CN104772569A - 一种医用钛合金板的激光冲击微成形装置及其微成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种医用钛合金板的激光冲击微成形装置及其微成形工艺，其装置部分，通过在现有激光冲击微成形装置的基础上，通过增设透明材质板片作为约束层、增设检测***；其微成形工艺中，通过在待微成形的钛合金板上喷涂黑漆层作为吸收层等技术手段，使其适用于医用钛合金板的微成形加工，并实现了钛合金板的微米级甚至是亚微米级的微成形，其微成形质量的稳定可靠、精度高；并可大幅提高微成形后的钛合金板表面的耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳损伤的能力，进而可大幅提高医用钛合金板微成形成品的使用寿命。

Description

一种医用钛合金板的激光冲击微成形装置及其微成形工艺

技术领域

本发明涉及一种金属材料的激光冲击微成形装置及其微成形工艺，尤其涉及一种适于医用钛合金板的激光冲击微成形装置及其微成形工艺。

背景技术

近年来，各种生物医学材料得到了广泛的开发和应用，特别是钛合金在生物医学领域中的研究和应用明显增多。钛合金具有较高的强度和韧性，适用于硬组织的修复和固定。其中，钛合金Ti-6Al-4V(TC4)因其具有优越的耐蚀性、高比强度和良好的生物相容性、适于植入等特点而广泛用于生物医学领域。

但是，钛合金材料本身的其表面硬度低、耐磨性差。而且，一旦钛合金产品的耐腐蚀性能不高，经过腐蚀后的钛合金，其含有的钒将以离子形式进入人体，进而引发炎症。因此，往往需要借助于表面改性等技术手段，以提高其产品的耐腐蚀性能，以满足医学领域的应用需要。

中国专利申请CN1128689C公开了一种激光冲击精密成形方法及装置，其利用强脉冲激光束冲击工件表面柔性贴膜，使其表层气化电离并形成冲击波，由于产生的冲击波压力峰值超过材料的动态屈服强度，从而使工件材料塑性变形。

上述技术方案为金属塑性成形提供了一个很好的技术思路，但其也存在诸多的不足之处，例如：

1、其激光冲击成形过程中，冲击力呈高斯分布，不可避免地，将造成成形不均匀，进而影响材料表面的加工精度与一致性；

2、实际上，在激光冲击成形过程中，各冲击点位置的材料变形量必然存在一定程度的差异，而上述技术方案的激光冲击成形过程中，其激光强度始终不变，这进一步制约了其成形精度的可靠性与稳定性。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种适于医用钛合金板微米级加工成形，加工成形质量稳定可靠，加工成后的钛合金表面耐磨性可以得到提高的医用钛合金板的激光冲击微成形装置。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是，一种医用钛合金板的激光冲击微成形装置，包括计算机、数控工作台、激光器、光路引导***和凹模总成；其中：

数控工作台安装在压力机的工作台上，与压力机工作台成可滑动连接，沿设置在压力机工作台上的滑轨移动，数控工作台上还设置有夹具；

所述凹模总成包括压边板和凹模本体；

所述光路引导***包括三棱镜、准直器、激光冲击头和聚焦镜；

所述激光器设置在所述凹模本体的正上方，用于发射激光束，该激光束进入光路引导***，先后经第一三棱镜、准直器进入激光冲击头，安装在激光冲击头内的第二三棱镜将入射激光束反射、再经聚焦镜聚焦，射入凹模中，用于激光冲击微成形；其中，激光冲击头的方位可围绕所述凹模进行前后左右与上下方位的任意调节；

所述计算机为激光冲击微成形装置的控制中心，用于控制激光器所发射的激光束功率密度的大小以及控制激光冲击头和数控工作台移动；

其特征在于，还包括有一检测***，所述检测***包括同步加速辐射光源、探测器、脉冲放大器、脉冲高度分析器和计数器；

所述同步加速辐射光源与探测器一左一右分别设置在所述凹模本体两侧的上方位置处，分别作为检测用激光的发射装置与接收装置；

所述探测器通过数据线依次将脉冲放大器、脉冲高度分析器、计数器串联连接，并最终与所述计算机通讯连接；

由所述计算机通过对所述检测***输送来的信号进行运算分析，并依据运算分析结果对激光器所发射的激光束功率密度大小适时进行动态调整，以使激光冲击微成形的工作状态始终处于理想状态；

