專利名稱：水下激光沖擊成形的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及快速成形領域，特指一種基于激光沖擊波技術的水下激光沖擊成形的方法和裝置，尤其適用于金屬板料快速成形的批量生產。
背景技術：
常見的激光沖擊波沖擊成形技術一般是指在待加工材料表面直接涂布一層黑色涂料，作為激光能量的吸收層，以透光材料如水、玻璃、有機薄膜等作為約束層。激光穿過約束層后為吸收層所吸收，在極短時間內產生高溫高壓氣體形成沖擊波，使工件發生變形，達到成形目的。約束層的作用是約束高壓氣體的擴散，以提高沖擊波的峰壓并延長沖擊波有效峰值作用時間。用玻璃作為約束層其缺點是玻璃易被沖擊波擊碎使激光沖擊成形的實用性降低，而以水、有機薄膜等做約束層，沖擊波峰壓提高有限。另外在工件上直接涂布吸收層材料，增加了工件表面殘余涂料的清理工作，而且涂層的厚度、均勻性不易控制，導致工件成形質量難以掌握，制約了激光沖擊成形的批量生產。
本發明最為接近的技術是水下爆炸成形技術。水下爆炸成形是將工件和炸藥放置在水下進行爆炸成形，利用水的約束作用增強爆轟波強度和傳遞爆轟波，由于爆轟波在水中傳播會發生衰減，調節炸藥和工件之間的距離就可以粗略調節爆轟波的強度。水下爆炸成形由于爆轟波不易精確控制因而成形精度差，同時炸藥爆炸具有一定的危險性。而水下激光沖擊成形同樣利用水約束汽化物的擴散來增強沖擊波強度和利用水傳遞沖擊波，但激光參數精確可控，容易實現精確成形，且無安全方面的問題。
發明內容
本發明的目的是要提供激光沖擊成形實用化和批量生產的水下激光沖擊成形的方法和裝置，不需對工件進行預處理直接對坯料進行成形加工，達到工件自由成形或模具約束成形。
本發明實施的裝置包括激光發生器、激光控制系統、工件模具系統、工作臺及工作臺控制裝置，其特征是具有可調節玻璃與吸收層之間距離的可調視窗系統，可以自動更換的膜帶及膜帶進給裝置，可安裝多個模具能夠實施連續加工的工件夾具系統以及供水系統。
其中可調視窗由視窗座、視窗調節支架、視窗玻璃、視窗玻璃壓蓋依次連接而成。膜帶進給系統由膜帶卷筒及依附其上的吸收層膜帶，固定膜帶卷筒的卷帶支架與卷帶支架壓緊螺釘組成。供水系統由位于水槽上方的進水管、水槽及水槽下部的排水縫隙及排水孔和位于水槽上安裝視窗座的圓孔內的“O”型密封圈組成。工件模具系統由工件、壓邊圈、模具依次組合放置在可安裝多個模具并能旋轉換位的轉盤及支架而成。
可調視窗系統通過視窗調節支架和水槽連接在一起，供水系統通過水槽固連在支架上，而工件模具系統由轉盤通過旋轉副安裝于支架上，膜帶進給系統通過卷帶支架壓緊螺釘將卷帶支架安裝在水槽內，這樣可調視窗系統、供水系統、膜帶進給系統和工件模具系統構成一個整體并通過支架安裝在工作臺上。
本發明方法是利用激光沖擊波作為成形力源，激光控制系統控制激光發生器按預先優化的激光能量、光斑直徑、激光模式產生激光脈沖，脈沖激光束經視窗玻璃一水到達預制成一定厚度和密度的吸收層膜帶，被吸收層中能量轉換體吸收，使吸收層材料汽化、電離產生高溫高壓氣體形成沖擊波，沖擊波經介質水傳遞到工件表面，工件在沖擊波的作用下成形。通過工作臺控制系統控制工件按一定軌跡運動實現逐點沖擊。更新工件后轉動膜帶卷筒，移去被燒灼過的材料，使新膜帶對準工件，即可進行新一輪加工。
本發明的實施過程如下1.根據零件變形要求制作相應寬度、厚度和能量轉換體密度的膜帶。
2.根據零件變形要求制作相應模具。
3.根據零件變形要求編制工作臺控制程序，用于控制工作臺的運動路徑。
