專利名稱：一種提高金屬板料激光沖擊成形性能的方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光加工制造領域，更具體的說本發明為一種提高金屬板料激光 沖擊成形性能的方法與裝置，其適用于金屬薄板的高效率、復雜精密成形，特別 適用于常規方法難以成形或根本無法成形的材料，如鎂合金，鈦合金等。
背景技術：
金屬板料塑性成形作為板材成形加工主要方法，已在整個國民經濟中占有十 分重要的地位，廣泛應用于航空航天、船舶工業、汽車覆蓋件、電子、儀表等生 產行業。目前，國內外用于金屬薄板塑性成形方法頗多，包括沖壓、爆炸成形、 噴丸成形、激光熱應力成形和激光沖擊成形等。中國專利01134063. 0提供一種 激光沖擊精密成形方法及裝置，采用高性能激光沖擊精密成形技術，它直接利用 強脈沖激光束沖擊工件表面的柔性貼膜，使其表層氣化電離并形成沖擊波，由于 產生的沖擊波壓力峰值超過材料動態屈服強度，這使成形材料發生明顯塑性變 形。此發明專利為金屬薄板成形提供了一個很好的思路。其主要缺點如下(1) 復雜形狀工件或曲面成形，以及多次沖擊過程中，沖擊激光束無法保證垂直入射 板料，形成斜沖特征；(2)斜沖其結果會導致激光能量的損失，效率的降低；(3) 斜沖的沖擊力的方向不合理，板料容易被沖破，無法獲得足夠的成形深度，降低 了板料的成形性能。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對相對于激光垂直沖擊，金屬板料激光傾斜 沖擊時更容易沖破，提出始終保持激光束入射方向與所要板料沖擊區域內法線方 向一致。針對此點，提出一種提高金屬板料激光沖擊成形性能的方法與裝置，以 提高金屬板料的成形性能，實現板料復雜形狀的精確成形。
本發明所采用的技術方案是
采用大功率脈沖激光器發出的激光束經外光路系統傳到沖擊頭位置，然后作
用于板料試樣體系，并通過改變激光脈沖寬度(4ns 50ns)、能量(0 100J)、 光束直徑(0.2 20mm)等激光參數來調整沖擊波壓力的大小和沖擊方向。在對 板料進行多次沖擊或者曲面零件沖擊時，通過反饋系統(AT0S掃描儀)預先掃描板料輪廓的具體信息，反饞到中央處理單元，將信息輸入CAD軟件進行曲面建 模，確定法線方向及板料變形程度，再通過計算機編程控制多軸坐標臺及夾具系 統的轉動，保證激光束入射的方向始終與板料的法線方向一致，且通過反饋指令 調節各種沖擊參數，從而提高板料的成形性能，提高其極限成形深度，獲得最大 的成形效果。
反饋系統裝置采用ATOS光學掃描儀。AT0S流動式光學掃描儀基于光柵原理， 利用系統標定和固定參考點來實現多幅圖像的拼合對齊，以完成整個工件的掃描 測量工作。試樣在沖擊過程中，通過系統標定和在板料表面貼上一定地固體參考 點，然后通過ATOS掃描儀兩個CCD鏡頭預先獲得板料的具體輪廓信息，將掃描 所獲得的信息輸到三維軟件CAD (如CATIA)中建模，在軟件中獲得沖擊區域 內的法線方向及工件板料具體的變形程度。
實物沖擊過程中，預先通過反饋系統檢測試樣的具體輪廓信息，反饋給中央 控制處理器，在得知板料的變形程度及具體輪廓情況下，中央控制處理器發出指 令，由控制系統執行，控制多軸坐標臺、激光器、光斑調節裝置等調節各沖擊參 數，實現板料精確的局部成形或整體成形。