上述激光冲击微成形装置工作时，待微成形的钛合金板放置在所述凹模上，所述钛合金板的待加工面上喷涂有一层厚度为30-60μm的黑漆，该黑漆层朝上，其上面再加盖上一块1.5-2mm厚的用作约束层的透明材质制成的板片；所述板片的尺寸大于或者等于所述钛合金板的尺寸，所述板片将所述钛合金板的待加工面整体覆盖住；

上述钛合金板和约束层由所述压边板压住，将所述凹模总成组装好，组装好的凹模总成通过夹具夹持、固定在所述数控工作台上。

上述技术方案直接带来的技术效果是，通过在现有技术的激光冲击微成形装置基础上，通过增加检测***、在待微成形的钛合金板上喷涂黑漆层(作为吸收层)，以及在待微成形的钛合金板上加盖一层透明材质制成的板片作为吸收层等系列技术手段，使其适用于医用钛合金板的微成形加工，并实现了钛合金板的微米级甚至是亚微米级的微成形，其微成形质量的稳定、可靠、精度高。

为更好地理解上述技术特点，现简要分析、阐明如下：

1、上述技术方案中，通过在待微成形的钛合金板表面上喷涂形成一层30-60微米厚的黑漆层，利用该黑漆层作为吸收层，使得激光冲击波在吸收层产生的等离子体，以对激光热效应进行屏蔽，从而有效避免了对加工工作面的热损伤，并且能够增加冲击波的压力峰值。

2、增设约束层的目的是，如前所述的吸收层受到激光诱导产生高温高压的等离子体，等离子体急剧膨胀***将产生强冲击波，通过该约束层可以将等离子体急剧膨胀***产生的强冲击波阻挡住，形成反向冲击波，产生高达GPa数量级的压力，该反向冲击波压向工件表层及内部组织(当该反向冲击波产生的压力超过工件的动态屈服极限值时，就会在材料表面产生塑性变形)；

更为重要的是，这种集钛合金板微成形与对钛合金板表面强化于一体的复合成形技术，不仅保证了微成形的质量，而且在微成形后钛合金板材料表面能够形成残余压应力层，并使得钛合金板的表面微观组织均匀和细化，从而大幅提高微成形后的钛合金板表面的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。

不难看出，上述之1和2，正是本发明在现有技术装置的基础上，实现对医用钛合金板微成形的技术关键。

3、上述技术方案中，通过增设检测***并与计算机通讯连接这一技术手段的运用，以使激光冲击微成形装置在微成形过程中，由计算机通过对检测***输送来的信号进行运算分析，并依据运算分析对激光器所发射的激光束功率密度大小适时进行动态调整，以使激光冲击微成形的工作状态始终处于理想状态，从而保证了激光冲击微成形质量的稳定与可靠。具体检测过程与计算机控制下的适时动态调整为：

在逐点冲击加工成形过程中，检测***通过同步加速辐射光源发出的入射激光束投射到钛合金板的表面上，由探测器接收反射激光，并转换为电脉冲，电脉冲经过放大器放大后进入脉冲高度分析器中，并转换为信号脉冲，信号脉冲发送至计数器中后，再送入计算机中进行误差和参数修正的运算分析；经计算机运算分析结果，将工件表面入射激光点的分析结果与该点理论变形值进行比对，根据比对结果，分析得出下一次加工该点位置的所需激光冲击能量值，并控制激光器加工下一个点位置所需发出的激光束能量值，同时，计算机控制数控工作台和激光冲击头移动到下一个冲击点位置，进行该点的冲击成形。

可以看出，上述之3，确保了医用钛合金板的微成形加工质量的稳定性与可靠性。

优选为，上述透明材质制成的板片为有机玻璃或石英玻璃板片。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，取材方便，成本低廉。理论上，还可以采用透明材质制造出的六面体形状的容器，容器内充满蒸馏水进行替代，但类似这种方式，其加工过程复杂、成本偏高。

进一步优选，上述黑漆层的厚度为50μm。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，实际使用经验表明，黑漆层的厚度为50μm时，对激光热效应的屏蔽效果最好。

