后所述脉冲激光束4通过所述凸透镜15后会聚，辐照在悬浮的所述碳颗粒9和所述吸收层20上，所述碳颗粒9和所述吸收层20吸收所述脉冲激光束4的能量后迅速气化、电离形成高压等离子体，所述高压等离子体轴向膨胀形成作用力方向平行于光轴的纵向激光冲击波，同时悬浮的所述碳颗粒9吸收所述脉冲激光束4的能量后形成向四周传播的侧向冲击波，所述纵向激光冲击波作用在步骤(3)得到的所述深度较深及带有一阶台阶的筒形件的端面上，使所述金属薄板21再次沿着深度方向发生第三次变形，所述侧向冲击波作用在所述深度较深及带有一阶台阶的筒形件的圆周面上，使所述金属薄板21第三次成形后的圆周面依然贴合在所述凹模23模腔的壁面并填充圆角，所述金属薄板21最终成形为深度较深及带有二阶台阶的筒形件。

(5)最后，所述计算机1使所述控制器2发出指令，关闭所述激光器3，关闭所述存储箱阀门11，关闭所述储液罐阀门8；从所述机械臂17取下所述凹模23，松开螺钉18，取出所述金属薄板21冲击后的成形件，去除成形件表面剩余的所述吸收层20，清洗干净并晾干后得到最终成形件。

本发明同时提供一种激光冲击成形阶梯状筒形件的装置，该装置包括激光加载系统、模具成形系统、混合液系统及控制系统；所述激光加载系统包括激光器3、脉冲激光束4、全反镜5及凸透镜15，所述激光器3发射所述脉冲激光束4，所述脉冲激光束4被所述全反镜5反射后到达所述凸透镜15表面，再透过所述凸透镜15后会聚为一个圆形光斑辐照在约束层19和吸收层20上，所述脉冲激光束4垂直于所述吸收层20加载；所述模具成形系统包括凹模23、压边圈22、金属薄板21、吸收层20、约束层19、螺钉18、小螺柱25、大螺柱24、小螺母27、大螺母26及机械臂17，所述凹模23与所述大螺柱24通过螺纹联接，所述大螺柱24内嵌套一个所述小螺柱25，所述大螺柱24与所述小螺柱25之间通过螺纹联接，通过调节所述大螺柱24和所述小螺柱25的位置改变所述凹模23模腔的形状；所述凹模23被夹持在所述机械臂17上，所述金属薄板21放置在所述凹模23上，所述金属薄板21正对所述脉冲激光束4的一侧涂覆所述吸收层20，利用所述螺钉18和所述压边圈22将所述吸收层20和所述金属薄板21固定在所述凹模23上，所述约束层19是通过喷嘴14向所述吸收层20喷射去离子水形成的；所述混合液系统包括储液罐7、去离子水6、存储箱10、碳颗粒9、储液罐阀门8、存储箱阀门11、三通接头12、接管13、喷嘴14及回收箱16，所述储液罐7用来存储所述去离子水6，所述存储箱10用来存储所述碳颗粒9，所述碳颗粒9的粒度为纳米级，所述碳颗粒9与所述去离子水6在通过所述三通接头12后充分均匀混合，所述接管13连接所述储液罐阀门8、所述存储箱阀门11、所述三通接头12及所述喷嘴14，所述回收箱16用来回收使用过的混合液；所述控制系统包括计算机1和控制器2，所述计算机1向所述控制器2发送信号，所述控制器2接收信号后发出指令控制所述激光器3的通电和断电，控制所述激光器3发出的所述脉冲激光束4的频率、能量、波长；所述控制器2接收信号后发出指令控制所述机械臂17的位置；所述控制器2发出的指令控制所述储液罐阀门8、所述存储箱阀门11的开合及开度，控制所述碳颗粒9与所述去离子水6的混合体积比例为1:20。

本发明具有以下技术特点：

1、适用的材料范围广。激光冲击对薄板施加的压力可以根据激光脉冲的能量高低精确控制，最高压力可达几个、几十个gpa数量级，远高于大多数金属材料的屈服极限，不仅能对低屈服强度的材料成形，还能够对高屈服强度材料成形。

