CN100999038A - 基于液晶掩模的激光冲击薄板无模成形的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械制造领域，特指一种基于液晶掩模的激光冲击薄板成形的方法和装置，其适用于金属薄板(厚度50μm－4mm)精密成形，特别适合于常规方法难以成形超薄薄板材料，如精密弹性合金为原材料的波纹膜片、弹跳膜片等。本方法提出的装置包括依次相连的激光发生器控制装置、激光发生器、扩束***、液晶显示屏及显示屏控制装置、聚焦***以及工件夹具***，及与激光发生器控制装置、显示屏控制装置、工作台控制装置相连的数字控制***。其中扩束***由一组凹透镜和一片大曲率的凸透镜组成；聚焦***由一组凸透镜和一片大曲率的凹透镜组成；工件夹具***包括上夹板、约束层、激光吸收保护膜、金属薄板、下夹板、工作台及工作台控制装置，在下夹板的下端设有排气孔。在冲击成形过程中，是非接触式的，塑性变形超快，成本低，效率高，根据金属薄板厚度，金属材料的性能以及成形尺寸，可进行单次单点，多次单点，多次多点冲击，实现金属薄板的无模精确成形。
Description
技术领域：
本发明涉及机械制造领域，特指一种基于液晶掩模的激光冲击薄板成形的方法和装置，其适用于金属薄板(厚度50μm-4mm)精密成形，特别适合于常规方法难以成形超薄板料，如精密弹性合金为原材料的波纹膜片、弹跳膜片、不锈钢、钛合金薄板小曲率成形件等。
背景技术：
金属薄板塑性成形方法很多，包括冲压、***成形、喷丸成形等。最常见的冲压成形生产各种饭金件，其缺点是模具费用高，生产周期长，而且只能对低碳薄板、铝合金、以及紫铜及部分黄铜，由于受应变率的影响，成形极限受到限制，且成形后的试样表面强度降低。喷丸成形是利用球丸高速冲击材料表层所产生的冲击力使工件发生塑性成形，优点是可在材料表层形成沿深度分布残余压应力，从而改善了工件的抗疲劳性能，缺点是工件表面***糙、参数多而难以精确控制；而***成形是烈性******产生的冲击波成形，非常危险，不能精确成形。
美国加州大学HACKEL LLOYD和HARRIS FRITZ申请的专利“ContourForming of Metals by Laser Peening”专利号：WO0105549，该专利提出用激光锤击金属板材表面产生残余应力，再利用残余应力释放产生微曲度进行的微变形成形，通过各点每次锤击的微曲度的累积或在同一点实施多次冲击，就可取得更大尺寸的弯曲。这种方法产生的变形量小，并且很难精确成形。
与本发明最为接近是国内江苏大学张永康等人申请的发明专利“一种激光冲击精密成形方法及装置”(专利授权号：ZL01134063.0)和“一种基于液晶掩模技术的激光微细加工方法和装置”(专利申请号：200510094160.8)，前者采用高性能激光冲击精密成形技术，它直接利用强脉冲激光束(功率密度大于109W/cm2，脉冲宽度8ns～30ns)冲击工件表面的柔性贴膜，使其表层气化电离并形成冲击波，使成形材料发生明显塑性变形，这是宏观材料变形，然后通过逐点冲击和有序的冲击点分布获得大面积复杂形状。成形材料包括金属、复合材料、塑料，以及镀有脆性涂层(如TiN)的金属薄板冲击成形。能有效地对金属材料、无机材料、高分子材料及复合材料等多种材料进行局部胀形。弯曲、拉伸、板料校平、杆件校直校曲，是集多种成形方式为一体的无模复杂成形。由于需要通过控制激光冲击的各点冲击力(即每点的工艺参数不同，如激光脉冲能量、光束直径、重复频率等)和冲击路径获得精确的工件轮廓，由于各点的工艺参数不一样，很难通过调整各点的工艺参数达到精确的各点冲击力，并且会导致成形的效率降低。后者在于利用液晶显示屏作为掩模；由激光发生器控制装置控制激光发生器按优化好的参数产生的激光脉冲，经扩束***照射到液晶屏上，液晶屏上显示图象部位阻断激光通过，使通过显示屏后的激光束成为与显示屏图像成反转关系的镂空图形光斑，照射到工件表面并烧蚀出所需要的图形凹坑，其使用仅仅局限在微细加工领域，并且通过激光烧蚀出的图形凹坑会萌生裂纹，是潜在的疲劳源。
发明内容：
本发明的目的是提供一种克服上述专利的不足，快速的薄板无模精密成形的方法和装置，即基于液晶掩模的激光冲击薄板无模精密成形的方法和装置，使金属薄板按既定的形状精确成形，并且能够改善金属薄板的机械性能。
