一种脉冲式热空化射流微成形装置及成形方法

1.本发明涉及微米级的空化加工塑性成形技术领域，尤其涉及一种脉冲式热空化射流微成形装置及成形方法。


背景技术：

2.热空化射流加工技术是一种将箔材完全浸没在水中，使用加热后的空化射流对其进行塑性成形的技术。空化射流之所以能够使箔材塑性成形，是因为当液体中发生空化现象时，水射流中群泡溃灭会产生gpa级的辐射压力、冲击波以及微射流，反复冲击材料表面引发塑性变形，同时由于空化泡溃灭冲击是一种柔性“锤击”，材料表面受到“锤击”后发生塑性变形。由于在冲击的同时对箔材进行了加热处理，极大的提高了箔材的塑性形变能力。
3.目前，空化技术由于其经济环保、低成本等特性，成为微成形技术的重点研究方向。现阶段的空化微成形技术一般为激光空化、超声空化等，但这些方法存在诱导空化能力差、空化场存在局限性、箔材易破裂等问题，无法满足成形要求。例如中国发明专利公开号为cn110614429a的文献中公开了一种激光诱导空化成形的装置与方法，其利用激光在水中聚集后产生的能量形成空泡与等离子体冲击波对夹具上的箔材进行加工，但该方法存在的问题是：激光诱导空化的效率过低，成形速度缓慢，且成形过程中能量大量散失于液体中，对箔材不能形成有效的成形效果，尤其在成形高强度箔材时。例如中国发明专利公开号为cn110227753a的文献中公开了一种径向高频振动式空化微塑性成形装置，其利用高频振荡形成空泡对夹具上的箔材进行加工，但该方法存在的问题是：采用的是冷空化发生方法，加工过程中箔材极易破裂，尤其在加工塑性形变能力不足的箔材时。
4.为此，拓展一种新型的脉冲式热空化射流微成形装置是非常重要且有着巨大发展潜力的。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种脉冲式热空化射流微成形装置及成形方法，能够利用空化射流使箔材塑性成形的同时，通过加热提高箔材的成形能力。
6.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
7.一种脉冲式热空化射流微成形装置，包括：夹紧系统、加热成形系统、三维移动系统、液体循环系统和控制单元；
8.所述夹紧系统用于夹紧箔材；
9.所述液体循环系统包括水箱；
10.所述加热成形系统包括加热室、激光发生器、喷头、k9玻璃，所述加热室的顶部设有k9玻璃，所述加热室的壳体壁面以及所述k9玻璃之间形成密闭空腔，所述加热室上设有第一单向阀、第二单向阀以及第三单向阀，液体能从加热室外经过所述第二单向阀和所述第三单向阀流入空腔内，所述喷头安装于所述加热室底部，所述第三单向阀使得液体能从所述空腔内流入至所述喷头，所述激光发生器设置于所述k9玻璃的上方；
11.所述加热成形系统安装于所述三维移动系统上，所述三维移动系统与所述控制单元连接，所述三维移动系统能够使得所述加热成形系统移动。
12.进一步地，所述夹紧系统包括电磁线圈、模具和掩膜，所述模具放置所述于水箱底部的凹槽内，所述掩膜与所述模具顶部相接触，箔材置于所述掩膜与所述模具之间，所述掩膜与所述模具由铁磁性物质制成，所述电磁线圈与所述控制单元连接。
13.进一步地，所述液体循环系统还包括第一电磁阀、水泵、第二电磁阀和收集水箱，所述水箱与所述收集水箱之间设有第一管路和第二管路，所述第二电磁阀设置于所述第一管路上，所述第一电磁阀和所述水泵设置于第二管路上，所述第一电磁阀、所述水泵和所述第二电磁阀均与控制单元连接。
14.进一步地，所述水箱内设有过滤装置。
15.进一步地，所述三维移动系统包括支架和三维移动平台，所述支架固定于地面，所述三维移动平台安装于所述支架上，所述激光发生器安装于所述三维移动平台上，所述三维移动平台与控制单元连接。
16.进一步地，所述k9玻璃的厚度为3mm。
17.本发明还提供了一种上述脉冲式热空化射流微成形装置的成形方法，包括：
18.步骤一：将模具置于水箱中，将箔材置于夹紧系统中，通过控制单元控制夹紧系统夹紧箔材；
19.步骤二：向水箱中注入液体；
20.步骤三：加热室7内第二单向阀和所述第三单向阀均无正向阻力损失，设定第一单向阀的阈值，通过控制单元调整三维移动系统使得所述加热室完全浸没于液体之中，液体由于压力差通过第二单向阀和所述第三单向阀进入加热室内，通过控制单元调整三维移动系统使得喷头正对与箔材加工位置；
21.步骤四：打开激光发生器，使得加热室内压力升高直至达到第一单向阀设定的阈值，加热室内液体经第一单向阀与喷头喷出，形成脉冲热空化射流对箔材进行加工，在加工过程中通过控制单元控制三维移动系统改变实际加工位置；
22.步骤五：加工完成后，通过控制单元控制夹紧系统松开箔材，取出箔材，完成成形加工。
23.本发明具有如下有益效果：
24.1)本发明通过加热室内单向阀与激光发生器的共同作用驱动液体流动，从而解决了现有的空化射流系统中需要单独设置高压泵的问题；
25.2)本发明通过激光发生器对液体进行加热，间接加热箔材以提高箔材的塑性成形能力，从而解决冷空化射流中因箔材塑性不足而产生的破裂等质量问题；