2、采用小能量激光束对金属薄板进行三步激光冲击渐进成形的方法替代大能量激光的一步冲击成形的方法，不仅有效降低了激光器泵浦管的热效应，延长了激光器的使用寿命，还能够提高金属材料的可成形性。

3、使用的约束层是悬浮的碳颗粒和去离子水的混合液，不仅能够对金属薄板施加轴向冲击波的压力，对成形件的侧向也施加了冲击波的压力，有利于板料填充模具的圆角，提高板料的成形精度。

4、用的约束层是悬浮的碳颗粒和去离子水的混合液，激光先后被处于不同深度的悬浮碳颗粒吸收产生冲击波，最后被吸收层吸收产生冲击波，大大延长了激光诱导的冲击波的作用时间，有利于改善冲击的效果。

5、使用的模具是集成的活动组合模具，模具无需多次安装，省去辅助的加工时间，提高加工效率，而且能通过调节螺纹的位置而获得不同深度的阶梯状凹模，保证了成形件的同轴度。6、所用激光输出参数如激光脉冲能量、脉冲宽度、光斑直径等均能够通过计算机控制，加工柔性大。它是集成形与强化于一体的技术，成形件表面质量好，疲劳寿命长。

附图说明：

图1是本发明冲击成形方法和装置的结构示意图；

图2(a)是本发明中模具成形系统(图1中ι区)示意图；

图2(b)是本发明第二次冲击成形时的凹模示意图；

图2(c)是本发明第三次冲击时成形的凹模示意图。

图中：1：计算机；2：控制器；3：激光器；4：脉冲激光束；5：全反镜；6：去离子水；7：储液罐；8：储液罐阀门；9：碳颗粒；10：存储箱；11：存储箱阀门；12：三通接头；13：接管；14：喷嘴；15：凸透镜；16：回收箱；17：机械臂；18：螺钉；19：约束层；20：吸收层；21：金属薄板；22：压边圈；23：凹模；24：大螺柱；25：小螺柱；26：大螺母；27：小螺母。

具体实施方式：

以下通过附图具体说明本发明成形三阶阶梯形筒形件的成形过程。

本发明装置包括激光加载系统、模具成形系统、混合液系统和控制系统；所述激光加载系统包括激光器3、脉冲激光束4、全反镜5和凸透镜15。脉冲激光束4由激光器3产生，脉冲激光束4在传播过程中被全反镜5反射，再穿过凸透镜15后，辐照在悬浮的碳颗粒9和吸收层20上；所述模具成形系统包括凹模23、金属薄板21、吸收层20、约束层19、压边圈22、螺钉18、大螺柱24，小螺柱25，大螺母26、小螺母27和机械臂17；凹模23与大螺柱24通过螺纹联接，大螺柱24内嵌套一个小螺柱25，大螺柱24与小螺柱25之间通过螺纹联接，通过调节大螺柱24和小螺柱25的位置改变模腔形状，以满足不同形状的成形要求；松开大螺母26，旋转大螺柱24，使大螺柱24高度下降到预设的高度，再锁紧大螺母26，凹模23的模腔带有一阶台阶孔。松开小螺母27，旋转小螺柱25，使小螺柱25的高度下降到预设的高度，再锁紧小螺母27，凹模23的模腔带有二阶台阶孔；金属薄板21的上表面涂覆厚度为0.1mm的吸收层20，利用螺钉18和压边圈22将吸收层20和金属薄板21固定在凹模23上，凹模23被夹持在机械臂17上，机械臂17通过转动和移动改变与凸透镜15距离，使光斑的大小符合设定的要求并且使脉冲激光束4垂直辐照在金属薄板21的吸收层20上；所述混合液系统由储液罐7、存储箱10、储液罐阀门8、存储箱阀门11、三通接头12、接管13、喷嘴14和回收箱16组成，通过调节储液罐阀门8和存储箱阀门11的阀口的开度使碳颗粒9与去离子水6按照一定的体积比均匀混合，混合液通过喷嘴14喷淋到吸收层20的表面，接管13连接着储液罐阀门8、存储箱阀门11、三通接头12和喷嘴14，回收箱16回收废液；所述控制系统由计算机1和控制器2组成，金属薄板21各个成形阶段所需要的参数值由计算机1输入，计算机1通过控制器2发出指令调整机械臂17的位置，控制器2发出指令控制激光器3发出的激光脉冲束4的能量、波长、频率等参数，控制储液罐阀门8和存储箱阀门11的阀口的开度。