4.將工件安裝到夾具上，膜帶安裝到膜帶進給裝置上，槽內注水并保持一定水位。
5.根據工件變形要求調整激光光斑大小、激光功率等。
6.根據工件變形量要求調整視窗位置和膜帶位置。
7.根據工藝要求優化后的激光脈沖光束通過視窗玻璃、水照到吸收層上，使吸收層材料汽化、電離產生沖擊波，沖擊波經水傳導到工件表面，在沖擊波作用下工件發生變形。利用工作臺控制系統控制工件按一定軌跡移動，逐點沖擊，實現工件精密成形。
8.旋轉轉盤，使安裝在另一模具上的工件沉入水槽，更換膜帶并進行加工，并卸下加工好的工件。
本發明采用玻璃—水組合作為約束層，一方面利用水的緩沖作用降低沖擊波對玻璃的沖擊破壞，保護玻璃不被沖擊波擊碎。另一方面利用玻璃的剛性反射的二次沖擊波繼續對工件加載，延長沖擊波有效壓力維持時間，增加激光一次沖擊的工件變形量，效果比單獨用水膜做約束層要好得多。由于采用了玻璃—水做約束層，因而約束層和工件無需機械壓緊，只需將工件浸入水中即可，從而使批量性連續生產得以進行。而把吸收層預制成膜帶，能量轉換體的含量、均勻性等可以有效控制，無需在每一個工件表面涂布能量轉換體，既節省了工件預處理和殘余吸收層材料清理時間，又避免了單獨涂布時吸收層的厚度、均勻性無法可靠控制的問題。另外，將夾具安裝底座制成多工位盤形結構，實現了邊加工邊安裝，大大提高了生產效率。
下面結合圖1對本發明作進一步說明圖1是根據本發明提出的水下激光沖擊成形裝置的示意圖。
圖2是膜帶進給系統示意圖。
1.激光發生器 2.激光束 3.視窗座 4.調節調節支架 5.視窗玻璃 6.視窗玻璃壓蓋 7.進水管 8.“O”型密封圈 9.水槽 10.排水孔 11.排水縫隙 12.吸收層膜帶13.膜帶卷筒 14.卷帶軸 15.卷帶調節支架 16.壓緊螺釘 17.壓邊圈 18.工件 19.模具 20.轉盤 21.支架 22.工作臺 23.工作臺控制裝置 24.激光發生器控制裝置25.數字控制裝置 26.計算機
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明提出的具體裝置的細節和工作情況。
本裝置包括激光發生器1、激光發生器控制裝置24、可調視窗系統、卷膜進給系統、工件模具系統、供水系統、可控工作臺22及工作臺控制裝置23、數字控制裝置25及計算機26。
其中可調視窗系統由視窗座3、視窗調節支架4、視窗玻璃5、視窗玻璃壓蓋6組成，卷膜進給系統由膜帶12、卷帶支架15、卷帶支架壓緊螺釘16、膜帶卷筒13組成，工件夾具系統包括壓邊圈17、工件18、模具19、轉盤20、支架21組成，供水系統包括進水管7、水槽9、排水孔10、排水縫隙11、“O”型密封圈8。
可調視窗系統通過視窗調節支架4和水槽9連接在一起，供水系統通過水槽9固聯在支架21上，而工件模具系統則由轉盤20通過旋轉副安裝中支架21上，膜帶進給系統通過卷帶調節支架15安裝在水槽9內。這樣可調視窗系統、供水系統、膜帶進給系統和工件模具系統構成一個整體并通過支架21安裝在工作臺22上。
轉盤上可安裝多副模具，把工件用壓邊圈17固定在模具18上，轉動轉盤19將工件沉入水下(在模具和轉盤上有孔與外部大氣連通以利排氣，避免工件背面有水時產生背壓影響工件成形；轉盤和水槽之間的間隙用于排水，又保證轉盤可自由轉動)。根據工件形狀及變形要求調整膜帶到工件的距離，并根據激光能量大小調整視窗位置。水槽注水并保持一定水位。
