基于激光冲击波和振动技术的金属板材成形方法及装置

摘要

本发明公开一种基于激光冲击波和振动技术的金属板材成形方法及装置，属于机械零件快速制造技术领域。本发明采用单个脉冲激光在水下诱导冲击波对金属板材进行多次加载，利用单向阀的单向排气性控制板材成形过程中的回弹和振荡，并采用振动方法消弱金属板材在成形过程中的塑性变形的抗力，加速金属板材的塑性流动和成形，进一步减小回弹，从而使金属板材和模具型面精密地贴合，得到高精度的成形件。本发明所使用的设备简单，操作方便，诱导的冲击波压力高且可以多次利用，成形件的弹性回复小，塑性变形量大，成形的精度高。

说明书

技术领域：

本发明属于机械零件快速制造技术领域，涉及一种基于半模成形薄板的方法和装置，尤其涉及一种基于激光冲击波和振动技术的金属板材成形方法及装置，本发明特别适合于常温下难成形和高回弹材料的薄板成形。

背景技术：

铝合金、镁合金、钛合金等轻质合金薄板，由于其成形件具有强度高、重量轻等优势，因而被广泛应用于航空航天、汽车覆盖件、微电子、仪表等行业，在国民经济中占据着重要的位置。冲压成形是薄板塑性成形最常用加工方法之一，利用液压机对金属薄板施加压力，使其产生与模腔一样的塑性变形，从而获得一定形状的零件。冲压成形方法适用于材料延展性好的大批量的薄板件快速成形，具有较高的生产效率，但存在着模具制作过程周期长、费用大、制造成本高等不足，并且容易受到模具尺寸的限制。对于常温下难成形的轻合金如镁合金、铝合金、钛合金等板材，由于其屈服极限较高，在实施冲压的过程中，液压力需要在30-200MPa之间，因此成形过程中对设备性能的要求较高，尤其是对液压设备的密封性提出了很高的要求，但高压下泄漏不可避免。需要特别强调的是，铝合金、镁合金等在常温下成形的性能较差，成形后的回弹量甚至能达到50％以上，因此必需要在成形的液压系统中保压很长一段时间，以尽量减少液压力去除后成形件的回弹量。

在激光冲击成形中，金属板材从激光冲击波中获得动能和动量，高速运动，金属板材变形的瞬时速度为几百米每秒，甚至是千米每秒，在变形过程中，动能转化为塑性功和存贮在金属板材中的弹性势能，当速度降为0时，塑性变形的深度达到了最大，随后大量存贮在金属板材中的弹性势能要释放，势能又转化为动能，使金属板材反方向再运动，弹性势能再转化为动能，如此反复，回弹不仅导致了塑性变形深度变小，而且还导致了金属板材变形区的长时间的反复震荡，最后停止，大大降低了成形的效率和成形精度。

中国专利CN1751837A公开一种水下激光冲击成形的方法，该方法在工件前方设置弹性膜带，激光辐照在膜带上的吸收层后产生冲击波，冲击波在水中传播一端距离后达到工件的表面，对工件进行冲击成形。虽然用激光诱导的冲击波作为成形的动力源，但是由于使用弹性膜带，使在膜带表面产生的冲击波压力的峰值有着较大的减缓作用，而且依靠介质水远距离传递冲击波，由于水的减缓作用，传到工件表面的冲击波的压力进一步衰减，大大地消弱了成形效果。更为重要的是该方法难以消除板料高速冲击后的回弹，因此成形件的精度较差。

发明内容：

本发明的目的是为了解决轻合金板材在常温下冲击成形后回弹量较大所造成的精度不高的问题，提供一种基于激光冲击波和振动技术的金属板材成形方法及装置，本发明是以激光冲击波诱导的脉冲压力为动力的半模高精度金属板材成形方法及装置。

本发明所提供的基于激光冲击波和振动技术的金属板材成形方法具体步骤如下：

(1)将金属板材10上表面擦拭干净并晾干后，在所述金属板材10上表面涂覆一层厚度为0.10mm的黑漆作为激光的能量吸收层9。

(2)第二密封圈25安装在模具11的环形密封槽内，将带有所述能量吸收层9的所述金属板材10通过带有中孔的压料板7固定在所述模具11上。

(3)所述模具11固定在水槽8底部，将所述水槽8固定在振动器工作台19上。

(4)所述水槽8侧壁上设有环形密封槽，将第一密封圈12安装在所述环形槽的密封槽内，端部带有管螺纹的排气管13穿过所述环形密封槽，所述排气管13的一端与所述模具11的排气孔连接，所述排气管13的另一端位于所述水槽8的外部，所述排气管13的另一端与单向阀14相连。