当金属薄板21在凹模23中安装好后，通过计算机1使控制器2发出指令，控制储液罐阀门8打开，去离子水6通过三通接头12、接管13和喷嘴14喷淋到吸收层20表面形成约束层19；随后，控制器2发出指令使激光器3发射脉冲激光束4，脉冲激光束4经过全反镜5反射后，脉冲激光束4的传播方向发生了90°的改变，随后脉冲激光束4通过凸透镜15后会聚，再穿过约束层19辐照在吸收层20上，吸收层20迅速气化、电离，生成高压等离子体，高压等离子体继续吸收激光能量后发生轴向膨胀形成激光冲击波，冲击波作用于金属薄板21上，金属薄板21获得动能和冲量后产生变形，逐渐与凹模23模腔贴合，如图2(a)所示，得到筒形的初步成形件。

随后，松开大螺母26，调整大螺柱24至预定位置，锁紧大螺母26，形成一个具有一阶台阶的凹模23；通过计算机1使控制器2发出指令调整机械臂17的位置，以调节光斑的大小，使光斑的直径等于大螺柱24的螺纹小径；控制器2发出指令打开存储箱阀门11，并控制存储箱阀门11阀口的开度，使通过阀口的碳颗粒9的体积与去离子水6的体积比为1:20，去离子水6和碳颗粒9在通过三通接头12、接管13和喷嘴14后充分混合并喷淋到金属薄板21的初步成形件上；控制器2发出指令控制激光器3发出脉冲激光束4，脉冲激光束4经过全反镜5反射后到达凸透镜15，随后脉冲激光束4通过凸透镜15后会聚，辐照在悬浮的碳颗粒9和吸收层20上，碳颗粒9和吸收层20吸收了脉冲激光束4的能量后迅速气化、电离形成高压等离子体，高压等离子体的轴向膨胀形成了作用力方向平行于光轴的纵向激光冲击波，同时，由于悬浮的碳颗粒9形状不规则，碳颗粒9吸收脉冲激光束4的能量后还会产生向四周传播的侧向冲击波，纵向激光冲击波作用在金属薄板21初步成形件的端面上，使金属薄板21沿着深度方向发生第二次变形，侧向冲击波作用在金属薄板21初步成形件的圆周面上，使金属薄板21第二次变形后的圆周面依然贴合在凹模23模腔的壁面并填充圆角，金属薄板21变成了深度较深、带有一阶台阶的筒形件。

随后，松开小螺母27，调整小螺柱26至最终位置，形成了一个具有两个台阶的凹模23；通过计算机1使控制器2发出指令调整机械臂17的位置，使光斑的直径等于小螺柱25的螺纹小径；激光器3得到控制器2发出的指令后发出脉冲激光束4，脉冲激光束4经过全反镜5反射到达凸透镜15，随后脉冲激光束4通过凸透镜15后会聚，辐照在悬浮的碳颗粒9和约束层19上，碳颗粒9和吸收层20吸收了脉冲激光束4的能量后迅速气化、电离生成高压等离子体，高压等离子体的轴向膨胀形成作用力方向平行于光轴的纵向激光冲击波，同时悬浮的碳颗粒9吸收脉冲激光束4的能量后形成向四周传播的侧向冲击波，纵向激光冲击波作用在金属薄板21变形后带有一阶台阶的筒形件的端面上，使金属薄板21再次沿着深度方向发生第三次变形，侧向冲击波作用在金属薄板21变形后带有一阶台阶的筒形件的圆周面上，使金属薄板21第三次变形后的圆周面依然贴合在凹模23模腔的壁面并填充圆角，金属薄板21最终变成了深度较深、带有二阶台阶的筒形件。

最后，计算机1使控制器2发出指令，关闭激光器3，关闭储液罐阀门8，关闭存储箱阀门11；从机械臂17取下凹模23，松开螺钉18，取出金属薄板21冲击后的变形件，去除变形件表面剩余吸收层21，清洗干净并晾干后得到最终成形件。