試樣成形工件表面由約束層和能量吸收層組成。約束層采用流水或者剛性玻 璃，約束層通過約束層控制器控制其厚度與均勻性；吸收層采用鋁箔。試樣位于 凹模上，根據不同的成形需要選用不同的凹模可實現激光沖擊半模成形，如"V" 形、"U"形、半球形凹模等。
本發明的有益效果
(1) 此種成形方法可適應復雜形狀工件或曲面零件成形，以及多次沖擊過 程中保證沖擊激光束始終垂直入射板料所要沖擊的區域，改善沖擊力的方向合理 分布，提高了板料成形效率，獲得足夠的成形深度，提高了板料成形性能。
(2) 本發明通過多軸坐標臺能靈活的實現三維立體沖擊，可實現小曲率大 型板材成形，又可實現大曲率局部微細板材全塑性成形。
(3) 本發明可預先得知板料具體變形程度和輪廓信息，將板料參數，與其 他沖擊參數進行優化組合，得到適應于不同條件下板料激光沖擊成形過程中所需 要的最佳參數組合。(4)生產準備時間短，加工柔性化，模具費用小，制造成本低。由于激光 沖擊波作為板料成形力源，在優化控制激光沖擊成形工藝參數的條件下，可以半 模非接觸式成形。
圖1為一種提高金屬板料激光沖擊成形性能的方法與裝置圖2為激光垂直、傾斜入射示意圖和板料沖擊后產生微裂紋時截面示意圖3為激光束與板料相對位置示意圖4為在CAD軟件中獲得板料沖擊區域內的法線方向示意圖； 圖5為板料激光沖擊"V"形件沖擊軌跡圖； 圖6為多點沖擊過程中間一點的示意圖； 圖7為最終"V"形件的成形示意圖8為曲面板料不同沖擊區域的法線示意圖。
圖中1.中央控制處理器，2.激光控制器，3.反饋系統裝置，4.激光器，5. 外光路系統，6.光斑調節裝置，7.激光束，8.約束層，9.夾具，IO.吸收層，11. 試樣，12.凹模，13.多軸坐標臺，14.多軸坐標臺控制器，15.約束層控制器，16. 激光束入射方向，17.板料，18.沖擊區域的法線方向，19.沖擊區域，20. "V" 形件沖擊第n點，21. "V"形件沖擊第n+l點，22.曲面板料
具體實施例方式
下面結合圖l、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8詳細說明本發明 提出的具體裝置的細節和工作情況。
圖1所述的一種提高金屬板料成形性能的方法與裝置包括中央控制處理器 1，激光控制器2，反饋系統裝置3，激光器4，外光路系統5，光斑調節裝置6， 激光束7，約束層8，夾具9，吸收層IO，試樣ll，凹模12,多軸坐標臺13、 多軸坐標臺控制器14,約束層控制器15。其特征在于激光器4發出激光束6經 外光路系統5和光斑調節裝置6，作用在附有約束層8和吸收層9的試樣11上, 通過檢測反饋系統3，再經中央處理器通過多軸坐標臺控制器14控制多軸坐標臺13的轉動。
由中央控制處理器1發出指令,通過激光控制器2使激光器4發出激光束7， 通過外光路系統5改變沖擊路線，光斑調節裝置6調節激光束光斑直徑的大小， 激光束7作用在附有約束層8和吸收層10的試樣11上，其中約束層7可通過約 束層控制器15控制其厚度和均勻性。沖擊過程中，通過檢測反饋系統3獲得試 樣11具體輪廓形狀及變形程度，把所檢測的信號反饋中央控制處理器1，再通 過CAD軟件建模，獲得具體試樣沖擊區域的法線方向，由中央控制處理器發出指 令，通過多軸坐標臺控制器14控制多軸坐標臺13的轉動，使得激光入射方向與 板料沖擊區域的法線方向一致；此外，每次沖擊前，可以根據獲得板料的具體輪 廓信息和變形程度給出反饋指令通過調節沖擊工藝過程中的各參數，進一步實現 板料精確的局部成形或整體成形。