(5)打开位于所述水槽8上方的水龙头24向所述水槽8内注入水6，水面至能量吸收层的距离为150-600mm。

(6)计算机23发出指令，激光发生器1发出脉宽为ns量级、单脉冲能量为2-100J、功率密度为GW/cm²量级的激光脉冲束3，所述激光脉冲束3依次经过全反镜4、冲击头5和有约束层作用的水6后辐照在所述能量吸收层9上产生高压冲击波，所述高压冲击波使金属板材10产生变形，并使变形后的所述金属板材10与所述模具11模腔之间的体积逐渐减小，所述模腔内的空气通过所述排气管13及所述单向阀14后向外排出，所述的金属板材10与所述模具11模腔贴合。

(7)所述计算机23再次发出指令，通过控制器22使所述振动器工作台19接通电源、开始工作，所述振动器工作台19的振动频率为10-2000Hz、振幅为0.01-0.5mm、振动时间为2-3分钟。

(8)拧开放水螺塞20，把所述水槽8中的水6放尽，从所述水槽8中取出所述模具11，打开所述压料板7，从所述模具11中取出金属成形件。

本发明所提供的基于激光冲击波和振动技术的金属板材成形装置包括激光器发生器1、导光系统、工件夹具系统、密封系统、控制系统及振动系统。

所述导光系统包括导光管2、全反镜4及冲击头5，所述导光管2的一端连着激光发生器1，所述导光管2依次把激光发生器1、全反镜4和冲击头5连接起来，所述导光管2的另一端连接冲击头5，冲击头5中含有聚焦凸透镜，冲击头5对准所述工件夹具系统中的金属板材10。

所述工件夹具系统包括压料板7、能量吸收层9、金属板材10、模具11、水槽8、水6、水龙头24及放水螺塞20；所述能量吸收层9涂覆在金属板材10的上表面，压料板7把所述金属板材10压在所述模具11上，所述模具11被固定在所述水槽8的底部，所述放水螺塞20通过防渗垫片21安装在所述水槽8侧壁底部的螺纹孔上，所述水龙头24位于所述水槽8的上方，所述水槽8中的水6将所述能量吸收层9浸没，水面至所述能量吸收层9的距离为150-600mm。

所述密封系统包括堵头27、软垫片26、第二密封圈25、排气管13、第一密封圈12、单向阀14及金属板材10；所述第二密封圈25安装在所述模具11的密封槽内，所述第二密封圈25高出所述模具11的上表面，在所述金属板材10安装好后有0.2-0.45mm的压缩量，所述堵头27通过所述软垫片26与所述水槽8底部的管螺纹连接，所述排气管13的一端通过管螺纹与所述模具11上的排气孔连接，所述排气管13的另一端穿过所述水槽8的环形密封槽和第一密封圈12与所述单向阀14连接，所述第一密封圈12在所述的排气管13的作用下有0.1-0.2mm的压缩量，所述的单向阀14由钢球和软弹簧组成，所述的模具11型腔中的空气在压力的作用下可以通过所述的排气管13和所述的单向阀14向外单向排出，此时所述的单向阀14处于导通状态，反向则所述的单向阀14关闭，所述的模具11底部的排气孔直径的范围是0.08-0.6mm。

所述振动系统包括螺母15、防松垫片16、螺栓17，固定块18及振动器工作台19；所述振动器工作台19的高度能够调节，所述的螺栓17、防松垫片16和螺母15将左右对称设置的所述固定块18固定在所述振动器工作台19的T型槽上，调节所述固定块18之间的距离，将所述水槽8固定，以保证在振动的情况下所述水槽8不发生位移。

所述控制系统包括计算机23及控制器22，计算机23通过所述控制器22控制所述振荡器工作台19的运动，所述计算机23通过所述控制器22控制所述激光发生器1发出的激光脉冲束3。

本发明具有以下技术特点：

1、采用激光诱导的冲击作为板料变形的压力，与传统液压力涨形相比，避免了使用复杂的液体设备。本发明不仅设备简单，维修方便，而且所占空间较小，能耗低，加工成本低。

2、工件放置在水槽中，高功率激光脉冲束聚焦在能量吸收层后，气化、电离产生等离子体，等离子吸收激光的能量后爆炸形成爆轰波高速冲击在金属板材的表面，形成了一次冲击波，同时一次冲击波也推动水向四周急速扩散，由于惯性的作用，造成了冲击中心区出现了负压，这样四周的水再次流向冲击的中心区并相互作用形成二次冲击波作用在金属板材上，如此循环，形成了多次冲击波对金属板材的多次冲击。