本发明的特征在于利用液晶掩模各点的灰度来调整激光空间的能量分布，从而精确控制冲击各点或单点各个区域的激光功率密度，实现激光空间能量三维分布，以激光诱导的冲击波作为成形力源，且金属薄板成形区域必须漏空(不影响冲击时薄板自由成形)，使金属薄板按照所需要形状精确成形，既可以实现大光斑一次整体成形、单点单次局部胀形，也可以实现多点冲击成形。
实施该方法的装置包括依次相连的激光发生器控制装置、激光发生器、扩束***、聚焦***、工件夹具***，其特征在于在扩束***与聚焦***之间设有液晶显示屏及显示屏图像控制装置，其中扩束***由一组凹透镜和一片大曲率的凸透镜组成；聚焦***包括一组凸透镜和一片大曲率的凹透镜组成；工件夹具***由设置在工件表面的约束层、激光吸收保护膜与工件、夹具、工作台及工作台控制装置依次相连而成。
本发明是按下述技术方案实现的：
(1)根据所需要的成形要求设计显示屏显示的图形。根据工件表面要加工形状的深度、加工区域的尺寸选择激光脉冲能量、光束直径、重复频率等工艺参数。
(2)在金属薄板表面贴设激光吸收保护膜后，将其安装到夹具上。
(3)根据激光能量和液晶屏损坏阈值调节扩束***焦距。根据金属薄板成形尺寸调节聚焦***焦距。
(4)由激光发生器控制装置控制激光发生器按优化好的参数产生的激光脉冲，经扩束***放大照射到液晶屏上，由于液晶屏上显示图象的阻断作用，使通过显示屏后的激光束成为与显示屏图像成反转关系的镂空图形光斑，经过聚焦***的会聚形成与工件表面加工区域外形尺寸一致的镂空光斑，通过约束层照射到工件表面的激光吸收保护膜上引起吸收膜的汽化、电离形成冲击波，工件表面在冲击波的作用下快速发生塑性变形。
(5)在下夹板的金属薄板成形区域必须漏空，具有自由变形空间，不影响金属薄板冲击时的自由成形。
(6)对于超薄小面积金属薄板(≤Φ120，或≤□120×120，厚度30μm-100μm)可进行单次单点冲击成形；对于较厚的金属薄板，成形面积为≤Φ120或≤□120×120，可采用单点多次冲击成形，对于面积较大的较厚的金属薄板采用多次多点冲击成形，直到达到要求为止。由工作台控制***向待冲击位置作运动，从而达到控制冲击位置的目的。
本发明具有如下技术优势：
(1)通过采用可编程控制的液晶掩模和激光束的空间调制，采用液晶显示技术，制作成具有灰度的液晶图案显示，颜色深浅的不同，其透光率也不同，且连续可变，实现激光空间能量三维分布，可以使金属薄板按照所需形状精确成形，大大地降低了制模成本；
(3)对于超薄的金属薄板局部胀形和整体成形能够单次激光冲击精确成形，由于对于厚度≤300μm的精密弹性合金膜片，若不能一次成形弹性合金薄板就被破坏，因此本发明大大提高了工作效率和成品率；
(4)能够实现小曲率金属薄板弯曲成形；
(4)激光冲击是非接触式的，塑性变形超快，成本低，效率高；
(5)金属薄板激光冲击成形后表面形成了很深的高幅值残余压应力，可显著提高疲劳寿命。由于激光冲击在材料表面形成硬化层和高幅残余压应力，因此提高了材料成形的稳定性，无回弹。同时冲击后材料表面质量提高，如表面粗糙度降低，硬度提高、晶粒细化、工件抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能大幅提高。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是基于液晶掩模的激光冲击薄板无模精密成形的装置示意图。
图2是大光斑激光单点冲击金属薄板成形。
图3是激光多点冲击金属薄板三维成形。
图4为厚度为300μm的AL6Ti4V钛合金薄板小曲率半模仿形图1.激光发生器控制装置2.激光发生器3.激光束4.扩束***5.液晶显示屏6.显示屏控制装置7.聚焦***8.上夹板9.约束层10.激光吸收保护膜11.金属薄板12.下夹板13.工作台14.排气孔15.工作台控制装置
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
图1为用本发明进行激光冲击薄板无模精密成形的装置，包括依次相连的激光发生器控制装置1、激光发生器2、扩束***4、液晶显示屏5及显示屏控制装置6、聚焦***7以及工件夹具***，及与激光发生器控制装置1、显示屏控制装置6、工作台控制装置15相连的数字控制***13。其中扩束***4由一组凹透镜和一片大曲率的凸透镜组成；聚焦***7由一组凸透镜和一片大曲率的凹透镜组成；工件夹具***包括上夹板8、约束层9、激光吸收保护膜10、金属薄板11、下夹板12、工作台13及工作台控制装置15，在下夹板12的下端设有排气孔14，并且在下夹板12的成形区域必须漏空，不影响金属薄板11的自由成形。