可以根據不同的成形要求，選用不同的凹模12，然后再通過設置一定的沖 擊路徑，實現成形效果。
實例h
圖2所示為激光垂直、傾斜入射時示意圖和板料沖擊后產生微裂紋時截面 圖。在激光能量18J，光斑直徑8mm，凹模孔徑20mm，調整激光入射方向16，對 尺寸為40mmX40咖X0. 3ram鋁合金試樣17分別進行激光垂直沖擊和傾斜沖擊使 其產生微裂紋。通過測量可知板料激光垂直沖擊和傾斜沖擊時的成形極限深度分 別為4.31mm， 3.75mm，也就是說板料在激光垂直沖擊下能獲得更大的成形極限 深度。所以，在激光沖擊板料過程中，始終保持激光入射方向與所要沖擊區域內 的法線方向一致，能提高板料的成形性能。
圖3所示為激光束與板料試樣相對位置示意圖。在多次沖擊或者曲面沖擊 時，保證板料每一次沖擊時激光束的入射方向16與沖擊區域的法線方向18都是 一致的。
圖4所示為在CAD軟件中獲得板料沖擊區域內的法線方向示意圖。在具體 實施過程中，先獲取板料的具體輪廓信息，然后在CATIA中建模，再取得沖擊區 域19內的法線方向18。再通過計算機語言編程控制控制多軸坐標臺的移動和轉 動，使得激光入射方向與沖擊區域內的法線方向一致，提高其成形極限深度。實例2:
圖5所示為激光沖擊板料17 "V"形件的兩排光斑沖擊分布圖。凹模12釆 用"V"形凹模。金屬激光沖擊"V"形件的成形涉及多點成形及曲面成形，如果
沖擊過程中不變化方向，會嚴重影響板料的成形效果。即能量小，可能變形小，
能量大，可能使板料發生破裂。板料在多點沖擊時，如"V"形件沖到"n"點 20,到"n+l"點21,板料在上一階段已徑發生變形。此時，如果直接作用在板 料上，必定不是沿著沖擊區域內的法線方向，不利于"V"形件的沖擊成形，此 方法可以在板料進行多點沖擊時的任意一個沖擊點時，可以獲得板料的具體輪廓 信息及變形程度，然后調整激光束的入射方向，使其與板料的法線方向相一致。 在沖擊此點之前，板料已徑發生一定的變形，所以通過反饋裝置ATOS掃描儀可 以獲知板料所要沖擊區域內的法線方向及變形程度信息，然后使激光束沿著法線 方向實施沖擊，同時調節各沖擊參數，這樣能保證"V"形件的成形效果，提高 其成形性能。圖7為"V"形件激光沖擊后成形示意圖。
例3:
如圖8所示，在對此曲面零件22進行沖擊時，針對曲面零件的不同沖擊區 域，通過ATOS掃描儀獲得不同沖擊區域的法線方向18，在實施沖擊時，控制多 軸坐標臺的轉動，使得激光束的入射方向與曲面板料的法線方向一致，提高曲面 板料的成形性能。在成形過程中， 一方面，可以避免板料提前發生破裂；另一方 面，可以使板料在精確成形過程中，減少沖擊次數，充分利用激光沖擊波的力效 應，使得板料成形在沖擊次數較少的情況獲得較好的效果，降低成本。
權利要求
1、一種提高金屬板料激光沖擊成形性能的方法和裝置，采用高功率短脈沖激光器產生沖擊波使金屬板料成形，其特征在于，每次沖擊前通過反饋系統獲得板料的具體輪廓信息，通過計算機數控制編程，控制多軸坐標臺的轉動，以確定激光入射方向與金屬板料所要沖擊部分的法線方向一致，同時根據板料的變形程度調節各沖擊參數，滿足板料多次沖擊或曲面板料成形的需要，提高金屬板料激光沖擊成形性能。