3、在板料从激光冲击波中获得动量后，向模腔底部贴近的变形过程中，模腔内体积减小，压力升高，单向阀中的钢球推开软弹簧，向外排气，由于惯性，导致模腔内的压力大大降低，从而使得变形后的金属板材难以回弹。而且每次冲击波作用于金属板材的变形都会压缩模具型腔内的空气，使之排出，变形量便得到了积累。

4、激光在水中诱导的冲击波能够在金属板材上形成多次冲击作用，加大了金属板材的塑性变形，而且单向阀的使用使得金属板材变形后难以回弹，进一步加大了金属板材的塑性变形量，因此，在相同的变形量下，可以利用较小的激光能量来诱导冲击波，避免使用大能量的脉冲输出对激光器造成的热损伤，将大大延长激光器的使用寿命。

5、在成形过程中，单向阀的使用，不仅增加了金属板材的塑性变形量，而且使金属板材的成形件难以回弹和反复震荡。这样缩短了金属板材成形的时间，提高了成形效率，并且增加了金属板材成形件与模具的贴合度，大大提高了成形精度。

6、在成形过程中，振动能显著降低金属材料的流动应力以及工件与模具之间的摩擦力，而且外界能量的输入，促进了金属微粒间的位错运动，有利于各种晶粒滑移系开动，从而使发生相应的滑移变得容易，降低金属板材的变形抗力，进一步提高了成形精度。

附图说明：

图1本发明装置结构示意图。

图中：1：激光发生器；2：导光管；3：激光脉冲束；4：全反镜；5：冲击头；6：水；7：压料板；8：水槽；9：能量吸收层；10：金属板材；11：模具；12：第一密封圈；13：排气管；14：单向阀；15：螺母；16：防松垫片；17：螺栓；18：固定块；19：振动器工作台；20：放水螺塞；21：防渗垫片；22：控制器；23：计算机；24：水龙头；25：第二密封圈；26：软垫片；27：堵头。

具体实施方式：

下面结合附图，通过成形0.2mm厚2024航空铝合金板材，进一步说明本发明方法及装置。

本发明提供的基于激光冲击波和振动技术的金属板材成形方法具体步骤如下：

(1)金属板材10为0.2mm厚的2024航空铝合金板材，用丙酮擦将金属板材10上表面擦拭干净，晾干后，在金属板材10上表面涂覆一层厚度为0.10mm的黑漆作为激光的能量吸收层9。

(2)将横断面直径φ3.5mm的O型第二密封圈25安装在密封槽的槽深为3.2mm的模具11的环形密封槽内，将上表面涂有能量吸收层9的金属板材10通过带有中孔的压料板7固定在模具11上。

(3)模具11被固定在水槽8底部，再通过螺母15、防松垫片16、螺栓17和固定块18将水槽8固定在振动器工作台19上。

(4)水槽8侧壁上设有环形密封槽，将横断面直径φ2.8mm的O型第一密封圈12安装在环形密封槽内，密封槽的槽深为2.6mm；模具11的模腔底部设有直径为φ1.2mm的排气孔，端部带有管螺纹的排气管13穿过环形槽，排气管13的一端通过管螺纹与模具11的排气孔连接，排气管13的另一端位于水槽8的外部，所述排气管13的另一端与单向阀14相连。

(5)将带有管螺纹的放水螺塞20通过防渗垫片21拧入到水槽8中去，并拧紧，打开上方的水龙头24向水槽8内注入水6，水面至能量吸收层的距离为200mm。

(6)计算机23发出指令，激光发生器1发出脉宽为24ns、单脉冲能量为10J、波长为1064nm的激光脉冲束3，激光脉冲束3依次经过全反镜4、冲击头5和有约束作用的水6后辐照在所述能量吸收层9上形成直径为φ3mm的光斑，形成功率密度为6.35GW/cm²的激光诱导产生峰值压力为2.5GPa冲击波，冲击波作用在金属板材10上，金属板材10产生变形，并使金属板材10与模具11模腔之间的逐渐体积减小，模腔内的空气通过排气管13和单向阀14后向外排出，最后所述的金属板材10与所述模具11模腔贴合。

(7)计算机23再次发出指令，通过控制器22使所述振动器工作台19接通电源、开始工作，述振动器工作台19的振动频率为1200Hz、振幅为0.05mm、振动时间为3分钟。

(8)拧开放水螺塞20，把水槽8中的水6放尽，从水槽8中取出模具11，打开压料板7，从模具11中取出金属成形件。