本发明的目的之二是，提供一种上述医用钛合金板的激光冲击微成形装置的成形工艺，其具有操作简便、成形精度高，并且可提高成形后的钛合金板表面的耐磨性等特点。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种利用上述的医用钛合金板的激光冲击微成形装置的微成形工艺，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将厚度为30～60μm的医用钛合金板坯料裁剪至小于或者等于凹模本体的尺寸大小，经打磨、镜面抛光，至表面粗糙度≤0.06μm，再经校直后，制成待微成形的钛合金板；

在上述钛合金板的上下两个表面其中之一的一个表面上均匀喷涂黑漆、自然晾干，再次喷涂黑漆、再次自然晾干；重复上述喷涂黑漆与自然晾干操作，直至钛合金板上表面的黑漆层的厚度达到30-60μm；

将喷涂有黑漆层的钛合金板放置在凹模上，将喷涂有黑漆层的那个面朝上，其上面加盖上用作约束层的透明材质制成的板片，再用压边板压住，将凹模总成组装好，组装好的凹模总成通过夹具夹持并固定在所述数控工作台上；

第二步，启动激光器，将激光器产生的激光束脉冲宽度调制为5ns～15ns，使激光束经过光路引导***辐照到待微成形的钛合金板的待微成形的表面上；

第三步，在计算机的控制下，调整数控工作台和激光冲击头的位置，至激光冲击头对准钛合金板的待微成形的表面上所需冲击成形的起始位置点；

调节激光器，以产生功率密度大于10⁸W/cm²的强脉冲激光束，由激光冲击头利用该强脉冲激光束冲击钛合金板的待微成形的表面上所需冲击成形的起始位置点，使钛合金板发生塑性变形，完成该位置点的冲击成形；

在计算机的控制下，按程序设定的冲击点位置分布，按顺序不断调整数控工作台和激光冲击头的位置，依次激光冲击头对准钛合金板的待微成形的表面上所需冲击成形的下一个位置点，进行逐点冲击加工成形，直至结束；

第四步，关闭激光器、松开夹具并取出已加工成形的钛合金板，置于丙酮溶液中浸泡，以去除残留的黑漆；然后，用无水乙醇将其洗净。

上述技术方案直接带来的技术效果是，成形精度为微米级甚至可达亚微米级，

综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、结构简单、操作简便；

2、医用钛合金板微成形的质量稳定性好、可靠性高；

3、可大幅提高微成形后的钛合金板表面的耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳损伤的能力，进而大幅提高医用钛合金板成品的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的构造原理示意图；

图2为本发明的工作原理示意图。

附图标记说明：1-同步加速辐射光源，2-激光器，3-准直器，4-第二三棱镜，5-聚焦镜，6-探测器，7-放大器，8-脉冲高度分析器，9-计数器，10-压边板，11-约束层，12-黑漆层(吸收层)，13-钛合金板，14-等离子体冲击波，15-数控工作台，16-凹模本体，17-计算机，18-夹具，19-激光冲击头，20-第一三棱镜，21-脉冲激光束，22-板片(约束层)，23-等离子体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1和图2所示，本发明的医用钛合金板的激光冲击微成形装置，包括计算机(图中省略未示出)、数控工作台15、激光器2、光路引导***和凹模总成；其中：

数控工作台15安装在压力机的工作台上，与压力机工作台成可滑动连接，沿设置在压力机工作台上的滑轨移动，数控工作台上还设置有夹具18；

上述凹模总成包括压边板10和凹模本体16；

上述光路引导***包括第一三棱镜20、准直器3、激光冲击头19和聚焦镜5；

上述激光器2设置在凹模本体16的正上方，用于发射激光束，该激光束进入光路引导***，先后经第一三棱镜20、准直器3进入激光冲击头19，安装在激光冲击头内的第二三棱镜4将入射激光束反射、再经聚焦镜5聚焦，形成脉冲激光束21射入凹模本体16中，用于激光冲击微成形；其中，上述激光冲击头的方位可围绕凹模本体进行前后左右与上下方位的任意调节；