2、 根據權利要求1所述的一種提高金屬板料激光沖擊成形性能的方法，其特征 在于，所設反饋系統能檢測板料輪廓具體信息，在每次沖擊過后都可以通過 反饋系統裝置獲得的板料輪廓具體信號，反饋到中央控制處理器，在中央處 理器中通過軟件建模，找出板料上任意一點的法線方向，然后再通過計算機 程序語言編程發出指令，調節多軸坐標臺及夾具系統，使激光入射方向與板 料所要沖擊區域內的法線方向一致，確保提高板料的成形性能。
3、 根據權利要求1或2所述的一種提高金屬板料激光沖擊成形性能的方法，其 特征在于，所述激光器所產生的脈寬4ns 50ns、能量0 100J、光束直徑 0. 2 20mm，成形板料厚度為0. 1 2mm。
4、 根據權利要求1或2所述的一種提高金屬板料激光沖擊成形性能的方法，其 特征在于，反饋系統預先獲得板料具體輪廓信息和變形程度后，通過中央處 理器發出反饋指令優化各種沖擊參數，通過控制系統調節激光能量、激光束 的沖擊方向和光斑直徑的大小，確保板料在激光沖擊時獲得最好的成形效果。
5、 一種實施權利要求1所述的提高金屬板料激光沖擊成形性能方法的裝置，其 包括中央控制處理器(l)、激光控制器(2)、激光器(4)、外光路系統(5)、光 斑調節裝置(6)、激光束(7)、夾具裝置(8)、試樣(ll)、凹模(12)、反饋系統 裝置(3)、多軸坐標臺(13)、多軸坐標臺控制器(14)、約束層控制器(15)，特 征在于，由中央控制處理器(l)發出指令，啟動激光控制器(2)使激光器(4) 產生激光束(7)經外光路系統(5)和光斑調節裝置(6)，作用于試樣(ll)，試樣 (11)由反饋系統裝置(3)得到的檢測信息連接中央控制處理器(1)，然后發出 反饋指令，試樣(11)位于多軸坐標臺(13)及夾具(9)上，通過多軸坐標臺控制 器(15)控制多軸坐標臺(13)的轉動。
6、 根據權利要求6所述的一種提高金屬板料激光沖擊成形性能方法的裝置，其 特征在于，所述試樣(11)由約束層(8)和吸收層(10)組成，約束層采用流水或 者剛性玻璃，吸收層采用鋁箔，反饋系統裝置(3)采用AT0S掃描儀。
7、 根據權利要求6或7所述的一種提高金屬板料激光沖擊成形性能方法的裝置， 其特征在于，所述試樣(11)位于凹模(12)上，凹模(12)采用不同形狀。
全文摘要
本發明涉及激光加工制造領域，特指一種提高金屬板料激光沖擊成形性能的方法與裝置，用以提高板料的成形性能，實現板料復雜形狀的精確成形，及獲得最大的成形極限，特別適合于常規方法難以成形或根本無法成形的材料成形。采用大功率脈沖激光器(4)，經外光路系統在對板料多次沖擊或者曲面零件沖擊時，通過反饋系統裝置(3)預先掃描的板料輪廓的具體信息，反饋到到中央控制處理器(1)，將信息輸入CAD軟件進行曲面建模，確定法線方向，再通過計算機編程控制控制多軸坐標臺(13)的轉動，保證激光束入射的方向始終與板料的法線方向一致，從而提高其成形性能獲得最大的成形效果；同時改善板料表面殘余應力場的分布，提高板料的抗應力腐蝕能力和疲勞壽命。
文檔編號B23K26/14GK101486129SQ20091002471
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月11日 優先權日2009年2月11日
發明者任愛國, 葉云霞, 姜銀方, 建 尤, 張永康, 飛 王, 王永良, 顧永玉, 魯金忠 申請人:江蘇大學