一种基于激光诱导空化的冲孔装置的制作方法

本发明涉及微纳制造技术领域，特别涉及一种基于激光诱导空化的冲孔装置。

背景技术：

近年来，产品的精密化和微型化已成为工业制造发展的一个重要热点，为此微制造行业中迫切需要可实现高效、可靠的微型小孔加工技术，这是对微制造技术提出的全新挑战。

其中，微成形技术具有工艺简单，成形零件精度高和效率高等优点，很适合于微型零件的低成本大批量制造。而能够实现大批量微细零部件冲孔制造的方法主要包括精密模具微冲孔和激光冲孔。精密模具微冲孔的模具结构复杂，尤其是加工的板材较薄时，模具间隙很难保证均匀，模具制造维修困难，零部件边缘容易产生毛刺；激光冲孔作为一种新的微制造工艺，也存在以下缺点，若使用飞秒激光器成本太高，使用纳秒激光冲孔工艺中牺牲层的补偿问题一直制约着该技术的发挥，牺牲层只能单次使用，无法进行连续加工，同时，牺牲层中的黑漆会严重影响零件的表面质量，必须后续添加去漆工序。因此，解决牺牲层补偿问题，对此提出有效的解决方法，是推动将激光技术应用于微制造领域的重要课题。

因此，如何能够提供一种利用激光诱导去离子水产生的空化泡在膨胀、溃灭过程中的冲击波对材料进行冲孔并可满足高效率、高精度、微尺度的零部件的制造要求的基于激光诱导空化的冲孔装置是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于激光诱导空化的冲孔装置，通过激光诱导空化产生的空化泡在膨胀、溃灭过程中的冲击波代替传统实体冲头，对上凸模和下凹模之间的工件进行冲孔，满足高效率、高精度、微尺度的零部件制造要求。

为实现上述目的，本发明提供一种基于激光诱导空化的冲孔装置，包括用于装夹工件的上凸模和下凹模，所述上凸模设有装水腔，所述上凸模底侧设有与所述装水腔连通的第一通孔，所述下凹模位于所述上凸模下方且所述下凹模设有与所述第一通孔同轴线的第二通孔，还包括用于沿所述第一通孔的轴线发射入水激光的激光发射系统，所述入水激光在所述装水腔中通过激光诱导空化产生冲击波以冲裁工件实现冲孔。

优选地，还包括设于所述激光发射系统与所述上凸模之间的导光系统，所述激光发射系统发射的所述入水激光经由所述导光系统改变传递方向并沿所述第一通孔的轴线射入所述装水腔。

优选地，所述导光系统包括多个用于改变所述入水激光的传递方向的反射镜以及聚焦镜片，所述聚焦镜片位于所述上凸模正上方。

优选地，还包括设于所述上凸模和所述下凹模外周侧的夹具，所述夹具装夹固定所述上凸模和所述下凹模。

优选地，所述下凹模下侧设有与所述第二通孔连通的排水腔。

优选地，所述下凹模上侧与所述上凸模下侧的截面形状相同。

优选地，还包括设于激光发射系统底侧且用于支撑固定的机床工作台。

优选地，所述机床工作台表面设有用于固定所述上凸模和所述下凹模的三维移动平台，所述三维移动平台带动所述上凸模和所述下凹模运动以调节工件相对所述入水激光的入射位置。

优选地，还包括设置在所述机床工作台表面用于检测工件与所述入水激光对准状况的ccd机器视觉系统，所述ccd机器视觉系统与所述三维移动平台相连以实现所述三维移动平台根据工件与所述入水激光的对准状况进行反馈调节。