激光發生器產生能量在10～100焦耳，持續時間8～80納秒的激光脈沖，激光束的光斑模式可以是基模、多模等多種模式，由激光發生器的控制裝置控制和調節。
激光發生器產生的激光脈沖光束經導光系統由視窗玻璃、水傳到吸收層膜帶上，被其中的能量轉換體吸收并引起膜帶材料的汽化、電離產生沖擊波，沖擊波經水傳遞到工件表面使工件產生變形。通過工作臺控制裝置控制工作臺按預定軌跡移動，逐點沖擊，實現工件的精密成形。
更新工件后轉動膜帶卷筒，移去被燒灼過的材料，使新膜帶對準工件，即可進行新一輪加工。
權利要求
1.水下激光沖擊成形裝置，其特征在于包括激光發生器(1)、激光控制系統(24)、工件模具系統、工作臺(22)及工作臺控制裝置(23)，其特征是具有可調節玻璃與吸收層之間距離的可調視窗系統，可以自動更換的膜帶及膜帶進給裝置，可安裝多個模具能夠實施連續加工的工件夾具系統以及供水系統；其中可調視窗由視窗座(3)、視窗調節支架(4)、視窗玻璃(5)、視窗玻璃壓蓋(6)依次連接而成；膜帶進給系統由膜帶卷筒(13)及依附其上的吸收層膜帶(12)，固定膜帶卷筒的卷帶支架(15)與卷帶支架壓緊螺釘(16)組成；供水系統由位于水槽上方的進水管(7)、水槽(9)及水槽下部的排水縫隙(11)及排水孔(10)和位于水槽上安裝視窗座的圓孔內的“O”型密封圈(8)組成；工件模具系統由工件(18)、壓邊圈(17)、模具(19)依次組合安裝在可安裝多個模具并能旋轉換位的轉盤(20)及支架(21)而成；可調視窗系統通過視窗調節支架(4)和水槽(9)連接在一起，供水系統通過水槽(9)固連在支架(21)上，而工件模具系統由轉盤(20)通過旋轉副安裝于支架(21)上，膜帶進給系統通過卷帶支架壓緊螺釘(16)將卷帶軸調節支架(15)安裝在水槽(9)內，這樣可調視窗系統、供水系統、膜帶進給系統和工件模具系統構成一個整體并通過支架(21)安裝在工作臺(22)上。
2.水下激光沖擊成形的方法，其特征在于利用激光沖擊波作為成形力源，激光控制系統控制激光發生器按預先優化的激光能量、光斑直徑、激光模式產生激光脈沖，脈沖激光束經視窗玻璃-水到達預制成一定厚度和密度的吸收層膜帶，被吸收層中能量轉換體吸收，使吸收層材料汽化、電離產生高溫高壓氣體形成沖擊波，沖擊波經介質水傳遞到工件表面，工件在沖擊波的作用下成形。
3.根據權利要求2所述的水下激光沖擊成形的方法，其特征在于通過工作臺控制系統控制工件按一定軌跡運動實現逐點沖擊。
4.根據權利要求2所述的水下激光沖擊成形的方法，其特征在于更新工件后轉動膜帶卷筒，移去被燒灼過的材料，使新膜帶對準工件，即可進行新一輪加工。
全文摘要
本發明涉及水下激光沖擊成形的方法和裝置，其利用激光沖擊波作為成形力源，激光控制系統控制激光發生器按預先優化的激光能量、光斑直徑、激光模式產生激光脈沖，脈沖激光束經視窗玻璃―水到達預制成一定厚度和密度的吸收層膜帶，被吸收層中能量轉換體吸收，使吸收層材料汽化、電離產生高溫高壓氣體形成沖擊波，沖擊波經介質水傳遞到工件表面，工件在沖擊波的作用下成形。通過工作臺控制系統控制工件按一定軌跡運動實現逐點沖擊。其利用玻璃―水組合作為約束層，解決了水約束層效果差而玻璃約束層易碎的問題，不需對工件進行預處理直接對坯料進行成形加工，達到工件自由成形或模具約束成形，使激光沖擊成形批量化連續生產得以實現。
文檔編號B23K26/00GK1751837SQ20051009415
公開日2006年3月29日 申請日期2005年8月31日 優先權日2005年8月31日
發明者張永康, 顧永玉, 左敦穩 申請人:江蘇大學