26.3)本发明通过由单向阀与激光发生器组合而成的独特空化发生方式，可以形成脉冲式空化射流，从而解决现有空化射流系统中能量利用率低的问题。
附图说明
27.图1为根据本发明实施例的一种脉冲式热空化射流微成形装置的结构示意图。
28.图2为图1中加热室结构的放大图；
29.图中：
30.1.电磁线圈；2.水箱；3.模具；4.箔材；5.掩膜；6.支架；7.加热室；8.连杆；9.激光发生器；10.三维移动平台；11.第一电磁阀；12.控制单元；13.水泵；14.第二电磁阀；15.收集水箱；16.喷头；17.第一单向阀；18.加热腔；19.第二单向阀；20.k9玻璃；21.第三单向阀。
具体实施方式
31.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
33.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种脉冲式热空化射流微成形装置。
35.请参阅图1和图2，根据本发明实施例的一种脉冲式热空化射流微成形装置，包括：夹紧系统、加热成形系统、三维移动系统和液体循环系统和控制单元12。
36.具体的，所述液体循环系统包括水箱2、第一电磁阀11、水泵13、第二电磁阀14和收集水箱15，所述水箱2与所述收集水箱15之间设有第一管路和第二管路，所述第二电磁阀14设置于所述第一管路上，用于控制水箱2内的液体流回收集水箱15。所述第一电磁阀11和所述水泵13设置于第二管路上，水泵13用于将收集水箱15中的液体压入水箱2中。所述第一电磁阀11、所述水泵13和所述第二电磁阀14均与控制单元12连接。所述水箱2内设有过滤装置，防止污物损坏加热室7。
37.夹紧系统用于夹紧箔材4，包括电磁线圈1、模具3和掩膜5，所述模具3放置所述于水箱2底部的凹槽内，所述掩膜5与所述模具3顶部相接触，箔材4置于所述掩膜5与所述模具3之间，所述掩膜5与所述模具3由铁磁性物质制成，给电磁线圈1通电，模具3、掩膜5通过电磁线圈1实现夹紧，电磁线圈1由控制单元12控制开关并调节夹紧力大小。
38.所述加热成形系统包括加热室7、激光发生器9、喷头16、k9玻璃，所述加热室7的顶部设有k9玻璃，所述加热室7的壳体壁面以及所述k9玻璃之间形成密闭空腔，所述加热室7上设有第一单向阀17、第二单向阀19以及第三单向阀21，液体能从加热室7外经过所述第二单向阀19和所述第三单向阀21流入空腔内，所述喷头16安装于所述加热室7底部，所述第三
单向阀21使得液体能从所述空腔内流入至所述喷头16。
39.所述三维移动系统包括支架6和三维移动平台10，所述支架6固定于地面，所述三维移动平台10安装于所述支架6上，所述激光发生器9安装于所述三维移动平台10上，并设置于所述k9玻璃的上方。所述三维移动平台10与控制单元12连接。三维移动平台10带动所述加热成形系统一起移动至喷头16正对箔材4加工位置，三维移动平台10的移动通过控制单元12控制。
40.当加热室7浸入水箱2时，液体由于压力差通过经过所述第二单向阀19和所述第三单向阀21进入加热室7，激光发生器9启动后对加热室7内液体进行加热，使得加热室7内压力升高直至达到第一单向阀17设定阈值，加热室7内液体经第一单向阀17与喷头16喷出，形成热空化射流对箔材4进行加工，液体喷出后加热室7内压力降低，第一单向阀17，第二单向阀19和所述第三单向阀21重新打开，形成脉冲式热空化射流的一个周期。
41.利用本发明实施例的一种脉冲式热空化射流微成形装置的成形方法，包含以下步骤：
42.步骤一：如图1所示，将模具3置于水箱2的凹槽中，将箔材4，掩膜5依次放入模具3凹槽中，通过控制单元12对电磁线圈1中通入5a的电流，使模具3、箔材4、掩膜5固定于水箱2底部；
43.步骤二：通过控制单元12打开第一电磁阀11与水泵13直至液面达到合适高度，关闭第一电磁阀11与水泵13；
44.步骤三：加热室7内第二单向阀19和所述第三单向阀21均无正向阻力损失，第一单向阀17的阈值设定为1mpa，通过控制单元12调整三维移动平台10使得加热室7完全浸没于液体之中，液体由于压力差通过第二单向阀19和所述第三单向阀21进入加热室7内，通过控制单元12调整三维移动平台10使得喷头16正对与箔材4加工位置；
45.步骤四：打开激光发生器20，使得加热室7内液体受热、压力升高直至达到第一单向阀17设定阈值，加热室7内加热后的液体经第一单向阀17与喷头16喷出，形成脉冲热空化射流对箔材4进行加热的同时，对其进行加工，在加工过程中通过控制单元12控制三维移动平台10改变实际加工位置；
46.步骤五：加工完成后，通过控制单元12打开第二电磁阀14直至水箱2内液体全部流回收集水箱15，关闭第二电磁阀14，关闭电磁线圈1，取出箔材4，完成成形加工。
47.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
48.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。