激光发生器产生能量在10～100焦尔、持续时间为8～30纳秒的激光脉冲，激光束3的光斑模式可以是基模、多模等多种模式，其由激光发生器控制装置1调节和控制。由激光发生器2产生的平行激光束3通过扩束***4，被扩束***4中的凹透镜发散直径变大同时能量密度降低，再经凸透镜会聚成低功率密度的大直径平行光束并照射到液晶显示屏5上，液晶显示屏5显示着金属薄板11所需形状的反转放大图像，即金属薄板11上不需要成形的部位在显示屏上的图形显示黑色，需要成形的部位呈无色。激光束3通过液晶显示屏5后由于显示屏图形的阻断作用，而形成形状与所需成形形状一致的镂空光斑，然后经过聚焦***7，被聚焦***中的凸透镜会聚光斑直径缩小，同时能量密度增加，再经凹透镜发散成与金属薄板所需形状尺寸一致的平行镂空光斑，经过约束层9后照射到贴设在金属薄板11表面的吸收层10表面。激光吸收保护膜10吸收激光能量并汽化、电离形成冲击波，金属薄板11在冲击波作用下发生变形。根据金属薄板11厚度，金属材料的性能以及成形尺寸，可进行单次单点，多次单点，多次多点冲击，直到达到要求为止。
图2为基于液晶掩模的大光斑激光单点冲击金属薄板成形。对于超薄的金属薄板小面积成形，可以采用扩束***4按照金属薄板的成形区域面积调整激光光斑直径，单点一次整体成形，这时约束层9可选用K9玻璃或者流动水幕等。
图3为基于液晶掩模的激光多点冲击金属薄板大面积的三维成形。通过液晶的图案和灰度调整各点的冲击力的大小，可以根据成形形状和金属薄板的性质，优化冲击参数，从而实现金属薄板的三维精确成形，这时约束层9可以选用流水。
由于液晶掩模可以显示任意形状的图形和灰度，灰度不同，其透光率也不一样，这样可以精确控制冲击各点或单点各个区域的激光功率密度，从而精确控制冲击各点或单点各个区域的激光功率密度，实现激光空间能量三维分布。因为采用激光冲击波作为成形力源，使用了具有保护作用的激光吸收保护膜，避免了激光的热效应对表面材料的影响，能够在保持或明显改善金属薄板机械性能的基础上使金属薄板精确成形。
图4为厚度为300μm的AL6Ti4V钛合金薄板小曲率半模仿形图(某型号导弹的舵)，钛合金薄板经本发明方法多点冲击成形后，和用冲压方法获取的成形件相比，其表面的残余应力有了大幅度的改善和提高，表面的残余应力的数值随成形的轮廓变化而不同，但是都为残余压应力。
| 原始表面 | 冲压成形 | 激光冲击成形 |
| -40.0±4.7 | 100±13.7 | -269.3±25.4 |
| -182.2±8.9 | 25.3±17.4 | -368.7±37.6 |
| 24.5±25.7 | 121±23.5 | -275.1±43.9 |
| 0.9±3.7 | 101.5±11.9 | -305.4±37.4 |
Claims (4)
1.一种基于液晶掩模的激光冲击薄板无模精密成形方法，其特征在于利用液晶显示屏作为掩模；由激光发生器控制装置控制激光发生器产生的激光，经激光束空间调制器照射到液晶屏上，液晶屏上显示图象部位阻断激光通过，来获取不同空间分布的激光能量分布，实现金属薄板的无模精确成形，其中激光发生器内的调制器产生的激光束的脉冲宽度为10ns～30ns。
2.根据权利要求2所述的一种基于液晶掩模的激光冲击薄板无模精密成形方法，其特征在于对于超薄小面积金属薄板即≤Φ120，或≤□120×120，厚度30μm-100μm，进行单次单点冲击成形；对于较厚的金属薄板，成形面积为≤Φ120或≤□120×120，采用单点多次冲击成形，对于面积较大的较厚的金属薄板采用多次多点冲击成形。
3、为实施权利要求1所述的一种基于液晶掩模的激光冲击薄板无模精密成形方法的装置，其特征在于包括依次相连的激光发生器控制装置(1)、激光发生器(2)、扩束***(4)、液晶显示屏(5)及显示屏控制装置(6)、聚焦***(7)以及工件夹具***；其中扩束***(4)由一组凹透镜和一片大曲率的凸透镜组成；聚焦***(7)由一组凸透镜和一片大曲率的凹透镜组成；工件夹具***包括依次相连的上夹板(8)、约束层(9)、激光吸收保护膜(10)、金属薄板(11)、下夹板(12)、工作台(13)及工作台控制装置(15)，且在下夹板(12)的下端设有排气孔(14)。
4.根据权利要求2所述的一种基于液晶掩模的激光冲击薄板无模精密成形方法的装置，其特征在于在下夹板(12)的金属薄板成形区域设有自由变形空间。
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