优选地，还包括设置在所述机床工作台表面用于控制所述激光发射系统、所述三维移动平台和所述ccd机器视觉系统的集成控制柜。

相对于上述背景技术，本发明所提供的基于激光诱导空化的冲孔装置包括用于装夹工件的上凸模与下凹模，上凸模位于下凹模的上方，上凸模设有盛满水的装水腔，上凸模的底侧设有与装水腔连通的第一通孔，下凹模设有与第一通孔同轴线的第二通孔，还包括沿第一通孔的轴线向装水腔中发射入水激光的激光发射系统，该基于激光诱导空化的冲孔装置通过上凸模与下凹模以实现工件的装夹与固定，通过在上凸模设置装水腔以实现激光诱导空化所需的媒介条件，通过在上凸模设置与装水腔连通的第一通孔以实现激光诱导空化所需的冲孔条件，通过设置向装水腔中发射与第一通孔同轴线的入水激光的激光发射系统以实现激光诱导空化所需的激光条件，在该基于激光诱导空化的冲孔装置中，在微纳制造技术的基础上结合激光技术，激光发射系统射出的入水激光在装水腔中进行激光诱导空化作用，更具体地说，入水激光诱导去离子水产生的空化泡在膨胀、溃灭过程中的冲击波加载代替传统实体冲头施加冲裁力，水作为媒介以施力在工件上，实现对材料的冲孔，可满足高效率、高精度、微尺度的零部件的制造要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于激光诱导空化的冲孔装置的结构示意图。

其中：

1-机床工作台、2-集成控制柜、3-激光发射系统、4-反射镜、6-聚焦镜片、7-ccd机器视觉系统、8-上凸模、9-夹具、10-工件、11-下凹模、12-三维移动平台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的基于激光诱导空化的冲孔装置的结构示意图。

在现有技术中，将激光技术与微纳制造技术进行结合具有广阔的应用前景，但是如何解决牺牲层的补偿问题是激光技术结合中需要考虑的问题。本发明的重点在于如何利用激光诱导空化的技术手段，使用能够自动补偿的水替代现有技术中的牺牲层，实现对材料的冲孔加工。

在第一种具体的实施方式中，本发明提供的基于激光诱导空化的冲孔装置包括激光发射系统3、上凸模8和下凹模11。上凸模8和下凹模11分别设于工件10的上下两侧，下凹模11对工件10提供竖向支撑力，上凸模8于下凹模11的上方施加向下的挤压夹紧力，在上凸模8和下凹模11的装夹下实现工件10的装夹与固定。在本实施例中，上凸模8设有装水腔，装水腔的腔室中盛满水以此为激光诱导空化提供媒介环境，上凸模8的下侧设有与装水腔连通的第一通孔，下凹模11设有与第一通孔同轴线的第二通孔，第一通孔和第二通孔为激光诱导空化提供冲孔通道。除此以外，激光发射系统3向上凸模8的装水腔中发射激光，因激光的作用在于射入装水腔中故命名为入水激光，入水激光应沿第一通孔的轴线射入。

在本实施例中，激光发射系统3向上凸模8的装水腔中发射入水激光，入水激光沿第一通孔的轴线进入装水腔中，在入水激光的作用下，诱导去离子水产生的空化泡在膨胀、溃灭的过程中产生冲击波，装水腔中的水作为媒介，在冲击波的施力作用下，作为媒介的水通过第一通孔的通道向工件10施加冲裁力，在激光诱导空化的冲裁力的作用下实现对材料的冲孔。

需要说明的是，为了保证入水激光对于工件10具有较好的冲孔效果，第二通孔应根据不同的所需冲孔效果进行区别设置。换句话说，第一通孔作为入水激光经过激光诱导空化产生的冲击波的施力通道，保证了冲击波能够直接作用在工件10的上表面，而第二通孔作为工件10下表面的支撑，未被支撑的部分将被冲击波冲裁去除，因此，第一通孔影响了作用在工件10的冲裁力大小，第二通孔影响了工件10的冲孔大小与形状。在本实施例中，第二通孔的整体尺寸应小于第一通孔的整体尺寸以便于产生的冲裁力能够全部作用在工件10的表面，第二通孔应根据所需加工的冲孔进行区别设置，例如三角形、方形等多边形或任意大小的第二通孔的设置方式同应属于本实施例的说明范围。

除此以外，还包括设置在激光发射系统3与上凸模8之间的导光系统，导光系统为经由激光发射系统3发射的入水激光提供激光传递路径，换句话说，入水激光从激光发射系统3中发射出后具有起始方向，入水激光在导光系统中经由折射得以改变传递方向以改变传递路径，入水激光在导光系统中射出时具有沿第一通孔的轴线射入装水腔的最终方向。具体而言，导光系统包括聚焦镜片6以及多个用以改变入水激光的传递方向的反射镜4，入水激光经由多个反射镜4的折射作用改变传递方向以及传递路径，最终沿第一通孔的轴线入射装水腔之前垂直通过设于上凸模8正上方的聚焦镜片6，在聚焦作用下射入装水腔中发生激光诱导空化及冲孔。