上述计算机为激光冲击微成形装置的控制中心，用于控制激光器所发射的激光束功率密度的大小以及控制激光冲击头和数控工作台移动；

上述医用钛合金板的激光冲击微成形装置，还包括有一检测***，上述检测***包括同步加速辐射光源1、探测器6、脉冲放大器7、脉冲高度分析器8和计数器9；

上述同步加速辐射光源1与探测器6一左一右分别设置在上述凹模本体两侧的上方位置处，分别作为检测用激光的发射装置与接收装置；

上述探测器6通过数据线依次将脉冲放大器7、脉冲高度分析器8、计数器9串联连接，并最终与上述计算机通讯连接；

由上述计算机通过对上述检测***输送来的信号进行运算分析，并依据运算分析对激光器所发射的激光束功率密度大小适时进行动态调整，以使激光冲击微成形的工作状态始终处于理想状态；

上述激光冲击微成形装置工作时，待微成形的钛合金板13放置在上述凹模本体16上，上述钛合金板13的待加工面上喷涂有一层厚度为30-60μm的黑漆，该黑漆层12朝上，其上面再加盖上一块1.5-2mm厚的用作约束层的透明材质制成的板片11；

上述板片的尺寸大于或者等于上述钛合金板的尺寸，该板片11将钛合金板的待加工面整体覆盖住；

上述钛合金板和板片11由上述压边板压住，将上述凹模总成组装好，组装好的凹模总成通过夹具夹持、固定在上述数控工作台上。

上述透明材质制成的板片优选为有机玻璃板片或石英玻璃板片。

上述黑漆层的厚度最好为50μm。

为更好地理解本发明，现进一步详细说明利用如权利要求1上述的医用钛合金板的激光冲击微成形装置的成形工艺。

其微成形工艺步骤如下：

第一步，将厚度为30～60μm的医用钛合金板坯料裁剪至小于或者等于凹模本体的尺寸大小，经打磨、镜面抛光，至表面粗糙度≤0.06μm，再经校直后，制成待微成形的钛合金板；

在上述钛合金板的上下两个表面其中之一的一个表面上均匀喷涂黑漆、自然晾干，再次喷涂黑漆、再次自然晾干；重复上述喷涂黑漆与自然晾干操作，直至钛合金板上表面的黑漆层12的厚度达到30-60μm；

将喷涂有黑漆层的钛合金板放置在凹模本体16上，将喷涂有黑漆层的那个面朝上，其上面加盖上用作约束层的透明材质制成的板片11，再用压边板压住，将凹模总成组装好，组装好的凹模总成通过夹具夹持并固定在上述数控工作台15上；

第二步，启动激光器，将激光器产生的激光束脉冲宽度调制为5ns～15ns，使激光束经过光路引导***辐照到待微成形的钛合金板13的待微成形的表面上；

第三步，在计算机的控制下，调整数控工作台15和激光冲击头19的位置，至激光冲击头19对准钛合金板13的待微成形的表面上所需冲击成形的起始位置点；

调节激光器，以产生功率密度大于10⁸W/cm²的强脉冲激光束，由激光冲击头19利用该强脉冲激光束冲击钛合金板13的待微成形的表面上所需冲击成形的起始位置点，使钛合金板发生塑性变形，完成该位置点的冲击成形；

在计算机的控制下，按程序设定的冲击点位置分布，按顺序不断调整数控工作台15和激光冲击头19的位置，依次激光冲击头19对准钛合金板13的待微成形的表面上所需冲击成形的下一个位置点，进行逐点冲击加工成形，直至结束；

第四步，关闭激光器、松开夹具并取出已加工成形的钛合金板，置于丙酮溶液中浸泡，以去除残留的黑漆；然后，用无水乙醇将其洗净。

如图2所示，上述医用钛合金板的激光冲击微成形装置的工作原理为：

经过聚焦镜5聚焦后的脉冲激光束21辐射到黑漆层12(吸收层)上，将使吸收层发生***性气体，并形成等离子体冲击波，此时吸收层上面的约束层11将约束等离子体23的扩散，并将其阻挡形成反向的等离子体冲击波14，产生高达GPa数量级的压力，当压力超过钛合金板13的动态屈服极限值时，钛合金材的表面将产生塑性变形，从而在凹模板的作用下实现微成形。

Claims (4)