相较于现有技术中的纳秒激光冲孔中牺牲层只能单次使用、无法进行连续加工的问题，本发明利用激光诱导空化的原理，水可以自动补偿，能够对工件10进行连续多次冲裁加工。

为了更好的技术效果，上凸模8和下凹模11外周侧设有夹具9，夹具9装夹固定上凸模8和下凹模11。在本实施例中，上凸模8和下凹模11作为装夹固定工件10的模具，夹具9作为固定模具的模具夹具。夹具9贴合并与上凸模8和下凹模11外周侧的每一处相抵，上凸模8和下凹模11在夹具9中夹装固定。

除此以外，下凹模11下侧设有与第二通孔连通的排水腔，入水激光在装水腔中利用激光诱导空化原理产生的冲击波冲裁作用在工件10表面，工件10实现冲孔并冲出与下凹模11的第二通孔的外形相同的孔，冲裁除去的废料以及作为冲击波的媒介的水通过第二通孔留下并进入排水腔中。

为了更好的技术效果，下凹模11上侧与上凸模8下侧的截面形状相同，换句话说，上凸模8和下凹模11用以夹装固定工件10的部分形状相同，以对工件10提供更好的贴合与固定效果。需要说明的是，上凸模8和下凹模11可以设置为任何截面形状，例如圆柱、方柱等，与此类似的，夹具9应设置为能够与圆柱、方柱等的外周侧贴合固定的形式，同应属于本实施例的说明范围。

在另一种具体的实施方式中，还包括设于激光发射系统3底侧的机床工作台1，机床工作台1对激光发射系统3提供支撑固定的作用。除此以外，机床工作台1表面还设有三维移动平台12，上凸模8和下凹模11在三维移动平台12上相对固定，换句话说，夹具9固定在三维移动平台12上。在本实施例中，三维移动平台12能够使夹具9及夹具9夹装固定的上凸模8和下凹模11进行准确定向运动，进一步带动工件10准确定向运动以调节相对于入水激光的位置。需要说明的是，三维移动平台12作为一种三维的运动平台，能够实现空间任意方向与位置的运动，三维移动平台12不作为本发明的改进核心点，对于三维移动平台12的具体设置方式在现有技术中已被广泛公开，这里不再一一赘述。

为了更好的技术效果，还包括设置在机床工作台1表面的ccd机器视觉系统7，ccd机器视觉系统7与三维移动平台12相连，ccd机器视觉系统7实时观察并检测上凸模8和下凹模11的情况以及入水激光的对准精度，ccd机器视觉系统7进一步根据模具情况以及激光对准精度使三维移动平台12进行调整，实现激光加工时准确对焦，并可进行反馈调节。需要说明的是，ccd机器视觉系统7不作为本发明的改进核心点，对于ccd机器视觉系统7的具体设置方式在现有技术中已被广泛公开，这里不再一一赘述。

在本实施例中，还包括设置在机床工作台1表面的与激光发射系统3、三维移动平台12和ccd机器视觉系统7相连的集成控制柜2，集成控制柜2控制激光发射系统3、三维移动平台12和ccd机器视觉系统7，以保证本发明中冲孔工艺的正常进行。在工艺过程中，打开集成控制柜2以控制激光发射系统3、三维移动平台12和ccd机器视觉系统7启动，ccd机器视觉系统7运行并实时观察上凸模8和下凹模11的情况以及激光的对准精度，进一步集成控制柜2根据模具情况以及激光对准精度控制三维移动平台12调整位置，使得激光能够准确对焦。在工艺完成后，关闭集成控制柜2以控制全部部件关闭。

综上，本发明提供的基于激光诱导空化的冲孔装置能够实现微纳零件的冲孔加工，具有结构简单，响应速度快，占地面积小的特点。相比较传统精密模具的冲孔加工，激光诱导空化微冲孔是靠利用激光触发加工，没有实体冲头，可有效减少模具即上凸模8与下凹模11的磨损，能增加模具的使用寿命。相比较激光冲击冲孔加工，激光空化加工可以避免工件10被烧蚀，并且能够把水作为牺牲层，实现补偿牺牲层，减少牺牲层对工件10外观的影响，后续不需要添加去除牺牲层即黑漆的工序，减少了加工工序与装置结构。本发明能够实现微型零件的冲孔要求，结构简单，响应快速，能够满足大批量，低成本微细冲孔件的加工需求，具有积极的技术效果。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的基于激光诱导空化的冲孔装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。