1.一种医用钛合金板的激光冲击微成形装置，包括计算机、数控工作台、激光器、光路引导***和凹模总成；其中：

数控工作台安装在压力机的工作台上，与压力机工作台成可滑动连接，沿设置在压力机工作台上的滑轨移动，数控工作台上还设置有夹具；

所述凹模总成包括压边板和凹模本体；

所述光路引导***包括三棱镜、准直器、激光冲击头和聚焦镜；

所述激光器设置在所述凹模本体的正上方，用于发射激光束，该激光束进入光路引导***，先后经第一三棱镜、准直器进入激光冲击头，安装在激光冲击头内的第二三棱镜将入射激光束反射、再经聚焦镜聚焦，射入凹模中，用于激光冲击微成形；其中，激光冲击头的方位可围绕所述凹模进行前后左右与上下方位的任意调节；

所述计算机为激光冲击微成形装置的控制中心，用于控制激光器所发射的激光束功率密度的大小以及控制激光冲击头和数控工作台移动；

其特征在于，还包括有一检测***，所述检测***包括同步加速辐射光源、探测器、脉冲放大器、脉冲高度分析器和计数器；

所述同步加速辐射光源与探测器一左一右分别设置在所述凹模本体两侧的上方位置处，分别作为检测用激光的发射装置与接收装置；

所述探测器通过数据线依次将脉冲放大器、脉冲高度分析器、计数器串联连接，并最终与所述计算机通讯连接；

由所述计算机通过对所述检测***输送来的信号进行运算分析，并依据运算分析结果对激光器所发射的激光束功率密度大小适时进行动态调整，以使激光冲击微成形的工作状态始终处于理想状态；

上述激光冲击微成形装置工作时，待微成形的钛合金板放置在所述凹模上，所述钛合金板的待加工面上喷涂有一层厚度为30-60μm的黑漆，该黑漆层朝上，其上面再加盖上一块1.5-2mm厚的用作约束层的透明材质制成的板片；所述板片的尺寸大于或者等于所述钛合金板的尺寸，所述板片将所述钛合金板的待加工面整体覆盖住；

上述钛合金板和约束层由所述压边板压住，将所述凹模总成组装好，组装好的凹模总成通过夹具夹持、固定在所述数控工作台上。

2.根据权利要求1所述的医用钛合金板的激光冲击微成形装置的成形工艺，其特征在于，所述透明材质制成的板片为有机玻璃板片或石英玻璃板片。

3.根据权利要求1所述的医用钛合金板的激光冲击微成形装置的成形工艺，其特征在于，所述黑漆层的厚度为50μm。

4.一种利用如权利要求1所述的医用钛合金板的激光冲击微成形装置的微成形工艺，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将厚度为30～60μm的医用钛合金板坯料裁剪至小于或者等于凹模本体的尺寸大小，经打磨、镜面抛光，至表面粗糙度≤0.06μm，再经校直后，制成待微成形的钛合金板；

在上述钛合金板的上下两个表面其中之一的一个表面上均匀喷涂黑漆、自然晾干，再次喷涂黑漆、再次自然晾干；重复上述喷涂黑漆与自然晾干操作，直至钛合金板上表面的黑漆层的厚度达到30-60μm；

将喷涂有黑漆层的钛合金板放置在凹模上，将喷涂有黑漆层的那个面朝上，其上面加盖上用作约束层的透明材质制成的板片，再用压边板压住，将凹模总成组装好，组装好的凹模总成通过夹具夹持并固定在所述数控工作台上；

第二步，启动激光器，将激光器产生的激光束脉冲宽度调制为5ns～15ns，使激光束经过光路引导***辐照到待微成形的钛合金板的待微成形的表面上；

第三步，在计算机的控制下，调整数控工作台和激光冲击头的位置，至激光冲击头对准钛合金板的待微成形的表面上所需冲击成形的起始位置点；

调节激光器，以产生功率密度大于10⁸W/cm²的强脉冲激光束，由激光冲击头利用该强脉冲激光束冲击钛合金板的待微成形的表面上所需冲击成形的起始位置点，使钛合金板发生塑性变形，完成该位置点的冲击成形；

在计算机的控制下，按程序设定的冲击点位置分布，按顺序不断调整数控工作台和激光冲击头的位置，依次激光冲击头对准钛合金板的待微成形的表面上所需冲击成形的下一个位置点，进行逐点冲击加工成形，直至结束；

第四步，关闭激光器、松开夹具并取出已加工成形的钛合金板，置于丙酮溶液中浸泡，以去除残留的黑漆；然后，用无水乙醇将其洗净。